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风冷冷热水机组的制冷剂充注量试验研究
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何如 余晓明 李廷永 王文斌
摘要：通过风冷冷热水机组实验测试，研究风冷冷热水机组储液器及充注量匹配对测试机组系统性能的影响，提出了机组性能改进措施及方法。
关键词：最佳充注量 储液器 实验研究
风冷冷热水机组的水侧换热器大多选用板式换热器，其具有结构紧凑、体积小、传热系数高等特点。但当机组处于热泵运行时（板式换热器作冷凝器），由于其内容积很小，制冷剂蒸气在其中冷凝后必须及时排出，否则冷凝液会淹没一部分换热面，使换热量减少，影响机组的运行稳定性和性能。所以在使用板式换热器时大都需要配置储液器，用来平衡机组由于工况变化或进行能量调整时相应产生的制冷剂变化量，起到质量流量平衡器的作用。本文主要研究储液器“逆向法”配置，通过理论计算和试验研究来探讨采用该方法的储液器配置问题及制冷剂充注量对系统性能的影响。（参考《建筑中文网》）
1 储液器的配置作者收集了国内外同类机型所采用的各种解决方案，从储液器在制冷和制热运行工况时所处的压力状态来分主要有两种类型，一种是压力恒定的高压储液器，通过采用传统的“四个单向阀法”来实现。另一种是压力交替变化的，在制冷时是低压储液器，在制热时又变成高压储液器，主要有“冷热法”（图1）和“逆向法”（图2）两种实现方法。采用四个单向阀后，可以确保在制冷和制热两种工况时，冷凝液体始终从同一方向进出储液器，然后进膨胀阀节流。这种方法在膨胀阀尚不能实现双向流通的时代，对机组的稳定运行起到了很大的作用。如今随着双向膨胀阀技术的成熟与推广，“冷热法”和“逆向法”得到了愈来愈多的应用。这两种方法的不同之处在于，前者的储液器是波动型的，用于储存工况变化时的那部分制冷剂变化量，结构为只有单管进出罐体，同时引入四通阀至风冷换热器之间的管路，通过其冷、热变化来保证罐内制冷时不储存制冷剂而储存制热时多余的那部分制冷剂，故称之为“冷热法”。后者的储液器则是通过型的，结构为双管进出罐体，只是制冷和制热时制冷剂的流向相反，故称之为“逆向法”。
图1 冷热法方案示意图 图2 逆向法方案示意图
测试机组工况环境通过焓差法实验台外室（配有工况机、电加热器和加湿器）来模拟。在所设计的试验装置中，制冷量（制热量）是通过对水侧换热器进、出口水温的测量以及室外冷却水系统水流量的测量，然后将三者的测量值作计算得到的（进出水焓差乘冷却水流量）。系统中水侧换热器的进、出口都设置了温度传感器，进水管路上设置了涡轮流量计，这些测点的布置为分析系统的热力性能提供具体的实测值。通过冷却水系统中冷却塔和电加热器调节带走测试机组负荷。按照“逆向法”配置的储液器主要用于储存热泵系统由制冷工况转换为制热运行以后所多出的那部分制冷剂，因而在试验时首先测出系统不配置储液器时，制冷和制热运行各自的制冷剂最佳充注量，然后根据这一差值进行储液器的选用和调整，满足系统的性能和可靠性的要求。
3 制冷剂充注量的估算制冷剂在制冷循环中所起的作用是不言而喻的，对制冷剂的研究工作也是大量的，但主要是针对其本身的热力特性和物理化学性质，而对其在系统中应用的一些问题，如对怎样精确计算制冷剂充注量及充注量的变化与系统其他特性之间的定量关系，则相对研究较少。目前制冷剂的充注量主要有，空泡系数法和内容积估算法两种。工程上常用后者，即采用充注量占系统各设备内容积百分比的方法来估算总的制冷剂充注量。M08H系统内容积计算结果如表1和表2所示。
表1 制冷装置制冷剂充注量
设备名称 | 充注量占设备容积（%） | 设备名称 | 充注量占设备容积（%） |
冷凝器 | 15 | 干式蒸发器 | 40 |
表2 M08H系统内容积
零部件 | 排气管路 | 风侧换热器 | 阀前管路 | 阀后管路 | 板式换热器 | 吸气管路 |
内容机（L） | 0.19 | 5.56 | 0.33 | 0.31 | 1.44 | 4.67 |
4.1 不设储液器时系统制冷、制热量与充注量的关系
图3、图4分别为不设储液器时机组的制冷量和能效比随充注量的变化曲线。
试验时，首先参照估算值以液态方式充注，然后逐步以气态方式添加制冷剂，逐点记录下各稳定点的试验参数，绘出制冷量、能效比随充注量变化的两条主要性能变化曲线，得出共同的最佳点。由图中可以看出，在制冷标准工况运行时，在充注量大致为5.3kg时，机组的制冷量和能效比均处于比较理想的状态。
图3 制冷量随充注量变化曲线
图4 制冷能效比随充注量变化曲线
在测试制热性能时，由于系统内制冷剂很难定量减少，因而机组首先排尽制冷剂，重新抽真空，再以液态方式充注制冷剂，然后逐步添加气态制冷剂，得出图5、图6两条不设储液器时机组的制热量和能效比随充注量的变化曲线。由图中可以看出，在制热标准工况运行时，在充注量大致为2.5kg时，机组的制热量和能效比均处于比较理想的状态。
图5 制热量随充注量变化曲线 图6 制热能效比随充注量变化曲线
4.2 加设储液器时系统制冷、制热量与充注量的关系
图7 制冷量随充注量变化关系 图8 能效比随充注量变化关
图9 制热量随充注量变化关系 图10 能效比随充注量变化关
图7、图8分别为加设储液器后机组的制冷量和能效比随充注量的变化曲线，本文所列出为比较理想的状态。制冷剂充注方法同上,逐点记录下各稳定点的试验参数，绘出制冷量、能效比随充注量变化的两条主要性能变化曲线，得出共同的最佳点。由图中可以看出，在制冷标准工况运行时，在充注量大致为5.5kg时，机组的制冷量和能效比均处于比较理想的状态。
在测试制热性能时，制冷剂充注方法同上,得出图9、图10两条加设储液器后机组的制热量和能效比随充注量的变化曲线。
5 结论（1）无论储液器匹配与否，制冷剂充注量均对系统性能影响很大。
（2）未设置储液器时，制冷和制热运行达到理想制冷量和能效比的制冷剂充注量相差很大，制热运行最佳充注量仅为制冷运行最佳充注量的47.17%。
（2）为解决不同工况运行时，所存在的制冷剂充注量变化的问题，采用“逆向法”是完全可行的方法之一。通过储液器的调整，使充注量同样在5.5kg时，机组在标准工况下的制热量和能效比均处于比较理想的状态。改用电子膨胀阀进行流量快速精确调节，系统性能会进一步提高。
（3）按“逆向法”所设置的储液器必然会产生一定的制冷剂潴留问题。热泵运行时，储液器的储存量可认为是潴留量与原始差值之和。
（4）通过试验与计算分析证明，采用“逆向法”完全可以得到一个经验指导式来确定储液器的容积。
参考文献1. 蒋能照,姚国琦,周启谨,吴兆林编. 空调用热泵术及应用［M］.机械工业出版社,1997.
2. 王志毅等.风冷热泵空调系统调试中的问题三则.制冷与空调［J］.2002年2月;第2卷第1期.
3. 王长庆,龙惟定等.风冷热泵机组的运行与测试分析.上海,制冷技术［J］,2002年第2期
4. 王玉贵.中小型空调器最佳充注量的确定. 暖通空调［J］,1999年第29卷第1期
5. 吴业正.制冷原理及设备［M］. 西安,西安交通大学出版社,1993.
6. Jongmin Choi. Influence of the expansion device on the performance of a heat pump using R407C under a range of charging conditions［J］. International Journal of Refrigeration 27(2004)378-384.
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200602/8439.htm
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