新型环保制冷剂R1234yf,R1234ze,R152a,Ｒ448A,Ｒ290 和Ｒ600a

     

    

      本文我们将基于 VapCyc 蒸发循环仿真软件，计算不同工况下，新型环保制冷剂Ｒ 1234yf ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 152a ，Ｒ 448A ，Ｒ 290 和Ｒ 600a 的系统循环性能，并对比分析回热器对不同制冷剂系统的性能影响。

 

    

1、模型建立及验证    

  

VapCyc 是一款蒸发循环制冷系统稳态仿真软件，在系统四大部件遵守质量守恒定律和能量守恒定律、系统在稳态下工作等假设条件下，计算出系统在不同条件下的性能参数。

 

1 ． 1 参数设置  

系统循环参数如下 : 蒸发温度 7.2 ℃ ; 冷凝温度 54.4 ℃ ; 过热度 15 ℃ ; 过冷度 5 ℃ ．空气参数参考 GB/T 21361 — 2008 《汽车用空调器》以及 GB 7725 — 2004 《房间空气调节器》技术要求，设置如表 1 所示．

 

为减轻蒸发器、冷凝器质量，降低系统代偿损失，两器均选用铝制微通道换热器．且限于直升机安装尺寸，同时为满足换热要求，冷凝器设计为 4 层。具体参数设置如表 2 所示。

 

选用涡旋式压缩机，参数设置 : 容积 34 mL ; 容积系数 0.95; 转速 3 000 r · min － 1; 绝热效率 0.65; 机械效率 0.95 ． 节流装置类型为热力膨胀阀，其当量直径为 1.1 mm 。

 

1． 2 试验验证  

为验证模型的正确性，搭建如图 1 实验台，试验系统中各部件结构参数以及试验环境条件均与上节设置相同。

 

由于试验压缩机对制冷剂种类具有匹配性，仅对Ｒ 407C 制冷剂，在不同压缩机转速下进行了多组试验． 测量得到冷凝器入口风量、进出口风温，以及压缩机电流，通过计算得到冷凝器侧换热量、压缩机耗功，进一步可知系统制冷量及 COP ． 利用仿真模型重复各组试验，将试验结果与仿真计算结果对比，如图 2 ， 3 所示。

由图可以看出仿真结果与试验值的误差基本都在 10% 以内。

      

2、仿真结果及分析    

  

基于上述参数设置，建立有 / 无回热器 2 套计算模型。计算Ｒ 1234yf ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 152a ，Ｒ 448A ，Ｒ 290 和 Ｒ 600a 这 6 种制冷剂在不同的过热度、环境温度、压缩机转速、冷凝器侧风量、蒸发器侧风量下的系统制冷量及 COP 。

 

2． 1 过热度  

系统制冷量随过热度的变化关系如图 4 所示，由图可知，无回热器时，制冷量均随过热度的增加而减小 ; 增加回热器对提升制冷量是有益的，制冷量随过热度的变化较平缓且呈先增加后减小的趋势．过热度相同时，制冷量大小依次为 Ｒ 448A ，Ｒ 290 ，Ｒ 152a ，Ｒ 1234yf ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 600a 。

 

COP 随过热度的变化关系如图 5 所示，无回热器时， COP 随过热度的增加而减小 ; 增加回热器可以提高 COP 值，且过热度越大，增加越明显．相同的过热度下， COP 大小关系为Ｒ 600a ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 152a ，Ｒ 1234yf ，Ｒ 290 ，Ｒ 448A 。

 

2． 2 外界环境温度   

图 6 为制冷量随环境温度的变化关系，可以看出，不同制冷剂系统制冷量均随环境温度的增加呈近似线性减小的趋势 ; 增设回热器后，制冷量平均增加 11.5% 。这是由于环境温度增加，即冷凝器侧进口风温增加后，冷凝器换热温差变小，换热量减少，导致蒸发器入口焓值增大、制冷量降低。回热器可以进一步对冷凝器出口制冷剂降温，使制冷剂在蒸发器中可以吸收更多的热量，从而提高制冷量。

 

COP 随环境温度的变化如图 7 所示，环境温度升高后， COP 降低且变化趋势逐渐变缓．增加回热器使得 COP 平均提高 6.56% 。

 

2． 3 压缩机转速   

制冷量随压缩机转速的变化如图 8 所示。

由图 8 可知，制冷量随压缩机转速的升高而增加，在回热系统中，制冷量约提升 9.69% 。

图 9 为 COP 随压缩机转速的变化关系，随着压缩机转速的增加，系统 COP 逐渐降低，且随着压缩机转速的增加，回热器对 COP 的提升逐渐减小。这是由于压缩机转速增大时，制冷剂流量增加，制冷量增大，但同时压缩机耗功也在增加，致使 COP 逐渐减小． 限于换热器及管道尺寸，当转速增大到一定值后， COP 及制冷量变化减缓。

 

压缩机设计转速对系统制冷剂和 COP 的影响作用相反，故今后在确定系统压缩机转速时，应综合考虑系统对制冷剂及 COP 的需求。

 

2． 4 冷凝器侧风量   

制冷量随冷凝器侧风量的变化如图 10 所示，制冷量随冷凝器侧风量的增加而变大，且增加趋势速率逐渐变小。

增设回热器后，制冷量平均提升了 11.46% 。冷凝器侧风量增大时，空气侧扰动增加，换热系数逐渐变大，但风量增加到一定程度后，换热系数升高趋势变慢，冷凝器侧换热量增加减缓，从而制冷量增加减缓． COP 随冷凝器侧风量的变化如图 11 所示，随着冷凝器侧风量的增加，系统效率逐渐升高。

回热系统约是一般系统 COP 的 1.06 倍。故在系统重量及电功率允许条件下，可通过增大冷凝器侧风量来改善循环系统性能。

 

2． 5 蒸发器侧风量   

制冷量随蒸发器侧风量的变化如图 12 所示，制冷量随蒸发器侧风量的增加而增大，且风量越大，回热对提高制冷量越有益。这是因为随着蒸发风量的不断升高，空气侧换热系数增加变缓，蒸发器换热量增量也逐渐减少，导致系统制冷量变化趋于平缓。

COP 随蒸发器侧风量的变化如图 13 所示，随着风量的增加，系统 COP 升高但趋势趋于平缓。且随着风量的增加，回热器对 COP 的提升越明显。

但当风量大于 800 m 3 · h － 1 ，蒸发器侧风量对系统制冷量、 COP 的影响不再明显．故今后在设计蒸发制冷循环系统时，应合理确定蒸发器侧风量。

    

3、结论    

  

1) 制冷量随过热度、外界环境温度的升高而减小，随压缩机转速、冷凝器侧风量、蒸发器侧风量的增大而变大。

2) COP 随过热度、外界环境温度、冷凝器侧风量的增大而降低，随压缩机转速、蒸发器侧风量的增大而升高。

3) 相同工况下，制冷量大小顺序为Ｒ 448A ，Ｒ 290 ，Ｒ 152a ，Ｒ 1234yf ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 600a ， COP 大小顺序为Ｒ 600a ，Ｒ 1234ze ，Ｒ 152a ，Ｒ 1234yf ， Ｒ 290 ，Ｒ 448A 。

4) 对于 6 种制冷剂，增加回热器后，均能改善系统循环性能，且系统制冷量及 COP 平均提高了 10% ， 6% 左右，且对Ｒ 600a 系统最有利。