R32用于泳池热泵热水器的性能实验探究_张子琦.pdf

R32用于泳池热泵热水器的性能实验探究张子琦 严瑞东 陈江平( 上海交通大学 ， 200240)张金喜［ 沃姆制冷设备 ( 上海 ) 有限公司 ， 201401］摘 要 : 本文对 R22、R410A 和 R32 用于泳池热泵热水器中的性能进行了理论分析和实验验证 结果表明 ， 在相同的工况下 ， R32 在热泵热水器中作为 R22 的替代物制热能力提高约 9． 4%， 水循环一次循环出水温度提高 0． 3℃R32 在热泵热水器领域的应用具有十分广阔的前景 关键词 : 替代 制冷剂 R22 R32 R410AResearch on the Performance of R32 in Heat Pump WaterHeaters for Swimming PoolZhang Ziqi， Yan Ruidong， Chen Jiangping( Shanghai Jiaotong University， 200240)Zhang Jinxi［ WARM Refrigeration Equipment ( Shanghai) Co． Ltd ． ， 201401］Abstract: This paper provides theoretical calculations and experiments to test the performances of R32，R410A and R22 in heat pump water heaters． The results show that under the same working condition， the heat-ing capacity of R32 is about 9. 4% higher than that of R22; temperature rise of water circle in R32 prototype in-creases 0. 3℃ than that of R22． In a word， R32 is a promising alternative to R22 in heat pump water heater．Keywords: Alternatives， Refrigerant， R22， R32， R410A第一作者简介 : 张子琦 ( 1990. 2—) ， 男 ， 现于上海交通大学制冷与低温工程研究所攻读博士学位 。

1 引言随着经济发展和人民生活水平的不断提高 ，人们对于生活热水的需求量越来越大 相比于能效较低的燃气热水器和电热水器 ， 以及受气候条件制约较大的太阳能热水器 ， 空气源热泵热水器( 以下简称热泵热水器 ) 拥有能效高 、全天候使用等优点 ， 符合中国 “节能减排 ”的重大战略 ， 具有广泛的发展前景 笔者在实地调研中发现 ， 目前国内绝大部分热泵热水器使用的制冷剂为 R22 或R410A由于 R22 在热力学性能及经济成本上的优势 ， 大部分热泵热水器生产商在生产 、设计产品时仍趋向将 R22 作为主要的制冷剂 目前中国热泵热水器的产能巨大且增长迅速 随着 HCFC 类制冷剂淘汰期限的不断临近 ， 寻找一种环保 、高效的 R22 替代品显得尤为重要 泳池热泵作为热泵热水器的一种 ， 在国内也有广泛的应用 目前国内还没有针对泳池热泵的专门测试标准 国内外的学者针对热泵热水器中 R22 的替代也做了许多工作 ， 对于 R410A 系统的性能也做了不少研究 陈嘉澍等人对于 R22 和 R134a 在热泵热水器上的性能做了对比［ 1］， 发现 R134a 的耗能要比 R22 高575电器 2012 －增刊3% ～22%， 不适合替代 ; 朱兴旺等人对于 7℃情况下 R22 和 R417a 用于热泵热水器的性能进行实验研究［ 2］， 得到 R417a 相较于 R22 有高温下吸排气压力小 、COP 值也较小的结论 ; 张太康等人对于R134a、R417a、R22 用于热泵热水器的性能进行研究［ 3］， 得到了 R134a 及 R417a 都可以对 R22进行替代 ， 但是 R134a 的制热量太小 ， 需要进一步改进的结论 。

邱步［ 4］等对于 R410A 及其他常用制冷剂在热泵热水器中的性质进行仿真模拟 ，得到 R410A 在热泵热水器中的运行参数及特点 目前国内的研究多集中于 HC 类制冷剂及非共沸工质在热泵热水器中的性质［ 5 ～8］， 而对R32 的研究较少 ， 并且 R410A 的 GWP 值较高 ，在未来被禁用的风险比较大 ， 因此考虑以 R32 作为替代制冷剂 本文将对热泵热水器中常用的R22 与 R410A 的理论循环性能和实验性能与R32 进行对比 ， 以便评价 R32 作为替代制冷剂的性能 2 R22、R410A 及 R32 的物理性质表 1 中列举了 R22、R32 及 R410A 的部分物理性质 、环保性能及安全性数据［ 9］表 1 三种制冷剂的性质制冷剂 R22 R410A R32物理性质摩尔质量 ( g/mol) 86．47 72．58 52．02标准沸点 ( ℃) －40．8 －51．6 －51．7临界温度 ( ℃) 96．2 72．5 78．2临界压力 ( MPa) 4．99 4．95 5．8环境性能大气寿命 12 5ODP 0．055 0 0GWP 1810 2000 550安全性LFL( %) 13．3HOC( mL/kg) 9．4TLV － TWA 1000 1000 1000安全等级 A1 A1 A2由表 1 中的数据可以得知 ， R32 的环保性能相较 R22 与 R410A 有明显的提高 。

首先 ， R32 的ODP 值为 0， 不会对臭氧层起到破坏作用 ; 其次 ，R32 的 GWP 值在三种制冷剂中最低 ， 为 550， 相比R410A 下降 72．5%， 相比 R22 下降 69． 6%; 第三 ，在大气寿命方面 ， R32 也比 R22 下降 58． 3%因此 R32 的环保性能较为优良 3 R22、R410A 与 R32 的理论循环性能在进行理论循环性能计算之前 ， 应根据理论循环的特点对实际的循环进行简化并忽略不同制冷剂系统之间的设备差异以及不同制冷剂间的传热差异 、溶油性差异等 尽管简化之后的理论计算结果会与实际系统试验结果产生一定的差异 ， 可是由于良好的热力学性能是循环性能的基础 ， 故理论循环性能可以作为实际性能的参考 为了保证结果的可信性 ， 循环中的各个参数 ，如蒸发温度 、冷凝温度 、过热度 、过冷度及压缩机等熵压缩效率等皆取相等的数值 计算中不同状态点下的制冷剂具体状态参数由 REFPROP 8． 0中的数据库中取得 3．1 实际循环的简化对于理论循环 ， 根据以下条件进行简化 : 忽略蒸发器 、冷凝器中的压降 ， 制冷剂在换热器中相变的过程是等压过程 ， 并根据蒸发温度 、冷凝温度来确定蒸发压力与冷凝压力 ; 认为节流过程为等焓节流过程 ， 即节流前后制冷剂焓值不变 ; 压缩机的压缩过程简化为等熵的简单压缩过程 ， 压缩终了的制冷剂状态由等熵过程及压缩机的等熵效率共同决定 。

计算中考虑压缩机的余隙容积 ， 并据此对计算结果进行修正 3．2 计算条件在计算时对三种制冷剂取相同的计算条件 ，条件如表 2 所示 :表 2 理论循环计算条件蒸发温度 ( ℃) 5 过热度 ( ℃) 5 压缩机吸气口温度 ( ℃) 10冷凝温度 ( ℃) 60 过冷度 ( ℃) 5 节流阀前温度 ( ℃) 553．3 计算结果根据上述计算条件与理论循环模型对三种制675 电器 2012 －增刊冷剂进行理论循环性能进行计算 ， 并将得到的结果列于表 3:表 3 理论循环计算结果制冷剂吸气压力( MPa)排气压力( MPa)排气温度( K)压比容积制冷量 ( W)COPR22 0．581 2．419 360．7 4．162 2322．7 2．596R32 0．947 3．92 378．5 4．139 3679．5 2．457R410A 0．931 3．83 360．6 4．11 3189．1 2．344将计算结果修正为相对于 R22 的相对值 ， 如表 4:表 4 理论循环修正结果制冷剂吸气压力( MPa)排气压力( MPa)排气温度( K)压比容积制冷量 ( W)COPR22 1 1 1 1 1 1R32 1．629 1．62 1．049 0．994 1．584 0．946R410A 1．602 1．582 0．999 0．987 1．373 0．902由计算结果可以看出 : ( 1) R32 的吸气压力与排气压力与 R22 相比高出不少 ， 约为 R22 的 1． 6倍左右 ， 且与 R410A 相近 ; ( 2) 在排气温度方面 ，三种制冷剂的性能相近 ， R32 的排气温度略微高于 R22 与 R410A; ( 3) 在压比方面 ， R32 循环压比略微高于 R410A 而低于 R22; ( 3) 在容积制冷量方面 ， R32 有较大优势 ， 约为 R22 系统的 1． 5 倍 ， 为R410A 的 1． 15 倍 ; ( 4) 在 COP 方面 ， R32 略微低于 R22， 但比 R410A 高一些 。

从理论计算的结果来看 ， R32 对于 R410A 系统可以进行直接替代 ， 而且系统性能略微有所上升 ; 对于 R22 系统 ， 由于 R32 运行时压力较高 ， 在替代时则需校验系统的承压性能 4 R22、R410A 与 R32 的实际循环性能4．1 实验系统及实验步骤对 R32、R410A 与 R22 进行对比实验 ， 以测试替代制冷剂的实际性能 测试样机及环境舱示意图如图 1 所示 由于不同制冷剂所用的压缩机不同 ， 出于对比的考虑 ，R32 系统与 R410A 系统选取排量相同的压缩机 ，压缩机排量为 5kW; R22 系统选取排量为 3． 5kW的压缩机 ; 在进行制热能力对比时 ， 将 R22 系统换为排量为 5kW 的压缩机 蒸发器为 500mm ×590mm ×16mm 的微通道换热器 ， 冷凝器为板式换热器 ， 节流装置为毛细管 实验中考察不同制冷剂在不同条件下的 COP、吸排气压力 、吸排气温度 、容积冷量等参数及其变化趋势 ， 以便考察替代制冷剂的实际循环性能 对于系统换热器的匹配及优化 ， 本文不做深入研究 图 1 实验装置示意图实验中的环境工况共分两组 ， 分别列于表 5:表 5 实验工况工况编号 干球温度 ( ℃) 湿球温度 ( ℃) 相对湿度 ( %)1 15 12 602 25 19．6 60在这两组环境工况下 ， 分别对不同的进水温度下的系统性能进行考察 ， 并对系统的循环性能进行评估 。

对于 R32 制冷剂 ， 由于目前没有专门开发的压缩机 ， 实验时采取 R410A 系统压缩机进行直接灌注的方法进行实验 775电器 2012 －增刊在实验时 ， 首先通过系统过热度参数来判断系统的最佳充注量 ， 再运行一段时间等待系统进入稳定状态 当系统稳定之后 ， 进行系统数据的采集 4．2 实验结果及分析图 2 系统 COP 随工况变化对比从图 2 可以看出 ， 随着进水温度的上升 ， 3 个系统的 COP 都在下降 ; 其中 R410A 系统与 R22 系统的 COP 值相似 ， 略微高于 R32 系统 ; R32 系统的COP 值约为 R22 系统的 87．5%图 3 系统压比随工况变化的对比由图 3 可以看出 ， 随着进水温度的提高 ， 3 个系统的压比都有所提升 其中 ， R410A 系统和R22 系统压比非常相似 ， 而 R32 系统则高一些 从实验数据来看 ， R32 系统压比约比 R22 系统的压比高 9%由于压比大的系统其 COP 值一般也较低 ， 这也从侧面印证了 R22 系统的效率要略微高于 R32 系统 。