肖 坤，王江宇，陈焕新，郭亚宾，刘江岩，胡云鹏

（1.华中科技大学，武汉430074；2.武汉商学院，武汉430056）

0 引言

制冷剂R22目前被广泛应用于各种制冷与空调系统［1］，但其对环境的影响也是不可忽略的。早在上世纪七、八十年代，联合国就已开始了对大气臭氧层破坏的讨论，并于1985年和1987年，《保护臭氧层维也纳公约》和 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》［1］就已相继问世。这些国际公约中一致要求加速CFCs和HCFCs的淘汰，而R22作为HCFCs中的一种，且其在一定程度上加速了全球变暖，在未来会被淘汰［2］，而又由于其在中国制冷剂市场所占比例过大，其的替代物十分受关注。其中，R290（ODP＝0，GWP＝20）［1］由于其对大气臭氧层没有破坏作用，同时对全球温室效应影响十分小，以及其优良的热力性能，受到许多研究者的青睐［3］，而且目前在欧洲，R290已被用于家用空调和汽车空调［3］。而 R32（ODP＝0，GWP＝670）［1］也因为其不会破坏臭氧层且对温室效应的影响较小，还有其良好的热物理和安全性质［1］（可燃性低、安全性好、热导率高、热稳定性好），而被不少学者欢迎，认为进行其替代R22的研究具有一定的意义［4－5］，另外在日本，R32已被应用于空调、热泵系统［6］。同时就目前而言，房间空调器依旧占有相当大的比重，房间空调器中HCFCs的使用也在很大程度上影响着臭氧层和全球温室效应，故而对房间空调器中制冷剂替代的研究具有一定的现实意义。

现在也有不少研究者开展了对制冷剂替代的研究。张彦所［8］研究了各种R22替代制冷剂的环保性、安全性、热力学性能，并以冷库为平台用实验对比分析了各种制冷剂的制冷循环性能。杨林德［9］等通过实验分析了R290在分体式房间空调器中替代R22的优点，认为R290热物理性质良好，更利于提高空调系统的能效，利于节能环保，并认为其具有好的前景。马玉奇［10］等通过实验的方法，对比研究了R32和R22在柜机空调系统中的制冷性能，并认为从环保节能、经济适用等角度而言，R32替代R22具有一定的市场前景。大部分前人往往采用实验［11］的方法来进行制冷剂替代的研究。实验研究自然更符合工业实际，却往往会耗费大量资源和人力，而仿真研究恰好可以弥补这一不足［12］。利用现代仿真技术可以对实验和工业生产作出相应的技术指导，这样可以减少资源、时间、人力的浪费。同时，房间空调器相较于大型商用空调［7］，结构简单，部件较少，在一定程度上加强了仿真的可行性［12］。宋艳艳［13］建立了冷凝器的传热模型，通过仿真模拟的方法，对比了R290与R22冷凝器的换热性能，认为R290与R22在一定程度上换热性能相似，R290具有替代R22的潜能。王磊［6］通过计算机仿真建立了全新风机组的制冷系统稳态分布参数模型，探索了R32在该系统中的制冷性能，认为R32是一种可行性较高的替代制冷剂。王美霞［14］利用仿真的手段建立了小型变频空调系统模型，并在此基础上对R407C和R410A替代R22作了研究和分析。梁杰荣［15］等利用仿真模型研究了R290在房间空调器中空调制冷循环各点的状态，以及各部件的制冷剂分布和压损。

商用制冷系统结构上与家用房间空调器多有区别［7］，其建模手段与约束条件也与房间空调器有着一定的差异［12］。而目前，利用R290、R32在房间空调器中替代R22的仿真研究还是较少的。针对上述现状，本文对R290、R32在房间空调器中替代R22进行仿真研究。本文利用计算机仿真方法分别建立了毛细管、压缩机、冷凝器、蒸发器的模型，并根据各大部件的进出口状态及系统制冷剂充注量守恒关系将各部件模型耦合形成房间空调器制冷系统模型［12］，以此来分析制冷剂R290、R32替代R22时制冷循环中热力性能的变化。从而，了解R290、R32替代R22后房间空调器制冷系统各部件的工作情况及系统制冷与能耗的变化，并对实验和工业生产做出相应的技术指导。

1 制冷系统数学模型的建立

本次仿真是以房间空调器作为对象，而房间空调器的结构相对简单，相较于商业中央空调和冷库等大型制冷空调系统，没有气液分离器等部件，故而本次仿真研究以建立毛细管、压缩机、冷凝器、蒸发器这四个部件的数学模型为主，然后根据部件模型和部件的相互联系建立系统模型［12］。

1.1 毛细管模型

本次仿真以绝热毛细管为基础进行建模，并认为制冷剂在毛细管中作一维均相流动。

在建模的过程中［12］，首先考虑其的连续性（即毛细管内制冷剂质量流量一定），能量的整体守恒和动量的整体守恒［16］。其中，能量和动量方程如下：

式中，h代表制冷剂焓值 （kJ／kg）；υ代表制冷剂流体的比体积 （m3／kg）；p代表制冷剂流体压力 （kPa）；L代表毛细管的长度 （m）；f代表沿程摩阻系数。下标1表示该微元段进口参数；下标2表示该微元段出口参数。

接着，进行毛细管长度的计算，一般毛细管可分为过冷区和两相区［16］。利用上述守恒关系，计算出过冷区长度，再经过划分微元，并计算各控制容积后求和，计算出两相区长度。

最后，计算壅塞流和摩阻系数。其中，对于摩阻系数和粘度，宜采用 Churchhill方程［12］，并选择最优仿真效果的模型方程来计算。

1.2 压缩机模型

在建模的过程中，我们将压缩机的压缩过程看成一个等熵过程［12］，且认为各种热力学参数分布均匀，但考虑到实际过程中干扰因素的影响，我们在仿真中用修正系数加以修正。

首先，我们需要计算制冷剂流量mcom。

式中，λ表示输气系数；Vth表示理论输气量；vsuc表示压缩机进口气体比容 （m3／kg）。其中，输气系数λ由容积系数λV、压力系数λP、温度系数λT、泄漏系数 λD组成［17］。

接着，进行压缩机功率的计算。根据输气量和冷凝、蒸发压力，我们可以计算出理论功率，再根据指示效率、电机效率、摩擦功率即可计算出最终的输入功率。

最后，进行温度的计算，分别对气缸和其它部件进行换热分析［12］，即可了解整个压缩机的传热情况和温度分布。

1.3 冷凝器模型

本文拟采用稳态分布参数法进行建模［12］，同时本文所考虑的是逆流型的冷凝器且忽略管壁热阻、制冷剂压降等因素的影响，并认为制冷剂作一维均相流动，空气作一维流动［16］。

首先，将模型划分为若干微元。冷凝器往往会分为过热区、两相区、过冷区，我们以焓值均分为标准对这3个相区划分微元。

接着，建立制冷剂侧和空气侧的换热关系。

式中，Q表示换热量 （kJ／s）；m表示质量流量 （kg／s）；h表示焓值 （kJ／kg）；ξ表示漏热系数；下标a表示空气侧；下标r表示制冷剂侧。

最后，通过求解各相区换热系数，求出每个微元的长度，计算各相区长度及冷凝器的总管长。

1.4 蒸发器模型

本文对逆流型蒸发器进行建模，还是认为制冷剂和空气均作一维、稳态流动，并假设蒸发器管壁温度径向保持一致，各微元中物性一致［12］。

首先，由于蒸发器往往被分为过热区和两相区，本文中还是对各相区采取焓值划分微元。

接着，计算各相区换热系数后，建立制冷剂侧换热方程、制冷剂侧压降方程、空气侧换热方程，制冷剂侧和空气侧换热关系。其中，制冷剂侧和空气侧换热方程和关系如下［12］：

式中，α表示换热系数 （W／（m2K））；A表示换热表面积 （m2）；T表示温度 （K）；下标 m表示平均值；下标i表示蒸发器内部；下标o表示蒸发器外部；下标w表示管壁。

最后，通过计算管内、外表面积，计算出微元长度。

1.5 制冷系统模型

以上对各部件进行了仿真建模，本文通过建立各部件 （毛细管、压缩机、冷凝器、蒸发器）模型的相互关系及了解制冷剂各进出口状态，采用稳态仿真的方法，可对各部件模型进行耦合［16］，并通过各种平衡关系 （如能量平衡、质量平衡、压力平衡）来建立基本方程，编写仿真程序，形成制冷系统模型［12］，并计算制冷系统各处的状态参数，来了解不同制冷剂在房间空调器制冷循环中的稳态运行状态并计算系统各状态点的性能参数，从而了解制冷空调系统稳定运行的状态。

2 仿真方案

图1 制冷系统模型的算法流程图

为探究制冷系统在分别以R22、R290、R32为制冷剂时不同的制冷性能，我们以室外干球温度35℃，室外湿球温度24℃，室外空气体积流量1.5m3／s，室内干球温度 27℃，室内湿球温度19℃，室内空气体积流量2m3／s为制冷仿真工况，选用直径1.3mm、长度0.8m的毛细管模型；蒸发器模型以翅片蒸发器为基础，采用7mm×0.1mm的内螺纹铜管，每排14根，共2排；冷凝器模型同样以翅片冷凝器为基础，采用7mm×0.1mm的内螺纹铜管，每排28根，共2排；压缩机模型则以庆安压缩机YZH－F200RET2为参考。并且在该系统模型的基础上，本文为获取各制冷剂的最佳充注量，做了有关充注量优化的仿真研究，R22、R290、R32在制冷剂充注量分别为 0.427kg、0.214kg、0.256kg时，制冷系统性能最佳，本文采用该充注量水平。故而，对在不同制冷剂的家用制冷系统进行仿真，并计算其热力循环性能参数。具体仿真流程如图 1所示［12、16］。

3 仿真结果分析

本次仿真主要考虑家用房间空调器分别以R22、R290、R32作为制冷剂时制冷系统的性能参数。图2～图6表示R22、R290、R32为制冷剂时系统冷凝压力、蒸发压力、吸气压力、排气温度、压缩机功耗、制冷量、COP的仿真结果。

图2 R22、R290和R32的冷凝压力、蒸发压力、吸气压力对比

图3 R22、R290和R32的排气温度对比

由图2可知，在本文仿真工况下，R290的冷凝压力、蒸发压力、吸气压力均与R22相差不大。其中，R290的冷凝压力比R22低14.68%，蒸发压力仅比R22低5.04%，吸气压力仅仅比R22高1.28%。故而，利用R290替换R22时，可选用相同或相似的压缩机，在这一点上，R290比较有优势。对于R32而言，明显其冷凝压力、蒸发压力、吸气压力均比R22高。其中，R32的冷凝压力比R22高69.67%，蒸发压力比R22高62.56%，吸气压力比R22高68.95%。故而，以R32为制冷剂的制冷系统对于压缩机的要求比R22的要高［17］，利用R32替换R22时，需要注意系统压力较高导致压缩机负荷增大的情况。

由图3可知，在本文仿真工况下，R290的排气温度比R22低14.09℃，明显，利用R290替代R22，都能使压缩机排气温度降低，压缩机运行状况改善，一定程度上可以延长压缩机的使用寿命［18］。R32的排气温度比 R22高15.62℃，故而利用R32替代R22时，要注意排气温度对压缩机运行状况的影响。

由图4可知，在该工况下，R22的压缩机功耗明显高于R290，当利用R290替代R22时，压缩机功耗减小9.60%，就制冷系统能耗［19］而言，R290有一定的优势。而在该工况下，用R32替代R22时，压缩机功耗增大64.23%，由于其制冷系统能耗明显增大，需要考虑此对压缩机运行和系统节能的影响。

由图5可知，在该工况下，R22的制冷量大于R290，以R290作为替代制冷剂时，制冷量衰减9.82%。而当R32作替代制冷剂时，制冷量增大26.81%，即在本文仿真工况下，R32的制冷量明显大于R22。就制冷量而言，R32具有一定的优势。

图4 R22、R290和R32的压缩机功耗对比

图5 R22、R290和R32的制冷量对比

由图6可知，在本次仿真工况下，R290与R22的制冷系数COP相似，利用R290替代R22时，制冷系数COP仅降低0.24%。而当R32为替代制冷剂时，制冷系数降低22.78%。从系统节能的角度上来看，R290的优势较大［20－21］。

4 结论

利用制冷剂R290和R32作为R22的替代物，目前受到许多研究者的青睐。本文采用仿真的方法先建立了制冷毛细管、压缩机、冷凝器、蒸发器的数学模型，并利用各部件的耦合性建立了制冷系统模型，然后以此模型为基础进行了制冷剂R290、R32替代R22的研究，结论如下：

1）在压缩机运行方面：在相同的仿真工况下，利用R290替代R22时，系统冷凝、蒸发、吸气压力均相似，且排气温度降低，压缩机运行环境改善。而以R32替代R22时，冷凝、蒸发、吸气压力均高于R22，排气温度也高于R22，其对压缩机的要求较高，要注意压缩机的运行状况。

2）在系统制冷与节能方面：在相同的仿真工况下，以R290替代R22，系统能耗降低，而制冷量也降低，COP基本不变。而以R32替代R22时，系统能耗明显增大，COP也明显降低，制冷量明显增大。

以上可以看出，R290替代R22就循环性能而言，在系统节能运行情况基本不变的情况下，其对压缩机工作环境有了一定的改善。故而，工业生产中，在以R290作为制冷剂的房间空调器中，可选用与R22为制冷剂时相同或相似的压缩机，且压缩机的运行情况也会得以改善。而R32替代R22就循环性能而言，其不具备优势。因此，工业生产中，以R32为制冷剂的房间空调器可能需要考虑选用更高标准的压缩机与电动机，同时需要考虑压缩机的耐热能力，必要时采取一定的降温措施。

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