半封闭活塞式制冷压缩机低温工况应用R404A的实验研究

文章编号:0253-4339(2007)04-0026-07
半封闭活塞式制冷压缩机低温工况应用R404A的实验研究
秦海杰 于世涛 刘景林
(大连三洋压缩机有限公司 大连 116033)
摘 要 通过对大连三洋压缩机有限公司生产的半封闭活塞式制冷压缩机C-L150M82,分别应用R404A与R22在低温工况下的对比实验研究,来分析使用环保型制冷剂R404A替换R22的可行性。

实验研究表明:第一,半封闭活塞式制冷压缩机在保持配置不变的条件下,在低温工况下,保持冷凝温度不变,使用R404A比使用R22制冷量有明显提升,随着蒸发温度的降低制冷量可提升10%~30%;第二,在冷凝温度不变条件下,使用R404A可以达到-45 蒸发温度;第三,使用R404A后压缩机排气温度比R22有明显降低;第四,过冷过热循环对R404A系统都有明显的性能改善。

关键词 动力机械工程;R404A;实验研究;半封闭活塞式制冷压缩机
中图分类号:T B652;TQ051.5 文献标识码:A
Stu dy on Low Temperatu re Applications of R404A for Semi-hermetic
Reciproca ting Refrigeration Compressor
Qin Haijie,Yu Shitao and Liu Jinglin
D alian S anyo Compressor Co.,Ltd.,D alian,Liaoning,116033,China
Abstract Experiments on a reciprocating com pressor C-L150M82using R404A and R22w ere conducted under low temperature working conditions.The feasibility of replacing R22w ith R404A w as analyzed based on the experimental da ta.The results show that w ith the same configuration and under the low temperature working condition,the refrigerat ing capacity of the compressor with R404A is greatly higher th an that w ith R22,if the condens i ng temperature does not change.W ith the falling of ev aporating temperature,the capacity can rise by10%-30%.M oreover,at the s ame con densing temperature,the evaporating temperature for the compressor using R404A c an reach-45 .Furthermore,the discharge temperature of the compressor using R404A is low er than that using R22significantly.In addition,the applica tion of both superheat and subcool recycles c an i m prove the perform ance of R404A refrigeration s ystem.
Keywords Power machinery and engineering;R404A;Experimental S tudy;Semi-hermetic reciprocating refrigeration compressor
R22等HCFCs类物质的替代虽然不如CFCs替代那样紧迫,但由于其中仍然含有氯原子,ODP值不为零,若长期使用,臭氧消耗潜值仍太高,而且其温室效应的作用也不可忽视,所以HCFCs类物质不是长期理想的制冷剂,它们正受到全球范围内的控制并最终将被淘汰。

在1992年1月1日生效的!蒙特利尔议定书∀修订稿中将R22等34种物质列为过渡性物质。

1992年11月在丹麦首都哥本哈根召开的!蒙特利尔议定书∀第四次缔约国会议上将HC FCs 类物质列入受控物质,并将其禁用期提前。

目前,替代HCFC s类物质的步伐正在加快,发达国家从原来的2030年提前到2020年基本禁用。

我国目前由于投资成本和施工质量的限制,环保制冷剂的产品还没有得到广泛推广,但对环保产品的需求已经呼声四起。

早在1999年,上海浦东机场配餐中心的冷藏工程就是使用了日本三洋进口的R404A压缩机组,2002年广州新白云机场的配餐中心冷藏工程也使用了日本三洋的R404A制冷机组;同时,近年在国内异军突起外资大超市集团如:沃尔玛、家乐福、乐购、易初莲花等也纷纷要求采用环保机组;还有一些沿海城市,在新建设项目中也明确要求采用环保型制冷剂。

因此,环保制冷剂机型的开发和推广已是当务之急。

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收稿日期:2007年5月15日
1 R404A物性参数
1.1环境参数
R22、R404A的ODP与GW P值的比较如表1所示。

1.2 热物性参数
1.2.1 R22、R404A基本物性比较
表1 R22和R404A的环境系数[1,2]
Tab.1 Environm ental coefficient of R22and R404A 参数R22R404A
ODP0.0340
GWP17003800
表2 R22和R404A的物性参数[3,4]
Tab.2 Physical parameter of R22and R404A
比较项目单位R22R404A
成分#R125、R143a、R134a的近共沸混合物组成比例#44∃52∃4
分子量g%mol-186.4797.60沸点(1.013bar) -40.81-46.56温度滑移(1.013bar)K#0.78
饱和液体密度
25 kg%m-31142986
-35 kg%m-313951248蒸汽压力 bar
25 10.4412.5
50 19.42322.95
临界温度 96.1572.14
临界压力bar49.9037.35
临界密度kg%m-3 5.25&10-4 5.02&10-4沸点下汽化潜热kJ%kg-1233.2200.3
-35 汽化潜热kJ%kg-1230.2198.9
导热性(25 ) (1.013bar)液体
蒸汽
W%(m% )-1
0.08770.0697
0.00110.0138
表面张力(25 )kN%m-185制冷剂中水溶解性0.0010.055
黏度(25 ) (1.013bar)液体kg%(m%s)-12&10-3 1.34&10-3蒸汽kg%(m%s)-1 1.291 1.262
比热容(25 ) (1.013bar)液体kJ%(kg% )-1 1.258 1.64蒸汽kJ%(kg% )-10.6590.88
1.2.2 热物理性质分析
从表2中可以得出:
1)R404A的标准沸点比R22低,可以实现更低的蒸发温度;
2)R404A的饱和液体密度比R22小,因此要贮存等量的制冷剂,容器的体积应该更大(25 时大14%),设备中使用R404A时,充装量约小10%;
3)在很大的温度范围内,R404A中水的溶解性数值远远大于R22中的水溶解数值,因此R404A对水分的要求更苛刻;
4)R404A液体比热比R22高,这通常表示在膨胀过程中,损失了更大一部分蒸发焓以冷却通过膨
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胀阀的液体,所以设备中使用R404A 时若对冷凝器中排出的制冷液体过冷,将达到更好的效果;
5)R404A 液体的导热性比R22低20%,通常表现为在热交换器中热传导效率有所下降;
6)在很大的温度范围内,R404A 液体粘度比R22小30%左右,因此流动阻力小,从而使蒸发器和冷凝器的出入口温差较R22小;
7)在很大的温度范围内,R404A 的表面张力比R22低,更有利于蒸发。

2
实验装置和实验方法
为了进行实际数据测试分析,要对样机更换不
同的制冷剂和冷冻油,在同一实验装置上进行了测
试。

实验装置采用大连三洋压缩机有限公司的制冷压缩机性能试验台。

2.1 实验原理和实验装置2.1.1 实验原理
制冷剂由被试机压缩排出进入油分离器,再进入量热器与水进行热交换(此时进行辅测)。

之后一部分气体进入冷凝器与水进行热交换,冷凝后进入贮液器。

量热器出来的一部分制冷剂气体与贮液器出来的一部分制冷剂液体混合后进入被试机吸气,完成一个制冷循环。

通过测量量热器出来的制冷剂气体流量和贮液器出来的制冷剂液体流量计可测量出整个循环的制冷剂流量,从而完成主测试验(见图1)。

图1 实验装置原理图
F ig .1 Pri nciple of experi m ental equipm ent
2.1.2 试验装置
实验装置由油分离器、量热器、冷凝器、贮液器、水系统等设备组成。

被试压缩机的冷却方式采用喷液冷却和风机冷却两种。

实验装置提供喷液和风机的供电电源。

1)冷凝器
冷凝器采用壳管式水冷冷凝器,管外流动介质为制冷剂,管内为冷却水。

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2)量热器
量热器由桶体、制冷剂回路和冷却水回路组成,这部分主要进行辅测。

2.2 样机
样机选用大连三洋压缩机有限公司制造的半封闭活塞式制冷压缩机,型号为C-L150M82。

3 实验结果分析
3.1 实验数据分析
3.1.1 蒸发温度对制冷压缩机性能的影响
1)蒸发温度对制冷量的影响
从实验数据可以看出,在保持冷凝温度40.5 的条件下,当蒸发温度由(-20~-40) 变化时,使用R404A压缩机的制冷量高于使用R22的制冷量。

制冷量提高比例在7%~27%。

蒸发温度愈低,制冷量提高比例愈大。

变化曲线如图2。

R404A制冷
量高于R22的主要原因可能有以下几个方面[5-8]
:
图2 R22和R404A不同蒸发温度下的Q0变化曲线
Fig.2 Diagram of R22and R404A in
different evaporating tem perature
(1)R404A机组的吸气效率比R22高。

试验中R404A机组采用的润滑油粘度比R22高,压缩机密封性因此而增强。

(2)R404A压比小,泄漏小,容积效率高。

(3)R404A制冷剂质量流量比R22大,见图2。

(4)R404A机组蒸发器的传热性能优于R22。

主要源于两方面因素:一方面R404A质量流量较大,约比R22增大50%,进而使蒸发器传热能力有所增强;另一方面R404A液体表面张力较小。

R404A饱和液体的表面张力约是R22的2 3,故相比较而言,R404A更容易产生气泡,汽化率更高,相应的传热系数也更大。

2)
蒸发温度对输入功率的影响
图3 输入功率随蒸发温度的变化曲线
F ig.3 D iagram of input power in different
evaporating tem perature
从图3可以看出,输入功率随蒸发温度降低而减小,R404A和R22变化趋势一致,R404A的输入功率要大于同样工况下R22的输入功率。

分析原因是由于R404A较大的质量流量使压缩机耗功增加。

3)蒸发温度对制冷系数COP的影响
虽然在整个低温试验工况下,使用R404A制冷剂时压缩机的制冷量比使用R22制冷剂有所提高,见图2。

但由于压缩机耗功增加,见图3,所以在整个实验范围内,压缩机的制冷系数并没有提高。

当蒸发温度下降到-30 以下时,R404A的制冷系数才高出R22。

而在-30 以上蒸发时,R22的制冷系数要比使用R404A高,见图4。

图4 COP随蒸发温度的变化曲线
F ig.4 D iagram of COP in different evaporating
temperature
3.1.2 冷凝温度对制冷压缩机性能的影响
1)冷凝温度对制冷量的影响
实验表明,在蒸发温度-40 不变条件下,随着冷凝温度的提高,无论使用R404A还是R22,压缩机的制冷量都是降低的,使用R404A时制冷量降低的比率比R22大。

变化趋势如图5。

可见,冷凝温度对R404A的影响要比对R22的影响更大。

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图5R22和R404A 不同冷凝温度下Q 0的变化曲线Fig .5 Diagram of capacity in different condensing
tem perature
2)冷凝温度对排气温度的影响
实验表明,随着冷凝温度的升高,排气温度也升高。

使用R22的排气温度高于使用R404A 的排气温度。

并且随着冷凝温度的升高,这种变化趋势更加明显,如图6。

图6 R22和R404A 不同冷凝温度下的
排气温度变化曲线
F ig .6 D iagram of di s charge temperature in
different condensing tem
perature
图7 随过冷度COP 变化曲线
F ig .7 D iagram of COP in different subcooli ng
3.1.3 过冷度对制冷性能的影响
由实验可以看出,随着过冷度的增大,使用R404A 和R22制冷剂情况下,压缩机制冷量和制冷系数都有所提高,R404A 制冷剂提高幅度大于R22,过冷度大于10 时更加明显。

变化趋势见图7。

3.1.4 质量流量
由图8可以看出,在测量范围内,相同工况下R404A 制冷剂的质量流量比R22的质量流量大,增加幅度为50%左右,主要是相同排气量条件下,R404A
气体的密度比R22要大50%
左右。

图8 T k =40.5 时压缩机质量流量曲线F ig .8 D iagram of mass flow in T k =40.5
3.1.5 工况延展
在实验中,尝试把蒸发温度进一步调低,调至-45 进行实验观察,但对于R22制冷剂,可能由于压比太大,导致排气温度过高报警,实验装置一直不
能稳定,无法得出正确的实验数据。

对于R404A 制冷剂,则进行了蒸发温度-45 ,冷凝温度40.5 条件下的测试。

虽然测试结果制冷系数只有0.9,但是对于单级活塞式压缩机来说,实现-45 的蒸发温度已经是非常难得的了。

此实验的成功,给产品在低温工况下的使用范围拓展提供了保证。

同时由于R404A 在低温工况下较大的制冷量,对于在速冻领域的应用推广是非常有前途的。

3.1.6 运行电流
从图9可以看出,在实验范围内,同样工况下使用R404A 制冷剂压缩机运行电流比使用R22制冷剂运行电流大,增大幅度在6%~26%。

随着蒸发温度的降低,使用R22时运行电流快速降低,但使用R404A 时,运行电流的减小并不十分明显。

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图9 运行电流变化比较
Fig.9 Diagram of operati ng current
3.1.7 过热分析
制冷循环图如图10,A为蒸发器出口点,B点为压缩机吸气点,A点与B点的温度差为过热度。

选取不同过热度来进行理论分析。

各点数据见表3。

选取冷凝温度为40.5 ,过冷度为0 ,G点为节流后进入蒸发器的点。

制冷量为B点与G点的焓差,即h B-G。

图10 过热循环压焓图
F ig.10 P-h diagram of superheat recycles
表3 循环状态点(B点和G点))焓值数据表 (kJ%kg-1)
Tab.3 Date of point B and G
制冷剂种类R404A R22
蒸发温度 -40-30-20-40-30-20
B点温度 -40343.39388.62
-30351.08349.78394.66393.15
-20358.89357.77356.09400.78399.43397.48 -10366.96365.88364.29406.99405.77404.03 0375.16374.15372.65413.29412.19410.62 10383.64382.63381.26419.68418.69417.27 20392.25391.33390.03426.18425.27423.98
G点焓值264.12250.34
选取B点吸气温度为20 ,从表4各点焓值来分析。

如表4。

表4 过热循环热量分析
Tab.4 Analyse of superheat recycles
制冷剂种类R404A R22
蒸发温度 -40-30-20-40-30-20显热 (kJ kg)(h B-A)48.8641.5533.9437.5632.1226.5潜热 (kJ kg)(h A-G)79.2785.6691.97138.28142.81147.14单位质量制冷量 (kJ kg)(h
B-G
)128.13127.21125.91175.84174.93173.64潜热段所占比例62%67%73%79%82%85% R404A与R22对比79%82%86%100%100%100%
从冷量构成上来说,R404A制冷量中过热造成的显热所占比重比R22大,低温工况更加明显。

一般应用当中,蒸发器出口到压缩机吸气这部分过热的发生大部分是在用冷场所之外的管道中,所以,就实际使用意义上讲,过热部分的制冷量是无用的。

因此,在机器选配中要充分考虑到这部分制冷量的
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实际情况,对于R404A机组的选定余量要适当放大,以避免冷量不足。

4 结论
通过实验研究的方法,对大连三洋压缩机有限公司生产的活塞式半封闭压缩机C-L150M82分别使用R22和R404A制冷剂的性能进行了实验测试,发现了压缩机在制冷剂替换情况下各参数的变化规律,具体有以下结论:
1)在低蒸发温度条件下(-20 ~-40 ),使用R404A制冷剂可以获得比使用R22更大的制冷量,制冷量可平均提高15%左右,最大可提高近40%;
2)在蒸发温度降低到-30 以下时,使用R404A 制冷剂的制冷系数大于使用R22的制冷系数;
3)使用R404A制冷剂可以在-45 蒸发,实现比R22更低的蒸发温度;
4)冷凝温度对R404A系统的影响比R22系统要大,在蒸发温度一定时,随着冷凝温度的升高, R404A系统的制冷量衰减很快,而R22相对变化要平缓很多;
5)使用R404A时压缩机的排气温度远低于使用R22的排气温度,压缩机冷却方式简化,只需要喷液冷却而不必要追加风扇冷却;
6)过冷度对R404A的制冷量提升效果非常明显,使用过冷循环对系统非常有利;
7)实验证明,R404A替换R22作为低温制冷剂可行。

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