【HETA】R290的性能实验研究
随着基加利修正案的正式生效，18种制冷剂市场受限。R32、R290等制冷剂越来越受到关注。今天小编就分享一篇关于R290性能实验研究文章。
一： R290 与R22 的热力学性质对比
丙烷R290 与R22 的基本物性对比性能见表1 和图1所示。
从中可以看出其基本物性是相当接近的。从表1 中可以看出,丙烷的主要物理性质如标准沸点、凝固点、临界压力、临界温度等参数都与R22极其相近。R290的ODP系数为0, GWP 值很小。
由图1 可见丙烷的饱和蒸汽压与R22 非常接近,而由于两者的压力温度曲线非常接近,对于R22制冷系统可以不对原机组进行大的改造,直接将R22抽出灌装丙烷。从潜热的比较来看,在相同的压力下7℃时丙烷的潜热比R22大84.14 % ,这样正好弥补了由于其饱和蒸汽密度小于R22而造成的制冷能力下降的缺点。
另外,与R22 相比,R290 具有优越的热物理性质:R290 导热系数λ比R22的大(提高了系统的传热效果); R290 的粘性系数γ比R22的小(流动阻力减小); R290 的绝热指数K比R22的小,使压缩机排气温度降低,容积效率提高,传热不可逆损失减少,使系统能耗降低。
2、 R290 与R22 的循环性能分析与对比
根据单级制冷循环的理论计算,在标准空调工况下R290 与R22 的各项性能指标对比如表2 所示。空调标准工况:蒸发温度7. 2 ℃,冷凝温度54. 4 ℃。从表2 中可以看出,R290 在容积制冷量与制冷系数两项指标上逊于R22 ,而在冷凝压力、压比、制冷量、排气温度上大大优于R22。
二： R290 制冷循环性能匹配实验研究
1、实验样机与实验方案
实验在小型焓差法空调器性能测试试验台上进行。为了探讨R290 在家用空调器中的特性,分别选用原R22 空调样机:小金豆KF - 26GWPK(简称26 机) 和高能效节能王子KFR - 27GWPE(简称27 机) 进行匹配实验,主要侧重于灌注量,毛细管匹配(单、双毛细管) 、回热几个方面进行。实验均采用GBPT7725 - 2004《房间空气调节器》国家标准, 使用三相220V , 50Hz 电源。丙烷工质选用优级R290替代HCFC - 22 ,纯度在90 %以上。
2、26 机最佳灌注量匹配实验
将原R22 空调系统采用R290 后只改变灌注量,原机充灌量为630g ,毛细管为1. 37 ×700 ,实验匹配结果见表3 所示。
实验是在系统毛细管长度保持不变的情况下,改变系统R290充灌量,观察系统运行的效果。从表3 中可与R22 相比在充灌量为320g(为原机充灌量的50%左右)的情况下,制冷量达到最大值为2418W,达到原机制冷量的95.8 %。,能效比达到2.78,较原机提高0.31 ,提高达到12.6 % ,且R290系统排气温度较低(较好的一组的排气温度与原R22系统相差12.5 ℃); 而在蒸发压力、蒸发温度及冷凝温度上变化都不大。
3、26 机单双毛细管最佳匹配实验
采用毛细管节流的制冷系统存在一个与系统相匹配的最佳毛细管长度,偏离这个最佳值,都将使系统性能下降。单双毛细管匹配试验是在使用新工质后调整毛细管的长度和流通面积,使新工质在最佳工况下工作。
不改变原R22 系统的充灌量,两者的长度都在最佳的情况下,使用双毛细管的系统性能较单毛细管好:单双毛细管的蒸发压力、蒸发器的进出口温度都很相近,导致制冷剂进出蒸发器的焓差基本相当,在一定的工况下,双毛细管系统节流较单毛细管更为稳定。匹配数据如下表4所示,原26机毛细管规格为:1.37 ×700×1。R290充灌量保持320g不变。
从表4 中可以看出在最佳灌注量附近,适当匹配毛细管,系统能力有显著的提高,当采用单根毛细管1.37 ×1000时,冷量达到2452W,达到原机的97.2 % ,能效比也达到了2.77 。
测试数据表明采用双毛细管后系统性能都呈现不同程度的下降。根据实验数据分析,采用双毛细管后吸排气温度都大大降低,因此考虑目前匹配还不够合理,应尝试进一步加长毛细管提高吸排气温度进一步探讨,性能应有所提高,但能否超过单毛细管能力应进一步验证。
4、26 机R290 回热特性实验研究
在节流前使经过冷凝的高温高压制冷剂液体与压缩机吸入前的低温低压制冷剂蒸汽进行热交换,使液体进一步冷却、蒸汽温度升高,称为回热。这样的循环简称回热循环。通过回热过程中的热量交换,使节流前的液体过冷,同时提高压缩机回气过热度。
如果不计回热器和环境空气之间的热交换,则液体过冷的热量等于使蒸汽过热的热量。与无回热的循环相比较,回热循环的单位制冷量将会增大,但其单位功也增大了,因此制冷系数以及单位容积制冷量是增大还是减小取决于制冷剂物性、蒸发温度(工况) 、回热器结构等参数决定。
调器实验中采用了三个回热器,结构图如图2～图4所示:
注:1)原机充灌量为285g,毛细管规格为1.37 3 1050
由此可见。换热器结构的不同,热交换量存在较大差异,性能参数变化较大。在对比实验中,2号换热器效果最好。2号回热器蒸汽散热较好,同时蒸汽的阻力系数不大,因而性能在三个回热器中较好,3号回热器由于带有毛细管结构,节流多次造成蒸发器进口温度太低,蒸发面积不能有效地利用,性能变差。因而后续实验均采用2号回热器进行实验,与未回热循环进行比较,具体性能参数如表6所示。
从中可以看出在灌注量和毛细管规格相同时(如实验1～4),回热循环与非回热循环相比,回热循环的冷量都有所下降,如两组实验分别下降
2. 42 %和3. 26 % , EER 比非回热循环略有提高,如两组实验分别提高0.35 %和0.38 %。在原循环最佳匹配值附近,适当匹配回热循环(实验6～9) ,匹配毛细管比增加灌注量更有效果。实验中,增加灌注量,系统性能有变差的趋势;而适当调整毛细管尺寸,系统冷量和能效比都有较大的提高(冷量增加25. 5W,能效比增加0. 105) 。原因在于:经过回热后(实验6 ,7) ,过冷度和过热度改善的幅度相当(均为6～7 ℃) ,气液换热很充分,回热器得到充分利用。而增加灌注量的实验数据显示,过热度提高较低,蒸汽侧换热较差,因而回热后效果并不明显,甚至还有所下降。
因而,R290 空调系统采用回热循环,除了需要慎重选用回热器外,还需要调整节流部件,才能保证回热后性能。
5、高能效机型匹配情况
实验中还对高能效样机: 节能王子KFR -27GWPE , (以下简称27 机) 进行了灌注量、单双毛细管匹配方面的探讨,为R290 用于高能效机提供了参考。匹配结果分别见表7 和表8 所示。
从匹配结果看在性能方面,高能效27 机的匹配效果低于26机,经过适当匹配后,制冷量达到原机匹配能力的91.8 % ,26 机能达到原机匹配能力的97.2 %。这是由两样机的结构差异决定,27机的两器面积明显较大,压缩机也不尽相同。这些差异也造成了最佳灌注量比26机偏大,在56.5 %左右。能效比高于原R22系统,由原机的3.57 提高到3.78 ,提高了0.21 ,达5.9 %。和26机类似双毛细管匹配后性能低于单毛细管。
三：R290 的安全性分析及工艺要求
然而由于R290 是可燃性物质(燃点、爆炸范围见表1) ,这使人们对其作为替代制冷剂采用谨慎小心的态度。对于R290 的可燃性,一般处理方式都是在生产过程中特别注意工质充灌和焊接加工这两方面，以确保安全生产加工。
四： 结论
通过一系列的实验匹配研究,对R290 的物性及其用于家用空调中的特性进行了相当仔细实验探讨,对灌注量,单双毛细管匹配,回热循环等分别进行了详细的实验研究。
原机采用R290 工质后,进行了性能配置,系统能效均高于原R22 系统,冷量略低于原机;同时由于26 机、27 机结构的差异,充灌量有所不同;对26 机,在原R22 制冷系统中,不做任何改动,最佳灌注量为原机的50. 8 % ,27 机稍高,约56. 5 %。研究同时表明在合适匹配的情况下R290的制冷量能够达到R22 机型的97. 2 % ,能效比最高提高了12. 6 %。
同时双毛细管取代单毛细管节流后,系统性能都大大降低;R290 的回热制冷量略有下降回热循环很大程度上取决于回热器的设计和系统的工况,如果进行合理配置,使用R290 的系统采用回热循环后可以提高系统性能。
版权说明：本微信内容由制冷空调换热器技术联盟编辑整理，作者：肖洪海 张 桃 胡 艳，版权归属作者所有；转载请注明来源制冷空调换热器技术联盟。