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家用空调器制冷剂最佳充注量的确定
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内容提示：采用分相模型计算系统中两相区内制冷剂的质量分布，在系统性能模拟的基础上，采用分段累积的方法研究了影响总充注量的因素，提出确定最佳充注量的原则在制冷量达到要求时，空调器的能效比 EER最大。测定了最佳充注量下各部件的状态，试验结果和理论计算吻合较好。
摘要：采用分相模型计算系统中两相区内制冷剂的质量分布，在系统性能模拟的基础上，采用分段累积的方法研究了影响总充注量的因素，提出确定最佳充注量的原则：在制冷量达到要求时，空调器的能效比 EER最大。测定了最佳充注量下各部件的状态，试验结果和理论计算吻合较好。
关键词：分相模型 空调器 稳态性能模拟 最佳充注量 能效比
每一种空调器的设计都存在着如何确定制冷剂充注量的问题，特别是在采用毛细管作节流装置的空调器中，由于毛细管的调节能力较热力膨胀阀差，充注量的变化对其性能影响更大。目前这方面的研究较少，缺少成熟的理论计算方法，各生产厂家只好采取试验手段，依据经验估计值进行多次试验，以最终确定最佳充注量。这种重复的工作不仅费钱，也费时费力。为了使确定最佳充注量变得简单可行，本文在系统稳态性能模拟的基础上，对分体式空调器的最佳充注量进行了计算，并提出了确定系统最佳充注量的原则：当空调器的结构尺寸和工作条件一定，制冷量达到设计要求时，系统的能效比最大。此时，空调器及各部件处于最佳工作状态。本人曾对 KFR - 32GW／H 分体挂壁式空调器反复做试验，理论计算和试验结果很吻合。（参考《建筑中文网》）
1 充注量计算
制冷剂在制冷系统中的状态可分为单相和两相两种，这两部分的制冷剂质量计算应分别考虑。
1.1 单相区质量计算
单相区制冷剂密度计算较为简单，处于单相区的各部分制冷
剂质量可通过积分计算。
（1）
式中m1为制冷剂质量，kg；ρ为密度，kg／m3；V为容积，m3；Pv为压力，Pa；Tv为制冷剂温度，K。
单相区制冷剂主要存在于蒸发器过热区、冷凝器过冷区、连接管路、压缩机壳体内、过滤器和润滑油中，故单相区制冷剂质量为：
（2）
式（2）中各参数的下标含义为：filt过滤器，pipe管路，oil润滑油，com 压缩机，V 单相区容积。
考虑到压缩机、过滤器、接管内制冷剂温度变化不大，故式（2）中采用平均温度来计算密度。润滑油中溶解的制冷剂量，可根据油质量及制冷剂的溶解度进行计算。
1.2 两相区质量的计算
充注量计算的难点在于两相区中制冷剂量的确定，其关键是两相区空泡系数的计算。在两相区空泡系数修正模型的研究和验证方面，不少学者已经做了大量工作。笔者在此基础上，结合空调器的实际工作条件，在稳态工况下，假设换热器两相区单位面积热负荷一定，选用Hughmark模型计算两相区的制冷剂量。其数学表达式为： 
（3）
式中α为空泡系数，x为干度，β、kH为系数，其中kH＝f（z）具体见表1。
（4）
式中G为质量流速，kg／（m2·ｓ）；μ为粘度，Pa·S； Di为管内径，m 。
此模型系数计算中包括α，所以在计算α时必须经过迭代，计算量较大。
两相区中制冷剂量 m2 ：
（5）
式中 lｓ为两相区长度，m；l为制冷剂管长，m。
制冷剂的总充注量m为各部分充注量之和：
m= m1 m2 （6）
2 充注量对空调器性能的影响及试验结果
不同的制冷剂充注量对空调器性能的影响是不一样的。笔者对 KFR-32GW／H 分体挂壁式空调器在不同的充注量下进行了计算和试验。理论计算和试验结果见表2。
试验条件：室外环境温度：35±0.5℃；湿球温度：19.5±0.3℃；室内于球温度：27 ±0.5℃；毛细管规格：长450mm＼内径 X1.4mm。
为了验证模型，研究各参数的变化，测定了空调器的稳态参数。借助于稳态计算的结果，沿制冷剂流动方向布置了14对热电偶和两块压力表，测出了各部件进出口参数的变化情况。循环过程测点布置见图1。
制冷剂充注量采用电子秤测定，其量程最大为6kg，准确度为±2g。加液口与制冷剂钢瓶采用塑料软管连接，当管中为气体时进行测量。
不同充注量下，系统各参数的理论计算和试验结果见图2～7。
随着充注量的增加：
①冷凝压力和蒸发压力均增加（见图2）；
②压缩机吸气温度降低，当降到蒸发器出口为饱和或两相状态时，压缩机吸气温度不再下降。由图3可以看出：当制冷剂充注量为690g时，蒸发器出口没有过热度，此时蒸发器的利用效率最高；
③由于压缩机的吸气温度下降，而压比变化不大，压缩机的排气温度下降，这样有利于压缩机的工作稳定（参见图4）；
④在690g以下时，随着充注量的增加，制冷量增加很快，而当大于690g后，制冷量增加不多。这主要是由于充注量达740g时，蒸发器出口为两相区，冷量没有充分发挥出来，而压缩机的输入功率随着充注量的增加而增大（图5）。从图6可以看出：能效比有一个明显的峰值，即在690g时能效比最大； 而当充注量大或小于这个值时，能效比均下降，这主要是由于充注量较低时蒸发器出口的过热度较大，传热面积没有充分利用，因此，制冷量下降较大，此时压缩机的输入功率减少并不多。而当充注量较大时，蒸发器出口为两相区，冷量没有充分发挥出来，此时输入功率增加，冷量变化不明显，因此能效比下降。
试验和计算表明：在最佳充注量附近，空调器的能效比最大，且制冷量也较高。从图3可以看出：此时蒸发器的出口基本为饱和状态，面积得到充分利用。在实测中，冷凝器的出口没有测得过冷度，这是由于工艺结构和测量仪表精度上的原因所致，此时冷凝器的传热面积也得到充分利用。
理论计算最佳充注量为685g，与实际值很接近。
3 影响系统总充注量的因素
3.1 制冷剂流道总内容积
通常，流道内容积越大，制冷剂的充注量也应越多。系统中液管的长度对总充注量的影响较大。
3.2 装置运行所处的工况
当空调器运行所处的工况变化时，它所要求的系统充注量不同。
3.3 毛细管尺寸
毛细管的长度对系统的最佳充注量有一定影响，不同的毛细管长度会改变制冷剂的循环量和空调器所处的工作状态。通过计算和对试件 KFR-32GW／H 分体挂壁式空调器试验，当毛细管长度增加到450mm 时，制冷剂的最佳充注量为 690g。
3.4 润滑油量
制冷剂在润滑油中有一定的溶解度，油中所溶解的制冷剂量随着温度和油量而改变，所以在确定总充注量时应考虑这一部分制冷剂量。
4 结论
①本文采用Hughmark 模型计算家用空调器两相区制冷剂量是可行的，它是整机充注量计算的关键。
②当制冷量达到要求时，以能效比最大来确定空调器的最佳充注量是可行的。
参考文献
1 Farzad，Mand o’Neal D L.The effect of void fraction model on estimation of air conditioner system performance variables under a range of refrigerant charging conditions. Int J Refrig,1994,17(2).
2 Rice C K. The effect of void correlation and heat flux assumption refrigerant charge inventory predictions. ASHRAE Trane, 1987,93(Part1).
3 张祉祜，制冷原理与设备，北京：机械工业出版社，1985.
4 刘宪英，孙纯武，周玉礼：降低房间空调器能耗途径的分析，暖通空调，1993，23（5）。
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200605/8546.htm
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