熱能與動力工程專業(yè)-220L空氣源熱泵熱水器設(shè)計(jì)【含6張CAD圖紙】【GC系列】
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在家用空調(diào)和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗(yàn)在家用空調(diào)和熱泵中用R432A替代R22的性能試驗(yàn) Ki-Jung Park, Yun-Bo Shim, Dongsoo JungDepartment of Mechanical Engineering, Inha University, Incheon 402-751, Republic of Korea摘要 在本文中,分別對家用空調(diào)和熱泵兩種不同的工況條件進(jìn)行了研究,用一個板式熱泵測試儀測量了R432A和HCFC22各自的熱力學(xué)性能。R432A不會對臭氧層造成破壞,并且它的溫室效應(yīng)潛在值非常低,小于5。同時為了能完全替代HCFC22, R432A有著和HCFC22幾乎一樣的蒸氣壓力值。試驗(yàn)結(jié)果表明,在家用空調(diào)和熱泵兩種不同的條件下,R432A的制冷效率分別比HCFC22高出8.5%和8.7%,功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%,壓縮機(jī)排氣溫度分別比HCFC22低14.1和17.3,并且由于R432A的密度比較低,它的制冷劑質(zhì)量甚至比HCFC22低50%??偟膩碚f,由于R432A具有良好的熱力學(xué)性能,又不會對環(huán)境造成破壞,這使它可以在家用空調(diào)和熱泵中能長期的并且很好的替代HCFC22制冷劑,同時也能更好的改善環(huán)境。關(guān)鍵詞:自然型制冷劑 丙烯 二甲醚 R432A 空調(diào) 熱泵ABSTRACT In this study, thermodynamic performance of R432A and HCFC22 is measured in a heat pump bench tester under both air-conditioning and heat pumping conditions. R432A has no ozone depletion potentialand very low greenhouse warming potential of less than 5. R432A also offers a similar vapor pressure to HCFC22 fordrop-in replacement. Test results showed that the coefficient of performance and capacity of R432A are 8.58.7% and 1.96.4% higher than those of HCFC22 for both conditions. The compressor discharge temperature of R432A is 14.117.3 C lower than that of HCFC22 while the amount of charge for R432A is 50% lower than that of HCFC22 due to its low density. Overall, R432A is a good long term dropinenvironmentally friendly alternative to replace HCFC22 in residential air-conditioners and heat pumps due to its excellent thermodynamic and environmental properties.Keywords: Natural refrigerants Propylene Dimethylether R432A Air conditioners Heat pumps1 序言在過去的幾十年中,HCFC22制冷劑一直主要用于家用空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中。但是由于HCFC22在分解過程中能產(chǎn)生并釋放出破壞臭氧層的氯代烴氣體,因此,根據(jù)蒙特利爾議定書的規(guī)定,HCFC22制冷劑要被逐漸淘汰。條例中規(guī)定,在發(fā)達(dá)國家中,從1996年起,要對使用HCFC制冷劑的產(chǎn)品進(jìn)行管制和調(diào)節(jié)。目前在歐洲,新型的設(shè)備和儀器中已經(jīng)不在使用HCFC22制冷劑,同時美國也將從2010年后停止使用HCFC22制冷劑。在過去幾年間,人們?yōu)榱俗袷孛商乩麪栕h定書的規(guī)定,已經(jīng)提出并測試了許多各種各樣的制冷劑。同時,一些國家開始嘗試使用氯代烴的混合型制冷劑,比如R410A和R407C,來取代HCFC22制冷劑。與此同時,許多公司也花費(fèi)很多努力來尋找它們自己的HCFC22制冷劑的替代品。在這些研究中,尤其是混合型制冷劑已經(jīng)得到了一些行業(yè)的特別關(guān)注,這些行業(yè)期望在它們產(chǎn)品系統(tǒng)不需要重大改變的情況下,混合型制冷劑能提高它們的能源效率。混合型制冷劑是有幾種對環(huán)境無污染的純工質(zhì)按一定的比例混合而成的。盡管R410A制冷劑的工作壓力比R407C高1.6倍,但它不會像R407C的溫度下降造成的,和其他共沸性質(zhì)非常相似,因此更容易控制。此外,由于R410A的比容(立方米/公斤)相對較?。▎挝惑w積高密度),容量大,其中有一個狹窄的管道直徑和壓力艙尺寸的優(yōu)勢。因此,與R407C,R410A更換更徹底,而且所取得的進(jìn)展能效比更多的幫助,這些也都是由R410A的提示的重要原因?,F(xiàn)如今,全球氣候變暖已經(jīng)成為了一個全球性的重要問題。為了應(yīng)對由溫室性氣體氯代烴的排放所引起的氣候變暖問題,人們?yōu)榇撕炗喠司┒甲h定書來應(yīng)對和解決這個問題。從全球逐漸變暖的這一趨勢來看, 根據(jù)歐盟F-Gases條例和MAC條令的規(guī)定,從2011年起新型的汽車空調(diào)車輛中將禁止使用HFC134a作為制冷劑。歐盟的這一條例和條令主要針對的是全球變暖潛能值(GWP)超出150的制冷劑的使用。參考文獻(xiàn)中提供的HFC134a的全球變暖潛能值是1300。同時,歐盟的許多國家也在認(rèn)真考慮禁止在家用空調(diào)和熱泵中使用氯代烴制冷劑的這一條例。盡管R410A和R407C還在一些國家的制冷系統(tǒng)中有所使用,但從長遠(yuǎn)來看,她們以后能否被使用還是個未知數(shù),因?yàn)镽410A和R407C的全球變暖潛能值分別是1700和2000,這一數(shù)值甚至比R134a還高出許多。為了避免氯代烴的高GWP值所引起的溫室效應(yīng)問題,其中一個可能的解決辦法是使用自然型制冷劑,如碳?xì)浠衔?。在過去的幾十年中,出于安全方面的考慮,在正常的家用空調(diào)和熱泵中禁止使用烴類制冷劑,由于它們的易燃性。然而,現(xiàn)如今由于環(huán)境和能源問題的日益嚴(yán)重,這一禁令有所緩和。因此,在某些領(lǐng)域中,一些易燃制冷劑的應(yīng)用可以得到批準(zhǔn)。比如,在歐洲熱泵可以使用丙烷(R290)和丙烯(R1270)作為制冷劑。眾所周知,碳?xì)浠衔锏娜蜃兣瘽撃苤捣浅P?,小?,成本又低,實(shí)用性很強(qiáng),還可以和傳統(tǒng)潤滑油相互容,并且它對環(huán)境幾乎不會造成任何破壞。除此之外,二甲醚(RE170)也是一種對環(huán)境無污染,并且還有良好的熱力學(xué)性能的制冷劑。R134a制冷劑是一種新型無公害制冷劑,屬于氫氟化碳化合物(四氟乙烷)。它具有與R12相似的熱物理性質(zhì),標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)為-26.1。但臭氧消耗潛能為零,溫室效應(yīng)潛能在0.240.29之間。常溫常壓下R134a無色,有輕微醚類氣體味,不易燃,沒有可測量的閃點(diǎn),對皮膚眼睛無刺激,不會引起皮膚過敏,但暴露是會產(chǎn)生輕微毒氣,工作場所應(yīng)通風(fēng)良好,R134a是不溶于礦物油的制冷劑,他采用脂類油、合成油(往復(fù)式壓縮機(jī)用)或烷基苯油(旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用)來滿足壓縮機(jī)的潤滑要求。相對于R12制冷劑,R134a制冷劑無毒、不可燃,R134a制冷劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、熱力性非常接近R12,但材料兼容性差,與礦物油不相容、易吸水。最近上市的R432A也是一種能在家用空調(diào)和熱泵中替代R22的制冷劑。R432A是有80%的丙烯(R1270)和20%的二甲醚(RE170)混合而成的一種近共沸混合物。它不會對臭氧層造成任何破壞,同時它的GWP值很低,小于5。并且在發(fā)生相變時,它的滑移溫度僅變化1,它正常情況下沸點(diǎn)是-46.6。盡管R432A是一種混合物,但它的傳熱退化預(yù)計(jì)不會很快,因?yàn)樗幕茰夭罘浅P?。在本文的研究中,正是要測量R432A的熱力學(xué)性能是否有可能完全替代HCFC22制冷劑在家用空調(diào)和熱泵熱水器中的應(yīng)用。2 實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)裝置 在本文的實(shí)驗(yàn)中,我用了一個像在Ref參考文獻(xiàn)中所描述的類似裝置,來測量替代品R432A的熱力學(xué)性能。儀器裝置如下圖1所示。該儀器使用水冷冷凝器,并帶有一個標(biāo)準(zhǔn)容量是3.5千瓦的水加熱式蒸發(fā)器。儀器中使用的是蝸旋式壓縮機(jī),它的作用就是壓縮制冷劑,讓其達(dá)到適合的壓力。此壓縮機(jī)原本主要是為HCFC22制冷劑設(shè)計(jì)的。除此之外,儀器中還有一個手動式的膨脹閥,它的主要作用是控制流量和流速。在Ref參考文獻(xiàn)中包含了該實(shí)驗(yàn)所有的細(xì)節(jié),有實(shí)驗(yàn)儀器,實(shí)驗(yàn)步驟,數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)整理等等,有興趣的讀者可以參閱一下。在本文的實(shí)驗(yàn)中,我將著重描述實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)條件。2.2 實(shí)驗(yàn)步驟 實(shí)驗(yàn)步驟如下所述:(1) 在系統(tǒng)開始運(yùn)行前,提前2-3個小時排凈空氣。(2)先大概設(shè)定一下冷凍機(jī)組和蒸發(fā)機(jī)組的溫度,同時還要在冷凝器和蒸發(fā)器中充注一定量的換熱流體(HTF),并且要明白一點(diǎn),針對不同的制冷劑,對系統(tǒng)有著不同的要求。對于R22制冷劑來說,要求制冷劑在壓縮機(jī)的入口處保持蒸氣狀態(tài)。對R432A制冷劑來說,要求系統(tǒng)應(yīng)有較低的蒸氣壓力。對于RE170制冷劑來說,要求在壓縮機(jī)的進(jìn)氣口處,應(yīng)有較高的蒸氣壓力,對于R1270制冷劑的要求也是如此。并且在充注制冷劑時,要求達(dá)到0.1克的精確度。(3)對膨脹閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié),并同時對制冷劑的流速和流量進(jìn)行調(diào)整,以此來保持制冷劑恒定的過熱和過冷,通常在蒸發(fā)器和冷凝器的出入口處,過熱或過冷5左右即可。(4)當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到并超過穩(wěn)定狀態(tài)1小時后,每隔30秒記錄一次數(shù)據(jù),連續(xù)記錄30多分鐘。2.3 實(shí)驗(yàn)條件為了能夠正確的比較兩種制冷劑的熱力學(xué)性能,應(yīng)保證試驗(yàn)條件的公平合理性。為達(dá)到此目的,要求在實(shí)驗(yàn)中兩種制冷劑的HTF溫度均保持固定的數(shù)值。對于在空調(diào)工況下的模擬實(shí)驗(yàn)來說,蒸發(fā)器進(jìn),出口處的HTF溫度(蒸發(fā)器中的水/乙二醇混合物和冷凝器中的冷卻水)分別設(shè)置為大約26.0和11.0,而在冷凝器進(jìn),出處的HTF溫度分別設(shè)定為大約30.0和42.0。盡管一樣的外部條件,但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:HCFC22和R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度值不一樣(分別大約是7和45),這是由于這兩種制冷劑流體有著不同的傳熱性能。對于在熱泵工況下的模擬實(shí)驗(yàn)而言,蒸發(fā)器進(jìn),出口處的HTF溫度分別被設(shè)定為大約10.0和1.0,而在冷凝器進(jìn),出處的HTF溫度分別被設(shè)定為大約30.0和39.0 。同時實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在熱泵工況的在這一條件下,HCFC22和 R432A在蒸發(fā)器和冷凝器中的飽和溫度分別大概是-7和41。事實(shí)上,在蒸發(fā)器和冷凝器出口處的HTF溫度,總是會存在一點(diǎn)點(diǎn)的差異,這是由于這兩種制冷劑有著不同的熱力學(xué)性能,并且在實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)儀器之間也存在有一些誤差或達(dá)不到精度要求。因此在本實(shí)驗(yàn)中要求:壓力校準(zhǔn)傳感器的精度達(dá)到0.1%,科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)的精度達(dá)到0.2%,數(shù)字電用能表的精度達(dá)到0.1%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果中溫度測量的不確定度小于0.1。國際上己逐步完成了對CFCs的替代,我國也成功地履行了CFCs逐步禁用的國際義務(wù)。對制冷空調(diào)界來說,在保護(hù)臭氧層問題上,當(dāng)前面臨的主要任務(wù)是如何落實(shí)R22等HCFCs替代的步驟,這又是一個相對長遠(yuǎn)的事。眾所周知,R22是綜合性能很優(yōu)秀的制冷劑,人們在R22制冷劑的設(shè)計(jì)、制造、行、維修等方面成功地積累了數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn),它對臭氧層的破壞也很?。∣DP值僅0.05),有一定的GWP值(1700)。在實(shí)驗(yàn)的測試過程中,蒸發(fā)器出口處的過熱和在冷凝器出口處的過冷均要保持在5,同時還要對制冷劑的流速和流量進(jìn)行調(diào)節(jié),以便在相同的外部條件下,讓這兩種制冷劑都能保持同樣的過冷和過熱。最后對于在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的潤滑油來說,R432A和HCFC22制冷劑都可以使用傳統(tǒng)的礦物油。3 結(jié)果和討論 在表1和表2中(如下圖所示),列出了兩種制冷劑在實(shí)驗(yàn)中所測量的各種性能參數(shù),有制冷效率(COP),功率,壓縮功,壓力比,排氣溫度和制冷劑質(zhì)量。以上數(shù)據(jù)分為兩種情況,分別是R432A和HCFC22在家用空調(diào)和熱泵兩種不同的工況條件下。同時還要求,對于每一種制冷劑,應(yīng)至少進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn),并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差應(yīng)在1%之內(nèi),才可記錄。表1 在空調(diào)工況條件下,R432A和R22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果制冷劑COPCOP對比Qe(w)Qe對比W(w)W對比PRTdis充注量(g)R223.41373410962.9984.71300R432A3.708.5%38061.9%1028-6.2%2.7070.6650表2 在熱泵工況條件下,R432A和R22的實(shí)驗(yàn)結(jié)果制冷劑COPCOP對比Qe(w)Qe對比W(w)W對比PRTdis充注量(g)R223.6834729434.2794.11350R432A4.008.7%36936.4%923-2.1%3.8676.86503.1 制冷效率在冰箱和空調(diào)的中,對于任意個設(shè)備,在制冷劑給定已知的情況下,制冷效率(COP)是衡量其能源利用率的一個重要參數(shù)。制冷效率實(shí)際就是熱泵系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的制冷量(制熱量)和輸入功率的比值,在相同的工況下,其比值越大說明這個熱泵系統(tǒng)的效率越高越節(jié)能;因此在作制冷系統(tǒng)COP值比較之前,首先要確定各個熱泵系統(tǒng)是否在相同的工況之下,然后再進(jìn)行計(jì)算比較。 因此,在實(shí)驗(yàn)中,準(zhǔn)確的測量并記錄COP值是非常重要的。首先,我們可以肯定的說:R432A和HCFC22的制冷效率是不一樣的,這一點(diǎn),我們從表中就可以看出。表1和表2的數(shù)據(jù)顯示:在相同的外部條件下,在空調(diào)和熱泵工況中,R432A的制冷效率分別比HCFC22多出8.5%和8.7%,R432A的制冷效率之所以能夠提高的一個主要原因就是,它在壓縮機(jī)中的壓縮比(PR)比HCFC22小很多。正如表1和表2中所示的一樣,R432A的壓力比(PR)比HCFC22低9.7%,同時壓力比的降低反過來又導(dǎo)致了壓縮功的減小,這一點(diǎn)我們也可以從表1和表2的數(shù)據(jù)中看出??傊?,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,從能源效率這一方面來說,R432A確實(shí)是HCFC22制冷劑的一種很好的替代品。3.2 功率在制冷系統(tǒng)中,功率是和制冷效率(COP)一樣重要的性能參數(shù)。表1 和2列出的是兩種各種制冷劑在蒸發(fā)器中的制冷量,對于家用空調(diào)和冷凝加熱器來說,它的功率是指Qe,對于熱泵來說,它的功率是指Qc。當(dāng)具體到某種給定的壓縮機(jī)機(jī)型時,和HCFC22相比,R432A的功率都有所改變(Qe和Qc均不相同)。從表1和表2我們可以看出,在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。尤其是在熱泵的工況條件下,R432A和HCFC22的功率值相差很大,不過考慮到熱泵在設(shè)計(jì)過程中一直存在的一個問題:熱功率隨著外部溫度的降低而減小,R432A的功率比HCFC22大,這一結(jié)果應(yīng)該是一個很好的現(xiàn)象!除此之外,實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,R432A制冷劑確實(shí)是一種很好的,安全的替代品,并且它還不用對壓縮機(jī)進(jìn)行重大變化。事實(shí)上,調(diào)換或重新設(shè)計(jì)壓縮機(jī)是一件成本非常昂貴的事情,因此,單從節(jié)約生產(chǎn)成本這一角度來看,R432A替代HCFC22制冷劑確實(shí)是很有利的。3.3 壓縮機(jī)排氣溫度在制冷劑的替換時,制冷系統(tǒng)的使用壽命,穩(wěn)定性以及制冷劑和潤滑油之間的穩(wěn)定性等等這些因素到要考慮到。不過,這些特性都可以通過間接測量壓縮機(jī)的排氣溫度來衡量。從表1和表2中的數(shù)據(jù),我們可以知道,在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的排氣溫度(Tdis) 分別比HCFC22低14.1和17.3。從壓縮機(jī)排氣溫度這一點(diǎn),我們可以得出如下結(jié)論:從制冷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上看,R432A制冷劑是一種合適的替代品。3.4 制冷劑的質(zhì)量由于大多數(shù)碳?xì)浠衔锩芏容^比氯代烴小,因此碳?xì)浠衔锏闹评鋭┵|(zhì)量明顯降低了許多。正如表1和表2的數(shù)據(jù)所示,在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的制冷劑質(zhì)量分別比HCFC22低50.0%和51.9%。因此,從長遠(yuǎn)來看,這將有利于降低由制冷劑的直接排放所造成的溫室效應(yīng)問題。4 結(jié)論在本文中,對R432A和HCFC22制冷劑在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下的性能進(jìn)行了研究,在實(shí)驗(yàn)中,用了一個類似于“切片面包”式的實(shí)驗(yàn)裝置,對這兩種制冷劑的熱力學(xué)性能進(jìn)行了測試,并對不同的性能特點(diǎn)進(jìn)行了記錄和分析,我們可以得出如下結(jié)論:(1)在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的制冷效率分別比HCFC22多出8.5%和8.7%。(2)在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的功率分別比HCFC22高出1.9%和6.4%。(3)在家用空調(diào)和熱泵兩種不同工況條件下,R432A的排氣溫度(Tdis) 分別比HCFC22低14.1和17.3。(4)由于R432a的密度低,因此,它的制冷劑質(zhì)量比HCFC22降低約50%。(5) 在家用空調(diào)和熱泵中,R432A確實(shí)是一種能很好的,并且能長期替代HCFC22的制冷劑。參考文獻(xiàn)1 United Nations Environmental Programme, 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