不同制冷剂的循环特性及其分配特性研究

doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2022.04.204
不同制冷剂的循环特性及其分配特性研究
胡远洋，江斌*
（合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽合肥 230009）
[摘 要] 为了研究R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32这5种制冷剂的循环特性和在文丘里分流器中的分配特性，本文分析了5种制冷剂在变工况下的循环性能系数和压缩机排气温度，并通过CFD 仿真研究了各制冷剂在文丘里分流器中的分配特性，包括各出口管与中心线夹角对分流效果的影响，各制冷剂的分配特性随入口参数的变化规律。

结果表明，文丘里分流器的各出口管与中心线的夹角宜为60°，相比于20°，不均匀度约降低23.31%，且各制冷剂的分流效果随入口干度的降低和入口质量流量的增加而提升，入口干度每降低0.05，不均匀度约下降14.17%，入口质量流量每增加0.5倍，不均匀度约下降54.12%；在对R22的替换上，应优先考虑R1234ze(E)和R290。

[关键词] 制冷剂；制冷循环；文丘里分流器；CFD ；分配特性 中图分类号：TB61+2; TK124
文献标识码：A
Study on Circulation Characteristics and Distribution Characteristics of
Different Refrigerants
HU Yuanyang, JIANG Bin *
(School of Automotive and Transportation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, China)
[Abstract] Aiming at the circulation characteristics and the distribution characteristics of five refrigerants (R22, R410A, R290, R1234ze(E), R32) in Venturi distributor, the cycle coefficient of performance and compressor exhaust temperature of five refrigerants under the different working condition were calculated, and the distribution characteristics of five refrigerants in Venturi distributor is studied by CFD. It includes the influence of the angle between the outlet pipe and the center line of Venturi distributor on the distribution of five refrigerants and the distribution characteristics of each refrigerant with the change of inlet parameters. The results show that for Venturi distributor, the angle between each outlet pipe and the center line should be 60°, compared with 20°, the unevenness was reduced by 23.31%, and the distribution efficiency of each refrigerant increases with the decrease of inlet quality and the increase of inlet mass flow rate, for every 0.05 decrease of inlet quality, the unevenness decreases by 14.17%, and for every 0.5 time increase of mass flow rate, the unevenness decreases by 54.12%. On the replacement of R22, priority should be given to R1234ze(E) and R290.
[Keywords] Refrigerant; Refrigeration cycle; Venturi distributor; CFD; Distribution characteristics
*江斌（1972—），男，副教授，博士。

研究方向：制冷系统及其节能技术。

联系地址：安徽省合肥市屯溪路193号，邮编230009。

联系电话：139****7195。

E-mail:*****************.cn 。

0 引言
《蒙特利尔议定书》为保护臭氧层规定了对含氯原子制冷剂的淘汰计划[1]，R22是含氯制冷剂的一种，目前在我国使用较为广泛，作为发展中国家，我国按规定应在2040年前全面禁止R22的使用[2]，
虽然R22目前还有相当长的一段时间可继续使用，但对R22的替代是大势所趋。

无论是同工况下制冷量比R22大、排气温度比R22低的R410A [3]，还是全球变暖潜能值（Global Warming Potential ，GWP ）低且在高含气量下热力性能较优的R1234ze(E)[4]，
第42卷 第4期 2022年8月
制 冷 技 术
Chinese Journal of Refrigeration Technology Vol.42, No.4 Aug. 2022
或同工况下的性能系数（Coefficient of Performance，COP）比R410A高、制冷量比R22大的R32[5-6]，以及同工况下压缩机排气温度比R22低、臭氧消耗潜能值、GWP等方面优于R22，且在低温热泵中的应用前景比R22好的R290[7-8]，都是对臭氧层无破坏的环保制冷剂，研究它们的热力性能对R22的替代有重要的意义[9]。

在制冷剂的更新换代过程中，不但要考虑到各种制冷剂的循环特性，还应考虑各制冷剂对制冷系统主要部件及相关辅助器件的适应性。

分流器是制冷系统的重要辅助器件之一，性能好的分流器可以有效提高蒸发器和空调器的整体性能[10]，而分液性能的恶化会导致蒸发器乃至整个制冷系统的性能下降。

黄晓清等[11]指出，对分流器进行结构上的优化而提升其分流性能是提高空调蒸发器换热效率最有效的方法之一。

孙志利等[12]通过实验研究得出结论：对于多支路蒸发器，分液性能的恶化带来的负面影响会远远大于增加换热器流程带来的正面影响。

所以各制冷剂对分流器的适应性显得尤为重要，适应性好的制冷剂，在同工况下的不均匀度更低，蒸发器甚至整个制冷系统的效率更高。

近年来，关于分流器的研究层出不穷，高晶丹等[13]通过实验的方法，以空气和水代替气液两相制冷剂，研究了插孔式分流器的分配特性随相关非结构因素的关系。

于博等[14]通过模拟，对四出口分流器进行结构上的改进并提升了分流器的抗干扰能力。

而随着计算流体力学的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）大量应用于两相流的仿真[15]和分流器的优化设计，LI等[16]通过比较CFD仿真和已有实验，选择了代数应力模型，并以该模型对分流器进行了优化。

高扬等[17]通过CFD模拟，研究了不同气液密度比的制冷工质在不同分配器中的适应性。

翁晓敏等[18]通过CFD 模拟对反射式分流器进行了结构上的优化并通过实验验证了优化方案。

ZHANG等[19]通过整机实验验证了CFD模拟的正确性，并通过CFD模拟优化了双筒分流器。

目前对于分流器的研究可概括为新分流器的提出，或对已有分流器的结构优化和适应性研究，而对于工程实际中大量使用的文丘里分流器及其分配性能随入口参数的变化，却少有提及。

文丘里分流器[20]是目前工程中大量使用的分流器之一[21]，本文通过比较R22及各种环保制冷剂的热力循环特性，并对它们在文丘里分流器中的分流效果进行仿真，旨在得到各制冷剂分流效果与文丘里分流器结构和系统工况的关系，并根据循环特性和分配特性找出合适的替代R22的制冷剂。

1 几种制冷剂的热力循环分析
在R410A、R290、R1234ze(E)和R32对R22的替代分析上，不但要比较它们的分流效果的好坏，也要考虑各制冷剂在制冷循环上的优劣。

COP 是评价一个制冷循环优劣的重要指标，同时，较低的压缩机排气温度可使得压缩机运行工况更好，效率更高。

所以，对R22、R410A、R290、R1234ze(E)和R32这5种制冷剂在不同蒸发温度和冷凝温度下的循环特性进行计算，旨在得到5种制冷剂在压缩机排气温度和循环COP上的优劣特性。

制冷循环的压焓图如图1所示，除带一定过热度和过冷度外，其余过程与理论制冷循环相同。

lg
图1 循环lg p-h图
1.1 压缩机排气温度和循环COP随蒸发温度的变
化特性
在冷凝温度为45 ℃，蒸发温度在-10~10 ℃的范围内，计算了5种制冷剂的蒸发温度对压缩机排气温度和循环COP的影响，如图2和图3所示。

由图2可知，随着从-10 ℃升高到10 ℃，5种制冷剂的压缩机排气温度均降低，对于R22、R410A、R290、R1234ze(E)和R32而言，压缩机排气温度依次下降了14.40%、13.13%、5.43%、0.34%和20.41%，且在各个蒸发温度下，5种制冷剂的压缩机排气温度从低到高依次为R1234ze(E)、R290、R410A、R22和R32。

由图3可知，各制冷剂的循环COP均随着蒸
发温度的增大而增大，对于R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32而言，循环COP 依次升高了82.61%、84.00%、85.35%、87.93%和82.44%。

当蒸发温度较低时，R22的循环COP 最大，随着蒸发温度的升高，R1234ze(E)的循环COP 逐渐和R22相近并在蒸发温度高于8 ℃后高于R22。

除R1234ze(E)和R22外，其余各点制冷剂COP 从大到小依次是R290、R32和R410A 。

压缩机排气温度/℃
蒸发温度/℃
图2 排气温度随蒸发温度的变化
蒸发温度/℃
C O P
图3 COP 随蒸发温度的变化
1.2 压缩机排气温度和COP 随冷凝温度的变化
在蒸发温度为7 ℃，冷凝温度在35~55 ℃的范围内，计算分析了5种制冷剂的冷凝温度对压缩机排气温度和循环COP 的影响，如图4和图5所示。

由图4可知，随着冷凝温度从35 ℃升高到55 ℃，5种制冷剂的压缩机排气温度均升高，对于R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32而言，压缩机排气温度依次升高了52.44%、53.44%、50.03%、48.52%和55.46%，在各个冷凝温度下，压缩机排气温度从低到高依次为R1234ze(E)、R290、R410A 、R22和R32。

由图5可知，各制冷剂的循环COP 均随着冷凝温度的升高而减小，对于R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32而言，循环COP 依次下降了48.46%、51.68%、49.67%、49.51%和49.75%。

当冷凝温度较低时，R1234ze(E)的循环COP 最大，随着冷凝温度的升高，R22的循环COP 逐渐和R1234ze(E)相近并在冷凝温度高于47 ℃后高于R1234ze(E)。

除了R1234ze(E)和R22外，其余各点制冷剂COP 从大到小依次是R290、R32和R410A 。

压缩机排气温度/℃
冷凝温度/℃
图4 排气温度随冷凝温度的变化
C O P
冷凝温度/℃
图5 COP 随冷凝温度的变化
2 制冷剂的分配特性分析
文丘里分流器[20]的结构如图6所示。

节流后的气液两相制冷剂从入口端进入，随着截面积的减小，制冷剂降压增速，在喉部位置，流速达到最大，随后通过各出口管分配到蒸发器各支路。

结构参数中，入口直径D 1为10 mm ，喉部直径D 2为4 mm ，出口管直径d 为2 mm ，收缩段长度L 1为5 mm ，各出口管长度L 2为20 mm 。

为研究R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32这5种制冷剂在不同的各出口管与中心线夹角下的分流规律及相关入口参数对各制冷剂分流效果的影响，通过CFD 软件进行仿真。

L 2
图6 文丘里分流器的结构
2.1 相关假设
文中作如下假设：1）MATLAB建立的循环模
型除带有过热和过冷外，其余过程与理论循环过程
相同；2）节流后的两相制冷剂为均匀的气液混合
物；3）分液过程制冷剂与外界无热量交换。

2.2 分流效果评价
分流器各出口质量流量偏差越小，分流效果越
好，故采用各出口管制冷剂质量流量的标准差来衡
量不均匀度，考虑到会涉及不同的质量流量下的不
均匀度比较，所以在标准差公式的基础上进行改进
以消除质量流量在不均匀度评价上的影响，如式(1)
所示，显然，ε越小，分流效果越好：
ε=(1)
式中，ε为不均匀度；n为出口管数目，本文为4；
q mi为各出口管的制冷剂质量流量，kg/s；q m_ave为
各出口制冷剂质量流量平均值，kg/s。

2.3 仿真模型的建立及网格划分
通过DesignModeler建立分流器的三维模型并
在Mesh网格划分平台中进行了网格划分，为保证
计算速度和计算精度，采用混合网格，如图7所示。

图7 计算区域网格
在蒸发温度为7 ℃，冷凝温度为45 ℃，过热
度为5 ℃，过冷度为5 ℃，制冷量为3 kW的工况
下，对文丘里分流器在不同网格数下的不均匀度进
行计算以确定最佳网格数目。

无关性检验结果如图
8，最终确定网格总数为28万。

不
均
匀
度
e
网格数/万
图8 网格无关性检验
仿真采用的是欧拉两相流模型和标准k-ε模型，
壁面函数采用标准壁面函数，标准k-ε模型中，3
个经验常数的取值中，Cμ=0.09、C1ε=1.44，C2ε=1.92；
湍动能对应的普朗特数取1；湍能耗散率对应的普
朗特数取1.3；多相流耗散对应的普朗特数取0.75。

气相为第一相，液相为第二相，入口采用速度入口，
入口制冷剂流速和液相体积分数通过式(2)和式(3)
计算得到，湍流强度5%，湍流直径10 mm，各出
口均为压力出口：
m
2
m
4
π
q
v
d
ρ
=(2)
m
f
g
1
x
v
ρ
ρ
=-(3)
式中，v为制冷剂入口流速，m/s；q m为制冷剂质量
流量，kg/s；ρm为两相制冷剂的密度，kg/m3；ρg
为气相制冷剂密度，kg/m3；d为分流器入口直径，
本例为0.01 m；v f为分流器入口液相制冷剂体积分
数；x为制冷剂入口干度。

2.4 仿真结果分析
2.4.1 出口管与中心线夹角对分流效果的影响
为了研究文丘里分流器的各出口管与中心线
夹角α对分流效果的影响，对5种制冷剂在夹角α
从20°~75°进行仿真，其中蒸发温度为7 ℃，冷凝
温度为45 ℃，过热度为5 ℃，过冷度为5 ℃。

在
制冷量为3 kW时，分别将5种制冷剂代入MATLAB
中的模型进行计算，得到相应的边界条件及5种制
冷剂在7 ℃下的物性参数，其中，物性参数由REFPROP 9.0得到，如表1所示，再对5种制冷剂在12种不同的夹角下的分流性能进行仿真计算，结果如图9所示。

表1 各制冷剂在7 ℃下的物性参数
制冷剂 密度/(kg/m 3) 动力黏度/(Paꞏs) 气相 液相 气相 液相 R22 26.345 1 257 1.167×10-5 2.001×10-4 R410A 38.187 1 141 1.259×10-5 1.482×10-4 R290
12.670 519 7.660×10-6 1.169×10-4 R1234ze(E) 14.908 1 220 1.148×10-5 2.471×10-4 R32
27.559
1 031
1.185×10-5
1.392×10-4
0.0
0.10.20.30.40.5不均匀度ε
角度/(°)
图9 各制冷剂不均匀度随夹角的变化
由图9可知，5种制冷剂的不均匀度均呈先减小后升高的趋势，当分流器各出口管与中心线夹角从20°增大到60°时，各制冷剂的不均匀度均下降，
对于R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32而言，不均匀度依次下降了22.61%、25.78%、24.66%、22.14%和21.33%。

当夹角在60°以上继续增加时，不均匀度均升高，对于文丘里分流器而言，各出口管与中心线之间宜采用60°的夹角，与20°夹角相比，各制冷剂在同工况下不均匀度约降低23.31%。

另一方面，各制冷剂的不均匀度在12种出口管与中心线的夹角下，不均匀度最低的制冷剂均是R1234ze(E)，其次是R410A 、R22和R290，不均匀度最高的是R32，即R1234ze(E)在不同的出口管与中心线夹角下，都具有最好的适应性。

同时，在60°夹角下，相比于R22、R410A 、R290和R32，R1234ze(E)的不均匀度下降了64.43%、63.70%、70.43%和84.25%，由于R32的分配不均匀度较高，所以在设计和使用以R32为工质的多支路换热器时，应着重考虑其分配不均对换热效率的影响，或通过相关设计降低其分配不均匀度。

2.4.2 入口干度对各制冷剂分流效果的影响
当蒸发温度、冷凝温度、过热度确定时，过冷度越大，节流后制冷剂干度越低。

在蒸发温度7 ℃，冷凝温度45 ℃，过热度5 ℃，过冷度分别为2、5和8 ℃时，各制冷剂在分流器入口的干度如表2所示。

由表2可知，随着过冷度的增加，各制冷剂在分流器入口的干度减小，随着过冷度从 2 ℃变为8 ℃，制冷剂的入口干度降低了0.05左右。

表2 各制冷剂在不同过冷度下的入口干度 过冷度R22R410A R290 R1234ze(E)R32 2 ℃ 0.2280.283 0.269 0.266 0.2295 ℃ 0.2070.255 0.245 0.243 0.2078 ℃
0.187
0.229
0.221
0.220
0.186
从2.4.1的仿真中可知，对于文丘里分流器，各出口管与中心线之间宜采用60°的夹角，为进一步研究入口干度对分流性能的影响，在分流器各出口管与中心线夹角采用60°的情况下，分别对五种
制冷剂在表2所示的3种入口干度下的分流性能进
行了仿真，仿真结果如图10所示。

R22R410A
R290R1234ze(E)R32
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
不均匀度ε
制冷剂
过冷度2 ℃ 过冷度5 ℃ 过冷度8 ℃
图10 各制冷剂不均匀度随入口干度的变化
由图10可知，各制冷剂的不均匀度均随着过冷度的增加而减小，即入口干度越低，不均匀度越低，随着过冷度从2 ℃增加到8 ℃而带来的入口干度约为0.05的降低，R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32的不均匀度依次下降了13.95%、14.63%、14.54%、12.77%和14.98%，5种制冷剂在文丘里分
流器内的分流效果均随过入口干度的减小而提升，入口干度每降低0.05，不均匀度约下降14.17%。

此外，在不同循环过冷度下，R1234ze(E)不均匀度最低，其次是R410A 、R22、R290和R32，所以在不同的循环过冷度下，R1234ze(E)对文丘里分流器的适应性最好。

2.4.3 入口质量流量对分流效果的影响
为了研究入口质量流量对各制冷剂的分流效果的影响，在蒸发温度为7 ℃，冷凝温度为45 ℃，过热度为5 ℃，过冷度为5 ℃，制冷量为2 kW 和3 kW 下，对5种制冷剂进行仿真计算。

在循环参数不变时，制冷量越大，制冷剂质量流量越大，5种制冷剂在不同制冷量时的分配特性如图11所示。

2
3
0.0
0.2
0.4
0.60.8
R22
R410A R290
R1234ze(E) R32
不均匀度ε
制冷量/kW
图11 各制冷剂在不同制冷量下的不均匀度
由图11可知，随着制冷量从2 kW 增加到3 kW 而带来质量流量的增加，各制冷剂的不均匀度均降低，在R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32在质量流量增加0.5倍时，不均匀度依次下降了54.23%、54.13%、53.97%、55.53%和52.77%，即随着质量流量的增加，各制冷剂的分配不均匀度迅速减小，质量流量增加0.5倍时，不均匀约降低54.12%。

此外，5种制冷剂在质量流量同时增加0.5倍时，R1234ze(E)在文丘里分流器中的分配不均匀度下降最多，其次是R22、R410A 、R290和R32。

另一方面，在两种制冷量下，制冷剂按不均匀度从小到大排列为R1234ze(E)、R410A 、R22、R290和R32。

在制冷量为2 kW 时，相比于R22、R410A 、R290和R32，R1234ze(E)的不均匀度下降了63.39%、62.56%、69.39%和83.27%，在制冷量为
3 kW 时，相比于R22、R410A 、R290和R32，R1234ze(E)的不均匀度下降了64.43%、63.70%、70.43%和84.25%，因此，R1234ze(E)的分配不均匀度最低，且其不均匀度相对其余4种制冷剂的下降程度随着质量流量的增加而增加。

所以，在不同制冷量下，R1234ze(E)均具有最佳的适应性，若从分配均匀性的角度考虑制冷剂的选取，宜优先考虑R1234ze(E)。

3 不同制冷剂对R22的替代分析
R290、R410A 、R1234ze(E)和R32均是可替代R22且对臭氧层无破坏的环保制冷剂，在分类上，R290属于自然工质，GWP 接近0；R410A 属于合成工质，GWP 为 1 975，有着较高的温室效应；R1234ze(E)属于合成工质，GWP 为6；R32属于合成工质，GWP 为675。

所以，从对臭氧层的破坏上和对温室效应的加剧上看，选择的先后顺序应为R290、R1234ze(E)、R32和R410A 。

在制冷循环的热力特性上，从较高的COP 和较低的压缩机排气温度的角度而言，最先考虑的应是R1234ze(E)，其次是R290，对于R32和R410A 来说，在排气温度和循环COP 上各有优势。

从制冷剂的分配上看，无论是对于不同结构的
文丘里分流器，或是对于各制冷剂在同工况下在文
丘里分流器中的分配，R1234ze(E)的不均匀度均低于其余4种制冷剂，即对于文丘里分流器，R1234ze(E)的适应性最好，结合仿真结果，从制冷剂分配的角度考虑，优先顺序应为R1234ze(E)、R410A 、R290和R32，其中R290的不均匀度稍高于R22，而相比而言R32的不均匀度高出R22较多。

综上所述，在环保制冷剂R1234ze(E)、R410A 、R290、R32对R22的替换上，应优先考虑对文丘里分流器适应性最好、循环COP 最高、压缩机排气温度最低的R1234ze(E)，若要使用更为环保的自然工质，可选择分配不均匀度与R22相近、循环COP 较高、压缩机排气温度较低的R290。

4 结论
本文研究了R22、R410A 、R290、R1234ze(E)和R32这5种制冷剂在制冷循环中的循环特性和在文丘里分流器中的分配特性，分析了5种制冷剂在
循环特性上的优劣，以及在文丘里分流器中的分配特性与相关结构因素和非结构因素的关系，得到如下结论：
1）文丘里分流器各出口管与中心线夹角为60°时，分流效果最好，与夹角为20°时相比，同工况下的不均匀度约降低23.31%，R1234ze(E)的分配不均匀度最低，在60°夹角下，相比于R22、R410A、R290和R32，R1234ze(E)的不均匀度分别下降了64.43%、63.70%、70.43%和84.25%；
2）R22、R410A、R290、R1234ze(E)和R32在文丘里分流器中的分配效果随着入口干度的减小和入口质量流量的增加而提升，干度每降低0.05，不均匀度约下降14.17%，质量流量每增加0.5倍，不均匀度约下降54.12%；
3）在对文丘里分流器的适应性方面，R1234ze(E)最好，其次是R22、R410A、R290和R32；在4种环保制冷剂对R22的替换方面，从对文丘里分流器的各工况下的适应性、循环COP和压缩机排气温度而言，宜选用R1234ze(E)，其次可考虑作为自然工质的R290。

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