空调系统制冷剂最佳充注量试验研究.docx

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空调系统制冷剂最佳充注量试验研究

研究报告

第20100161号

日立电器

R410A空调系统制冷剂最佳充注量试验研究

技术体系

压缩机开发部

开发一室

君一波

探讨期间：

2010年6月～2010年7月

报告日期：

2010年7月

摘要

建立了空调系统制冷剂最佳充注量的数学模型，分析了制冷剂充注量和电子膨胀阀开度对变频空调制冷量、功率、EER、蒸发温度、吸气温度、过热度的影响及原因。

提出了空调系统最佳匹配特性的原则，制冷系统存在最佳充注量，通过调节压缩机的运行频率实现容量调节，通过调节电子膨胀阀使蒸发器出口趋近饱和状态，此时蒸发器过热度趋近于0，制冷量及EER达到最佳值。

关键词：

制冷剂充注量、电子膨胀阀、制冷量、过热度、EER

绪言

（一）研究的动机

制冷剂充注量与制冷装置的工作特性是紧密相关的，如果充注量过大,将引起蒸发温度、冷凝温度上升,由于冷凝器和蒸发器参与换热的有效面积减小,蒸发器不能将冷量充分发挥出来；如果充注量过小,蒸发、冷凝压力都下降,蒸发器的传热温差增加了,而制冷剂的制冷量却减少了,系统工作特性也不符合要求。

目前SHEC的正在大力开发R410A冷媒的定频及变频压缩机，压缩机与空调系统的匹配的研究显得更为重要。

对一定容量的压缩机而言，在空调系统的匹配中，一般通过调节制冷剂充注量、毛细管长度或电子膨胀阀开度来寻找系统运行最佳效率状态。

在实际调节过程中，即使空调系统节流装置要求使用毛细管，也先是用电子膨胀阀对系统进行调节，找到运行的最佳点后，再更换相应的毛细管来匹配。

目前，国有关于R22毛细管长度与制冷剂充注量方面的研究与报道，但对于R410A空调器方面的研究较少。

因此，研究空调器性能参数随电子膨胀调节和制冷剂充注量变化的规律，具有重大的实践意义。

（二）研究经过

理论分析阶段：

阅读关于制冷剂充注量及空调系统运行特性方面的文献，探讨如何开展试验。

探讨的结果是:

采用ASA804变频压缩机，格力26级2级能效空调系统，节流装置采用电子膨胀阀。

实验准备及实施阶段：

在公司的焓差室实施实验，为了保证实验数据的真实性及可靠性，必须连续运行空调系统，中间停机次数尽量少。

在一个充注量下将膨胀阀开度从小调节到大，机组连续运行，每个工况运行4个小时左右待稳定后采集数据。

每个充注量下采样点约16-20个，共6个充注量。

数据分析阶段：

总结电子膨胀阀及制冷剂充注量的特性变化规律。

结合理论分析变化原因。

找到调节空调系统的最佳效率点的依据和方法。

（三）研究对象

ASA804SD压缩机和格力KFR-26GW/E（26541）FdNA空调系统，原机的节流装置是毛细管，为了能够快速简便地调节制冷剂流量，实验中采用电子膨胀阀作为节流装置。

（四）研究的目标

通过对R410A空调系统制冷剂充注量机和电子膨胀阀特性理探讨完成后，能够为R410A空调最优效率的压缩机匹配提供方法和依据，提高压缩机与空调系统匹配的工作效率。

1.空调系统制冷剂量数学模型

1.1引言

制冷或空调系统的正常运转取决于所充注的制冷剂量是否合适,若系统中制冷剂充注不足会使蒸发器蒸发量不足,蒸发温度、冷凝温度都下降,蒸发器的传热温差增加,制冷剂的流量减少会使蒸发器的制冷剂液体未流完全程就蒸发为气体,而导致压缩机回气温度过高,回气比容增大,造成制冷量不足且出口过热度过大,排温过高,压缩机易造成热保护。

若加液过量又会使进入冷凝器的制冷剂太多,导致排气压力过高,液态制冷剂回流,停机时过多的制冷剂液体通过毛细管转移到蒸发器中,再次起动时过多的制冷剂液体以两相态出蒸发器,溢入压缩机造成液击现象。

空调系统中绝大部分的制冷剂主要存在于蒸发器和冷凝器中，相对来说，节流装置（毛细管/电子膨胀阀）、压缩机和管路中的制冷剂则非常少，甚至可以忽略不计。

最佳制冷剂充注量应是满足蒸发器和冷凝器在最佳传热条件下两者质量之和，从而使系统的制冷量和能效比达到最佳的状态。

1.2制冷剂量数学模型

（1）蒸发器制冷剂量数学模型

对于分体式空调而言，蒸发器中的大部分处于两相流状态，而在蒸发器出口部分为蒸气过热阶段。

制冷剂蒸气的比体积是饱和液体的近百倍,因此如上所述，这部分过热蒸气及压缩机部的制冷剂量之和通常不足20克,大部分制冷剂都集中在两相区域。

蒸发器两相段的长度为：

（m）………………………………（1-1）

在蒸发器的两相段中,制冷剂的状态按蒸发温度下的饱和状态确定,其制冷剂的充灌量可按公式（1-2）：

（kg）…………（1-2）

（2）冷凝器器制冷剂量数学模型

在冷凝器中,根据制冷剂状态不同可分为过热段、冷凝段、过冷段三部分,三部分的相对位置由冷凝器与周围环境换热条件而决定。

由于过热段制冷剂蒸气的比体积是饱和液体的近百倍,气体的质量非常少,大部分制冷剂都集中在两相区和过冷段。

冷凝器两相段的长度为：

（m）………………………………（1-3）

在冷凝器的两相段中,制冷剂的状态按冷凝温度下的饱和状态确定,其制冷剂的充灌量可按

下面公式计算：

（kg）……（1-4）

（3）空调器系统制冷剂量数学模型

空调器系统通常采用夹带回油,使用的润滑油与制冷剂完全或部分互溶,制冷剂气体在润滑油中的溶解度与温度及压力有关,可表示为

……………………（1-5）

通常溶解度随着压力的升高而增大,随温度的上升而减少。

当溶解度求出后,根据压缩机的注油量和机壳的工作压力和温度,可得出溶于润滑油中制冷剂的量

（kg）……………………………………（1-6）

制冷系统的制冷剂充注量应为蒸发器，冷凝器，润滑油及管路中制冷剂质量之和：

（kg）…………………………（1-7）

式中

——管路中的制冷剂质量，一般估计为0.2kg左右。

工程上为简化计算,常采用以下经验公式对制冷剂充灌量进行估算:

…………………（1-8）

2.试验系统及方法介绍

2.1试验系统

（1）空调系统

本次试验系统在格力睡美人系列KFR-26GW/E（26541）FdNA系统上进行26工况的试验，原机标称是262级空调。

以下为系统的配置参数。

型号

KFR-26GW/E（26541）FdNA

冷媒及充注量（g）

R410A1.11Kg

额定电压（V）/频率（HZ）

220V50Hz

节流方式

毛细管2.7×1×500mm

原机压缩机

三洋6RZ110H1A

制冷量（W）

2700（850-3300）

制冷功率（W）

620（225-1180）

制热量（W）

3400（870-4400）

制热功率（W）

850（210-1350）

最大输入功率

1400

循环风量m3/h

550

空调能效等级

2级

（2）空气焓差法试验台

空调系统的制冷/制热量可采用房间型量热计法或空气焓值法进行测量。

其中空气焓值法试验装置按照布置的不同主要分为有：

房间式、风洞式、环路式和量热计式空气焓值法试验装置。

本回实验室是风洞式空气焓差试验台。

图2.1风洞式空气焓差法试验台

图2.1是空气焓差法试验台的装置图。

由测试室、工况设备、测试本体、控制系统及测量系统组成，各组成部分主要功能如下

测试室

测试室分室、室外两间，由聚胺酯库板装配而成，地面采用了能耐温耐湿的复合地板。

为了保证室外侧低温试验的要求，在室外侧的地面上敷设了与墙体相同的保温库板。

测试室还装有双层真空玻璃，以观察测试过程。

工况设备

测试室的工况设备由空气调和箱、室/室外侧工况机、电加热器和加湿器组成。

其作用是对测试室的空气状态进行调节，以达到我们进行实验所需的工况条件，使测试在一个稳定的环境下进行，以准确测试空调器的性能。

测试室的室侧采用孔板送风的方式，室外外侧采用侧送风的方式。

测试本体

测试本体用来测试空调器出风口的干湿球温度和空调器室机的循环风量。

其外胆为不锈钢板，中间保温采用聚胺酯发泡。

测试本体的前半部分为静压腔和出风温度测量端；中间为风量测试段；最后为引风机段。

引风机的转速通过变频器调节。

改变变频器的输出频率使空调器的出口静压为零。

控制系统

本装置采用分布式的控制系统，由计算机、PLC和PID组成。

PLC用于控制各种设备的运行，监控设备状态；4个PID分别控制室室外的干湿球工况。

被测空调器的出风静压也由PID调节，计算机通过串行通讯连接PLC和PID，可以设置和监控整个监控过程。

测量系统

测量系统包括数据采集仪、电参数仪和数据采集记录仪。

除了满足制冷、制热量测试的基本要求外，通过配置的压力变送器和热电偶温度计，可以测量空调器的部系统压力和各部位温度，为空调器同的匹配优化提供依据。

被测空调系统的制冷量按照式（2-1）进行计算：

……………………………（2-1）

显热量按照式（2-2）进行计算：

……………………………（2-2）

潜热量按照式（2-3）进行计算：

……………………………（2-3）

图2.2风洞式空气焓差法原理图

1.被侧空调器室机组2.干湿球温度测量装置3.静压取样装置4.出风温湿度采集风洞5.空气流量测量风洞6.喷嘴前后压差装置7.喷嘴8.引风机9.整流栅

图2.2是风洞式空气焓差法测试本体的原理图，主要部件如下：

静压室，测量空调器的出口静压；

取样装置，测量空调机组的进出口的干球和湿球温度；

整流栅，保证气体进出喷嘴时气流的稳定；

喷嘴，用于测量流经的气体流量。

为保证测试精度，喷嘴喉部风速应控制在15~32m/s。

当一个喷嘴不能满足风量测试的要求时，可启用多个喷嘴，测试的风量为每个喷嘴流量之和。

启用多个喷嘴时尽可能使之对称布置。

不同喉径喷嘴的空气流量测试围如下：

Φ70：

207~485m3/h

Φ80：

271~633m3/h

Φ100：

424~989m3/h

引风机，用来补偿测试装置的空气流动阻力。

测试时调整引风机的风量，使空调器的出口静压为零，此时用本装置在稳定状态下测得的风量和制冷/制热量即空调器在试验运行条件下的风量和制冷/制热量。

通过单个喷嘴的循环风量的体积流量和质量流量分别按照式（2-4）、（2-5）、（2-6）进行计算：

……………………………………（2-4）

……………………………………（2-5）

……………………………………（2-6）

采用多喷嘴测量时其总风量为各喷嘴风量之和。

（3）电子膨胀阀

电子膨胀阀对制冷剂供液量的调节围宽，调节反应快，可保证蒸发器始终在很小的出口过热度下稳定工作，是传统的毛细管或热力膨胀阀对此无法满足。

电子膨胀阀是极有发展前途的节流装置。

如图2.4,电子膨胀阀是依靠针杆的上下运动来自由控制制冷剂流通面积Sb的。

用步进电机驱动电子膨胀阀。

控制电路的脉冲电压作用到电机定子的各相线圈上时，永久磁铁制成的电机转子受磁力矩作用产生旋转运动，通过螺纹的传递,使针阀上升或下降，调节阀的流量。

其脉冲数与开口面积的关系曲线见图2.5。

把电子膨胀阀视为一个可变的节流孔板，那么其流量可以按照下式计算：

………………………（2-7）

节流通道的截面积与阀芯升程S的关系：

…………………………………（2-8）

流量系数：

…………………………（2-9）

节流前后，制冷剂的焓不变

…………………………………………（2-10）

图2.3步进电机驱动方式的电子膨胀阀

1.销子2.滑块3.磁铁4.螺纹5.下盖6.外螺纹7.针杆8.主体9.外壳10.线圈11.罩子12.NH连接器

图2.4针杆和开口面积图2.5相对步进数和开口面积

2.2实验目的及方法

（1）实验目的

目前SHEC的正在大力开发R410A冷媒的定频及变频压缩机，压缩机与空调系统的匹配的研究显得更为重