空调系统制冷剂最佳充注量试验研究

研究报告

第20100161号

日立电器

R410A空调系统制冷剂最佳充注量试验研究

技术体系

压缩机开发部

开发一室

君一波

探讨期间：2010 年 6 月～2010 年 7 月

报告日期： 2010年7月

摘要

建立了空调系统制冷剂最佳充注量的数学模型，分析了制冷剂充注量和电子膨胀阀开度对变频

空调制冷量、功率、EER、蒸发温度、吸气温度、过热度的影响及原因。提出了空调系统最佳匹配特

性的原则，制冷系统存在最佳充注量，通过调节压缩机的运行频率实现容量调节，通过调节电子膨

胀阀使蒸发器出口趋近饱和状态，此时蒸发器过热度趋近于0，制冷量及EER达到最佳值。

关键词：制冷剂充注量、电子膨胀阀、制冷量、过热度、EER

目录

绪言 (3)

1.空调系统制冷剂量数学模型 (4)

1.1 引言 (4)

1.2 制冷剂量数学模型 (4)

2. 试验系统及方法介绍 (5)

2.1 试验系统 (5)

2.2 实验目的及方法 (9)

2.3 空调系统流程及两器分析 (10)

3. 实验结果与分析 (12)

3.1 电子膨胀阀特性变化曲线 (12)

3.1.1温度特性变化曲线 (12)

3.1.2制冷量、功率、能效比的变化曲线 (13)

3.2 制冷剂充注量特性变化曲线 (14)

3.3 空调系统最优效率的匹配方法 (15)

4. 小结及展望 (16)

4.1 小结 (16)

4.2 展望 (17)

5. 主要参考文献及资料 (17)

6. 致 (17)

绪言

（一）研究的动机

制冷剂充注量与制冷装置的工作特性是紧密相关的，如果充注量过大, 将引起蒸发温度、冷凝温度上升, 由于冷凝器和蒸发器参与换热的有效面积减小, 蒸发器不能将冷量充分发挥出来；如果充注量过小, 蒸发、冷凝压力都下降, 蒸发器的传热温差增加了, 而制冷剂的制冷量却减少了, 系统工作特性也不符合要求。

目前SHEC的正在大力开发R410A冷媒的定频及变频压缩机，压缩机与空调系统的匹配的研究显得更为重要。对一定容量的压缩机而言，在空调系统的匹配中，一般通过调节制冷剂充注量、毛细管长度或电子膨胀阀开度来寻找系统运行最佳效率状态。在实际调节过程中，即使空调系统节流装置要求使用毛细管，也先是用电子膨胀阀对系统进行调节，找到运行的最佳点后，再更换相应的毛细管来匹配。

目前，国有关于R22毛细管长度与制冷剂充注量方面的研究与报道，但对于R410A空调器方面的研究较少。因此，研究空调器性能参数随电子膨胀调节和制冷剂充注量变化的规律，具有重大的实践意义。

（二）研究经过

理论分析阶段：

阅读关于制冷剂充注量及空调系统运行特性方面的文献，探讨如何开展试验。探讨的结果是:采用ASA804变频压缩机，格力26级2级能效空调系统，节流装置采用电子膨胀阀。

实验准备及实施阶段：在公司的焓差室实施实验，为了保证实验数据的真实性及可靠性，必须连续运行空调系统，中间停机次数尽量少。在一个充注量下将膨胀阀开度从小调节到大，机组连续运行，每个工况运行4个小时左右待稳定后采集数据。每个充注量下采样点约16-20个，共6个充注量。

数据分析阶段：

总结电子膨胀阀及制冷剂充注量的特性变化规律。结合理论分析变化原因。找到调节空调系统的最佳效率点的依据和方法。

（三）研究对象

ASA804SD压缩机和格力KFR-26GW/E(26541)FdNA空调系统，原机的节流装置是毛细管，为了能够快速简便地调节制冷剂流量，实验中采用电子膨胀阀作为节流装置。

（四）研究的目标

通过对R410A空调系统制冷剂充注量机和电子膨胀阀特性理探讨完成后，能够为R410A空调最优效率的压缩机匹配提供方法和依据，提高压缩机与空调系统匹配的工作效率。

1.空调系统制冷剂量数学模型

1.1 引言

制冷或空调系统的正常运转取决于所充注的制冷剂量是否合适,若系统中制冷剂充注不足会使蒸发器蒸发量不足,蒸发温度、冷凝温度都下降,蒸发器的传热温差增加,制冷剂的流量减少会使蒸发器的制冷剂液体未流完全程就蒸发为气体,而导致压缩机回气温度过高,回气比容增大,造成制冷量不足且出口过热度过大,排温过高,压缩机易造成热保护。若加液过量又会使进入冷凝器的制冷剂太多,导致排气压力过高,液态制冷剂回流,停机时过多的制冷剂液体通过毛细管转移到蒸发器中,再次起动时过多的制冷剂液体以两相态出蒸发器,溢入压缩机造成液击现象。

空调系统中绝大部分的制冷剂主要存在于蒸发器和冷凝器中，相对来说，节流装置（毛细管/电子膨胀阀）、压缩机和管路中的制冷剂则非常少，甚至可以忽略不计。

最佳制冷剂充注量应是满足蒸发器和冷凝器在最佳传热条件下两者质量之和，从而使系统的制冷量和能效比达到最佳的状态。

1.2 制冷剂量数学模型

(1) 蒸发器制冷剂量数学模型

对于分体式空调而言，蒸发器中的大部分处于两相流状态，而在蒸发器出口部分为蒸气过热阶段。制冷剂蒸气的比体积是饱和液体的近百倍,因此如上所述，这部分过热蒸气及压缩机部的制冷剂量之和通常不足20克,大部分制冷剂都集中在两相区域。

蒸发器两相段的长度为：

L 1m pv sh

o O q C θ=-Φ (m)……………………………… (1-1)

在蒸发器的两相段中,制冷剂的状态按蒸发温度下的饱和状态确定,其制冷剂的充灌量可按公式(1-2)：

(1)ln (1)()()

m pv sh

t e v e O b v l l v l q C f L V G X V V V V V θ=-⨯Φ--- (kg)………… (1-2) (2) 冷凝器器制冷剂量数学模型

在冷凝器中,根据制冷剂状态不同可分为过热段、冷凝段、过冷段三部分,三部分的相对位置由冷凝器与周围环境换热条件而决定。由于过热段制冷剂蒸气的比体积是饱和液体的近百倍,气体的质量非常少,大部分制冷剂都集中在两相区和过冷段。

冷凝器两相段的长度为：

3424L (1)L m pl sc k c k

q C h h h h θ-=--Φ (m)……………………………… (1-3) 在冷凝器的两相段中,制冷剂的状态按冷凝温度下的饱和状态确定,其制冷剂的充灌量可按 下面公式计算：