R32与R454B制冷剂对冷凝和蒸发两用换热器性能的影响

R32与R454B制冷剂对冷凝和蒸发两用
换热器性能的影响
摘要：R410A被普遍作为过渡使用的替代制冷剂虽然推动了HCFCs替代进度，但仍然有较高的GWP值。

R32是R410A的主要组元之一，其GWP值为仅为R410A
的1/3，新型制冷剂R454B的GWP约为R410A的1/4。

R32制冷剂和R454B制冷剂
都具有较低的GWP值，两者都是R410A的理想替代制冷剂。

为研究R32制冷剂和
R454B制冷剂对蒸发器和冷凝器性能的影响，用EVAP-COND 5.0在空气的进口状
态和流量、换热器的几何结构尺寸、管路排布方式相同的条件下,对比了制冷剂
分别采用R32和R454B时换热器性能的差异。

作为蒸发器和冷凝器时，两种制冷
剂的换热量差异不大，R32制冷剂略优。

R32制冷剂的质量流量低于R454B制冷剂，主要是由于两者单位容积制冷量的差异所致。

两种制冷剂作为冷凝器时压降
均小于作为蒸发器时的压降，对换热器压降进行逐管分析，R32制冷剂的压降小
于R454B制冷剂。

关键词：EVAP-COND；R32；R454B；蒸发器；冷凝器
Effects of R32 and R454B on Performance of Condensing and Evaporating Heat Exchanger
Lizhiqiang
Gree Electric Appliances, Inc.of Zhuhai Zhuhai Guangdong
519000
ABSTRACT:R410A is widely used as an alternative refrigerant for transition, although it promotes the progress of HCFCs substitution,
but it still has a high GWP value. R32 is one of the main components
of R410A, its GWP value is only 1/3 of R410A, and the GWP of R454B is about 1/4 of R410A. Both R32 and R454b refrigerants have lower GWP
values, both of which are ideal alternative refrigerants for R410A. In order to study the effect of R32 and R454B refrigerants on the performance of evaporator and condenser, the performance differences
of heat exchanger when R32 and R454B were used were compared under the same inlet state and flow rate of air, geometric structure size of
heat exchanger and pipeline arrangement. As evaporator and condenser, there is little difference in heat transfer between the two refrigerants, but R32 refrigerants are slightly better. The mass flow rate of R32 refrigerants is lower than that of R454B refrigerants, which is mainly due to the difference of refrigerating capacity per
unit volume between the two refrigerants. The pressure drop of the two refrigerants as condenser is smaller than that of the evaporator. The pressure drop of the heat exchanger is analyzed one by one, and the pressure drop of R32 is smaller than that of R454B.
KEY WORDS: EVAP-COND; R32; R454B; Evaporator; Condenser
引言
2016年10月，国际社会在《蒙特利尔议定书》框架下达成了关于HFCs削减
的《基加利修正案》，该修正案于2021年9月15日在我国正式生效，规定了我
国到2045年HFCs的生产和消费量需要削减80%。

新的修正案所涉及的高GWP值HFCs的削减控制问题，是中国制冷空调行业在当前以及未来相当长的一段时期内
所需面对的重大课题，也必将给全球制冷空调行业的未来发展带来全面而深刻的
影响[1-2]。

R410A被普遍作为过渡使用的替代制冷剂虽然推动了HCFCs替代进度，但仍然有较高的GWP值。

R32是R410A的主要组元之一，其GWP值为仅为R410A
的1/3，新型制冷剂R454B的GWP约为R410A的1/4[3]。

R32制冷剂和R454B制
冷剂都具有较低的GWP值，两者都是R410A的理想替代制冷剂。

本文对冷凝和蒸
发两用换热器采用R32和R454B制冷剂的性能进行仿真分析，以期对后续低温室
效应制冷剂切换工作提供理论参考。

1模拟程序及约束条件
1.1模拟程序简介
本文采用美国NIST的Domanski设计的软件EVAP-COND 5.0[4]版本进行计算分析。

该软件可以研究蒸发器和冷凝器在不同制冷剂下的换热性能和制冷剂在换热器流程中的状态变化，对不同的换热器制冷剂流程布置、风场分布、结构尺寸等均可以进行仿真计算。

该软件能计算较为复杂的换热器制冷剂流程，可以灵活设计换热器的管路连接，可以对不同的换热器进行对比。

它历经了NIST几十年的开发和完善，在翅片管换热器的数值模拟方面具有很强的代表性，在国际上也具有广泛的影响。

1.2模拟的约束条件
为消除影响，本文在换热器的几何结构尺寸、管路排布方式、风量等相同的条件下，研究R32和R454B制冷剂在不同换热条件下性能的区别。

换热器流路如图1所示，换热器的几何结构尺寸见表1。

图 1换热器流图布置图
表 1换热器几何结构尺寸
换热器在制冷运行时，作为蒸发器，数值模拟的约束条件见表2。

换热器制热运行时，作为冷凝器，数值模拟的约束条件见表3。

蒸发器的出口压力和温度是制冷系统的关键参数，它不仅会影响压缩机的流量，还在一定程度上反映了蒸发温度以及蒸发器过热区的大小。

因此，把制冷剂的出口状态作为蒸发器数值计算的收敛条件[5]。

进口空气的干、湿球温度采用国标中名义制冷工况的数据。

空气和制冷剂的流动方向如图1箭头所示，换热器为顺交叉流布置。

冷凝器的进口压力和温度也是制冷系统的关键参数，它会影响压缩机的功率，而且也反映了冷凝温度。

同时，冷凝器的出口过冷度也是一个重要参数，会影响
系统的制冷量，同时足够的过冷度更是制冷系统避免震荡等不稳定现象的必要条件。

因此，在对冷凝器模拟时，把制冷剂进口状态和出口过冷度作为收敛条件[5]。

进口空气的干、湿球温度也采用国标中名义制热工况的数据。

在对冷凝器模拟时，空气的流动方向如图1箭头所示，但制冷剂的流动方向刚好相反，换热器为逆交
叉流布置。

表 2蒸发器模拟的运行条件
表 3冷凝器模拟的运行条件
2换热器模拟结果及分析
2.1换热器整体性能分析
图2表明了蒸发器、冷凝器分别采用R32制冷剂和R454B制冷剂时的换热量和质量流量的差异。

如图2所示，作为蒸发器时，采用R32制冷剂的制冷量比采用R454B制冷剂的制冷量高1.5%，采用R32制冷剂的质量流量比采用R454B制冷剂的质量流量低16.3%；作为冷凝器时，采用R32制冷剂的制热量比采用R454B 制冷剂的制热量高1.7%，采用R32制冷剂的质量流量比采用R454B制冷剂的质量流量低13.4%。

在给定的约束条件下，采用R32制冷剂和R454B制冷剂的换热量差异不大，无论是制冷还是制热，采用R32制冷剂的换热量略优。

两者质量流量的差异主要是制冷剂的物性差异所致，R32制冷剂的单位容积制冷量比R454B制冷剂的单位容积制冷量更大，因此在换热量差异不大的情况下其质量流量更小。

图 2换热量和质量流量差异对比
2.2换热器逐管性能分析
换热器在制冷循环作为蒸发器时，模拟计算的约束条件如表2所示，制冷剂和空气的流动方向如图1所示。

由于管外空气的进口状态、流量、风速分布都相同，相应制冷剂在支路间的分配也几乎无差别，因此可选取其中某一个支路进行详细分析。

为方便分析，沿制冷剂流向对支路内的管路进行编号。

室内换热器在制热循环时为冷凝器，其数值模拟的收敛条件如表3所示。

空气的流动方向如图1所示，但由于四通换向阀的切换，制冷剂流动方向刚好相反，使制冷剂的进、出口也发生了变化，即图1中的进口在制热循环时变为出口，出口在制热循环时
变为进口。

为与蒸发器的进出口分析对应，管路按照制热循环时制冷剂的流向编号，即制热循环时的管编号与制冷循环时的管编号相反。

当蒸发器的出口状态相同时，压降会抬高制冷剂进口的饱和压力和饱和温度，增大了进、出口制冷剂的饱和温度之差，换热器表面的温度分布出现不均匀，减
小了进口附近管路的传热温差。

如图4所示，R32制冷剂的蒸发器压降小于
R454B制冷剂。

由于压降更小，因此R32制冷剂的单管换热量高于R454B（见图4）。

如图3所示，冷凝器的压降小于蒸发器的压降。

在进口处蒸发器和冷凝器压
降差异不大，沿冷媒流动方向，蒸发器压降逐渐增大，冷凝器压降逐渐减小，因
此在出口处两者差异较大。

如图3所示，作为冷凝器时，两种制冷剂的压降差异
较小，都是在过热区压降小于在两相区的压降，进入两相区后，两种制冷剂的压
降都逐渐减小，两者的差距也逐渐减小。

如图4所示，作为冷凝器时在过热区由于换热温差较大，换热量大于在两相
区的换热量。

两种制冷剂的换热量差异主要在迎风侧，在背风侧时R32制冷剂的
换热量与R454B制冷剂基本相同，在迎风侧时R32制冷剂的换热量高于R454B，
综合换热量R32制冷剂略高于R454B制冷剂。

图 3换热器逐管压降
图 4换热器逐管换热量
3结论
在换热器的几何结构尺寸、管路排布方式、风量等相同时，把制冷剂的出口状态作为蒸发器数值计算的收敛条件，把制冷剂进口状态和出口过冷度作为冷凝器数值计算的收敛条件，进行数值计算后得出如下结论：
（1）作为蒸发器时，R32制冷剂的换热量与R454B制冷剂差异不大，R32制冷剂比R454B制冷剂高1.5%。

（2）作为冷凝器时，R32制冷剂的换热量与R454B制冷剂差异不大，R32制冷剂比R454B制冷剂高1.7%。

（3）作为蒸发器时，采用R32制冷剂的质量流量比采用R454B制冷剂的质量流量低16.3%；作为冷凝器时，采用R32制冷剂的质量流量比采用R454B制冷剂的质量流量低13.4%，两种制冷剂的质量流量差异主要是由于单位容积制冷量的差异所致。

（4）冷凝器的压降小于蒸发器的压降，在进口处蒸发器和冷凝器压降差异不大，沿冷媒流动方向，蒸发器压降逐渐增大，冷凝器压降逐渐减小。

（5）作为蒸发器时，R32制冷剂的压降小于R454B制冷剂。

（6）作为冷凝器时，两种制冷剂的压降差异较小，都是在过热区压降小于在两相区的压降，进入两相区后，两种制冷剂的压降都逐渐减小，两者的差距也逐渐减小。

参考文献：
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