采用R410A的变频房间空调器的理论与实验研究

第 4l卷第 2期 2010年 4月 中南大学学报(自然科学版) Journal of Central South University(Science and Technology) 、，01．4l NO．2 Apr．2010 采用 R410A的变频房间空调器的理论与实验研究 曹小林，喻首贤，李雄林，王伟，廖胜明 (中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083) 摘 要：对采用 R410A 和直流变频涡旋压缩机的房间空调器的节能特点进行分析。采用分布参数法建立该种空 调器的稳态数学模型，运用该模型计算制冷量、功率和能效比随运行频率变化的趋势，并在中南大学空调器性能 试验台上测试该空调器的性能。研究结果明：制冷量、功率和能效比的平均相对误差分别为 2．9％，6．2％和 3．9％， 模型基本可靠；变频空调器在 2O Hz运行时能效比高达4-3，而在 100 Hz运行时能效比低于2．5，因此，在选用变 频空调器时，应选择制冷量较大的空调器，避免超频运行。 关键词：房问空调器；涡旋压缩机；直流变频；制冷剂 R410A 中图分类号：TB663 文献标志码：A 文章编号：1672—7207(2010)02—0759—05 Theoretic and experimental study on domestic air—conditioner with R410A as refrigerant CAO Xiao—lin，YU Shou—xian，LI Xiong-lin，W ANG W ei，LIAO Sheng·ming (School ofEnergy Science and Engineering，Central South University,Changsha 410083，China) Abstract：The energy—saving characteristic ofR410A air conditioner with DC-inverter scroll compressor was analyzed．A parameter-distributing steady mathematic model was established for this air conditioner．With this mode1．the trend changing with operating frequency of refrigeration capacity,power input and energy efficiency ratio(EER)was calculated．This air conditioner was tested on the air conditioner performance．testing bench in Central South University． The results show that the relative errors of capacity,power and EER are 2．9％，6．2％，3．9％ respectively,which verifies that the model established is reliable．For a domestic air conditioner with DC—inverter,EER can reach 4．3 when operating at 20 Hz，but lower than 2．5 when operating at 1 00 Hz，SO it is advised to choose one with higher refrigeration capacity air conditioner with DC—inverter． Key words：domestic air-conditioner：scroll compressor；DC．inverter；R410A 环保、高效、节能已成为未来空调发展的方向，因 而空调行业必然将采用环保制冷剂和 高效节能型器 件。环保制冷剂 R410A作为 R22的替代品用于空调 已经得到重视I】 】。变频空调器是一种新型节能机种。 王起霄等【3]对变频空调的性能进行了研究分析；陈观 生等f4】从理论上分析了影响变频空调器能耗的主要因 素，即空调器的实际运行工况、压缩机电机效率、压 缩机起停次数及变频器的能耗等，得出变频空调器可 以节能 20％左右；Tassou等l5】对比变容量空调与常规空 调的运行情况，认为变频空调节能 10％以上：Vargas【oJ 模拟了定速空调器停开机过程与变速压缩机调节过 程，并比较了其能耗；孟岩勇等[1 建立变频空调的动 态数学模型，获得EER(Energy efficiency ratio)、制冷 量等随室外温度以及运转频率变化的规律，但是，由 于模型存在许多不足，变频空调在低频时的计算结果 与试验数据差别较大。本文作者针对采用 R410A制冷 收稿13期：2008-1O_22；修回13期：2009—03—03 基金项目：国家高技术研究发展(“863”计划)项目(2007AA05Z225) 通信作者：曹小林(1969一)，男，湖南益阳人，博士，副教授，从事制冷系统热物理过程的研究：电话：13055199692：E—mail：xlcao@mail．CSU．edu．cn Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 矩形 Administrator 新建图章 760 中南大学学报(自然科学版) 第4l卷 剂和高效直流变频涡旋压缩机的房间空调器建立分布 参数稳态数学模型，对该空调器在多种运行频率下的 性能进行仿真计算，并在中南大学空调器性能试验台 上进行性能测试，将计算结果与实验结果进行对比 验证。 1 数学模型 1．1 压缩机模型 变频压缩机可由变频器控制，通过改变电机运行 频率来调节转速。由于电动机与压缩机之间的转差率 对模型无影响，因而予以忽略。对于直流变频压缩机， 转速 和频率 之间的关系为[8]： ，z： rl1 式中：P 为电动机磁极数。 1．1．1 输气量的计算 涡旋式压缩机的理论输气体积流量‰ 为： q h=60nVs=60nnl (， 一21)(2N一1) (2) 式中： ，Ⅳ，， ，，和h分别表示吸气容积、压缩腔 室对数、涡旋体节距、壁厚和高度。 制冷剂的实际质量流量鸟 为： gmr=q ／V1：幻vh／V1 (3) 式中：q 。， 和 v1分别为实际输气体积流量、输气系 数和吸气质量体积。 1．1．2 压缩机的换热计算 根据热力学第一定律，可以得到如下压缩机热平 衡方程式： g (hs 。一hdi。)十 一Ql0ut=0 (4) 式中：h 。和 dis分别为压缩机入口焓和出口焓；Qoul 为压缩机壳体表面放热量；P。为压缩机的电功率。 1．2 换热器模型 1．2．1 控制方程的建立 换热器模型采用稳态分布参数法，根据制冷剂在 换热器中的换热和流动情况进行如下假设： (1)制冷剂在管路中做一维轴向流动； (2)只考虑制冷剂与管壁之间、管壁与空气之间 的径向热量交换，不计轴向的热量传递； (3)管壁的导热热容忽略不计； (4)在两相区制冷剂气体与液体均匀混合； (5)忽略不凝性气体、制冷剂侧油膜及空气侧灰 尘对传热的影响； (6)对蒸发器，不计凝结水膜热容； (7)忽略空气和制冷剂的流动阻力损失。 控制体示意图如图 1所示，图中：f， ，q 和 d 分别为温度、干度、质量流量和空气湿度，下标 r和 a分别表示制冷剂和空气。 ，以 J qmr +d‘ qmr tpxr +△ta d dg 图 1 控制体示意图 Fig．1 Diagram of control unit 冷凝器和蒸发器控制体的能量方程为： ·g =一(c。 ·At +rw·Ad )·qⅡm (5) 式中：h ，Cpa和 分别为制冷剂比焓、空气比热容和 水的气化潜热。对于冷凝器，△ 为0。 变频空调器所用的换热器管内外都采用有效的强 化换热措施，如采用波纹形、单面开缝及双面开缝型 铝套片以及内螺纹管等，在整体结构布置上采用折弯 式等。所有措施都是为了提高换热器的换热面积及换 热系数，同时减小换热器外形尺寸，降低系统成本。 1．2．2 冷凝器制冷剂侧换热系数的计算 冷凝器模型采用整体平翅片，换热管采用内螺纹 管。实验研究表明 9-10]：内螺纹管内平均凝结换热系 数为光管的 1．7-2．0倍，凝结换热的阻力系数也增 大，约为光管的 1．6-!．9倍，从而提高了制冷剂侧换 热系数。 单相区换热系数 计算公式㈣为： 1 ： 0．017 1Re0．跗 f61 一 式中： e为雷诺数； 为制冷剂的导热系数； 为换 热管内径。 两相区的换热系数 计算式【 为： 一 5彻 。(~v／pv／ (1-Xxl。‘ 鲁 第2期 曹小林，等：采用R410A的变频房间空调器的理论与实验研究 761 式中： 为普朗特数；P，／a和 X分别表示制冷剂密 度、动力黏度和干度；下标l和v分别表示液相和气相。 1．2．3 蒸发器制冷剂侧换热系数的计算 蒸发器换热管同样为内螺纹管。研究表明：内螺 纹管平均对流沸腾换热系数是光管的 2．5～3．0倍，而 平均阻力是光管的 1．3-1．7倍，有效提高了制冷剂侧 的换热系数。单相区换热系数 计算与冷凝器的计算 相同。 两相区换热系数 采用凯特里卡[ 公式计算： — a T — p ： C1(C0)q(25Fr1)cs+C3( 0)c4Fn (8) o-o23[ r di I l l ( X) ／I 】／ qmrr ； 9．8 式中： TP为两相区换热系数； l为液相单独流过管 内的换热系数；q为热流密度；C1，c2，c3，c4，c5 和r均为气化潜热；co，B0为无量纲数； 为取决于 制冷剂性质的无量纲数。 1．2．4 空气侧换热系数 蒸发器翅片采用双面开缝翅片，冷凝器采用整体 平翅片。双面开缝翅片能破坏低风速下空气流动的层 流边界层，并且减小管后部的正压力梯度，使脱离点 后移，大大提高了低风速下空气侧的换热效果，在相 同风速下，双向开槽翅片当量换热系数比波形片的高， 缩小了室内换热器的面积。 双面开槽翅片的当量换热关联式【H 为： ： 17．923Pr~·535RP。· f10) de RP：—Umax — de (11) 式中：“ ，de和v分别为最大迎面风速、当量直径和 运动黏度。 整体式翅片换热器的空气侧换热系数【H】为： = 1．12clc2 _】2．‘ L a a ) e (12) 。 p c -1．36-0．24 (13 o-s 2引 5圳 + 4 圳 ㈡ 。／ d。J ： 0．45+0．006 6 (15) ： 一 0．28+0．08 (161 1 000 式中：L为沿气流方向的肋片长。 1．3 毛细管模型 因为毛细管经济、适用，冰箱和房间空调器多采 用毛细管节流【 】，制冷剂在毛细管内的流动模型采用 均相模型。动量方程 为： 一 +象 (17) 式中：f和“分别为摩阻系数和流速。 2 系统耦合求解 假定压缩机的入口温度 、入口压力Pi 和排气 压力 P。m等参数的初始值，分别调用压缩机模块、冷 凝器模块、毛细管模块，比较压缩机的制冷剂流量与 毛细管的制冷剂流量，若不满足精度要求，则调整排 气压力，直至满足精度要求为止。然后，调用蒸发器 模块，计算压缩机入口压力、温度，与假定的入口压 力Pi 、入口温度 比较，直至其满足精度要求为止。 计算流程图如图2所示。 3 计算结果与实验验证 实验对象为采用 R410A 和直流变频压缩机的 KFR--35GWQ／BM分体空调器，实验在中南大学的空 调器性能试验台进行。针对空调系统在制冷运行过程 中制冷量、功率和能效比随频率变化而变化的情况进 行，在空调标准 Tl制冷工况下，从低频 20 Hz 到高频 100Hz每 10Hz作为 1个区间对各参数的变化 进行记录，然后，与模型的仿真结果进行对比验证。 图3～5所示分别为制冷量、功率和能效比的仿真 值和实验值的对比结果。由图3～5可以看出：仿真值 与实验值的变化趋势基本一致，制冷量、功率和能效 比的平均相对误差分别为 2．9％，6．2％和 3．9％，证明 模型基本可靠。 762 中南大学学报(自然科学版) 第41卷 ≥ 幕 图2 计算流程图 Fig．2 Calculation steps 频率 ／Hz 1一实验值；2一计算值 图 3 制冷量随频率的变化 Fig．3 Relationship between refrigeration capacity and frequency ≥ 祷 频率 ／Hz 1一实验值；2一计算值 图4 压缩机功率随频率的变化 Fig．4 Relationship between compressor Power and~equency 频率 ／Hz 1一实验值；2一计算值 图5 能效比随频率的变化 Fig．5 Relationship between energy efficiency ratio(EER) and frequency 从图3和图4可以看出：制冷量和功率均随频率 的增加而增加。从图 5可以看出：该空调器的能效比 随频率的增加而降低，这是因为：从式(11得知，压缩 机转速和频率呈正比，而制冷量和功率随压缩机转速 增加几乎也呈正比，这意味着蒸发器和冷凝器的传热 负荷和相应的传热温差增大，在室内外环境工况不变 的情况下，冷凝温度必然升高，蒸发温度必然降低， 压力比增大，功率进一步增加，而制冷量则会有所减 小，从而使能效比变化较大。 该空调器的运行频率在 50 Hz时，能效比约为 3．4，达到一级能效；但当运行频率低于 50 Hz时，其 能效比更高，可以达到 4．3以上，这说明变频空调器 在低频运行时能够节能。但当运行频率超过50 Hz时， 第2期 曹小林，等：采用R410A的变频房间空调器的理论与实验研究 763 特别是高频运行时，能效比反而比定频空调的低。 4 结论 (1)建立了采用直流变频涡旋压缩机的R410A变 频房间空调器的稳态分布式数学模型。运用该模型得 到变频空调器的制冷量、功率和能效比随运行频率的 变化趋势。对该空调进行了性能测试，计算结果和实 验结果较吻合，制冷量、功率和能效比的平均相对误 差分别为2．9％，6．2％和 3．9％，模型基本可靠。 (2)变频空调器的制冷量和功率均随运行频率的 增加而增加，而能效比随着频率的增加而降低。在20 Hz运行时，能效比高达 4-3，而在 100Hz运行时，能 效比低于2．5；所以，应选用制冷量较大的变频空调器， 避免超频运行。 参考文献： 【1】 张萍，陈光明．R410A替代R22制冷系统的实验与分析[J]．工 程热物理学报，2008，29(5)：74 1—746． ZHANG Ping，CHEN Guang—ming．Experiment and analysis on refrigeration system of R410A replacing R22[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2008，29(5)：741—746． [2】 朱明善，史琳．国际上限用 HCFC类制冷剂的态势与我国对 策的建议[J]．制冷与空调，2001，6(1)：卜7． ZHU Ming-shan，SHI Lin．Trend of HCFCs phase·out in the world and suggestions for our country[J]．Refrigeration and Air_conditioning，2001，6(1)：1—7． 【3】 王起霄，刘淑静．变频空调的性能研究[J】．哈尔滨商业大学 学报，2001，l7(3)：69—71． WANG Qi—xiao，LIU Shu-jing．Study on performance of air conditioner with DC—inverter[J]．Journal of University of Harbin Commerce，2001，17(3)：69—71． 【4】 陈观生，吴桂炎．家用变频空调器节能分析[J]．制冷空调与 电力机械，2003，24(4)：26—29． CHEN Guan—sheng．WU Gui—yan．Analysis on energy—saving of domestic air conditioner[J]．Refrigeration，Air Conditioning and Electronic 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