R454B 在制冷系统中替代R410A 的实验研究

宋泽洋

（河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054035）

为应对当前环境污染和能源短缺问题，低全球变暖潜值（GWP）的新型制冷剂逐渐成为大家关注研究的焦点。其中，R454B 是一种轻微可燃、GWP 的制冷剂，是新型制冷剂R1234yf 与R32 的混合性制冷剂。R32 其GWP 值并不高，且拥有较高的汽化潜热值和较好的传输能力，而在R1234yf 中混入R32 成分可大大提高其换热性能和传输能力[1]。

对于混合制冷剂R454B 的研究，目前多将其不同成份混合比下的热物理物性确定为研究焦点。基于已有数据，马一太等[2]优化了R32/R1234yf 二元混合物相对应的交互系数，进而绘制混合物饱和压力、温度随气液组成变化的关系图，以精确确定混合制冷剂物性。而Arakawa et al[3]根据实验数据对不同成分比例中，混合制冷剂在气液相平衡状态时的热物理特性计算方式进行了理论分析。

虽然有关制冷系统性能的研究已有很多，但诸多学者多以蒸发温度、冷凝温度、压缩机频率、膨胀阀开度等为变量对制冷系统的性能进行研究。例如，Cui 等[4]以CO2跨临界热泵系统研究了压缩机运转频率、运行环境等对系统的影响。为提高带经济器的变频螺杆压缩机效率。秦黄辉[5]实验研究了压缩机排气压力、电机频率、经济器补气压力、容积效率等变量对压缩机效率的影响，进而得出经济器补气压力随压缩机排气压力、电机频率的变化规律。何俊等[6]在研究压缩机排气温度受吸气状态影响规律的基础上，实验分析了制冷系统分别使用R22、R410A 和R32 时系统性能的差异性。而王超等[7]提出了假拟饱和等熵压缩排气温度控制压缩机吸气该干度的方法，并以R22、R32、R134a 和R410A 四种制冷剂为工质的实验台为载体，对该方法的可行性进行了实验研究。陈海瑞等[8]对蒸发温度、低温级压缩机频率对系统COP的影响进行了实验分析，而赵瑞昌等[9]实验研究了系统温度、压缩比、性能COP 随不同温级压缩机频率的变化规律，乔夏莹等[10]则以太阳能喷射—压缩复迭制冷系统为载体，对发生温度、中间温度、冷凝温度和蒸发温度等对系统性能的影响进行了实验分析。

本文旨在为新型制冷剂R454B 对传统制冷剂R410A 的可替代性进行研究，但就目前研究而言，对R454B 制冷系统的性能研究较为缺乏，为弥补此项缺陷，本文分别以R454B 和R410A 为工质对两者在制冷系统中的性能进行对比分析，进而为新型制冷剂R45B 的可替代性提供实验支持。

实验所采用涡旋式压缩机测试系统原理如图1 所示，为提高换热效率、减小设备占用空间，该系统采用板式换热器作为蒸发器/冷凝器/过热器，实验中通过改变水源流量和温度实现对换热量的调节。且在工质管路中安有阀门，以控制工质流向及流量。该系统主要部件还包括：油分离器、储液器、过滤器、过冷器、膨胀阀、回热器等。

图1 制冷系统原理图

如图1 所示，通过调节高压排气阀开度实现压缩机出口工质状态的控制，之后经油分离器中分离出的润滑油经回油管流回压缩机，而后经冷凝器冷凝处理的工质由高压高温气态转变为饱和液相态。储液器不仅用于储存系统多余工质，还可实现对管路内压力的波动性控制。为确保质量，流量计进出口工质均处在过冷状态，进而确保工质循环流量的测量精度，特别在储液器与质量流量计之间安装过冷器，对工质进行过冷处理。回热器可实现膨胀阀前过冷工质与压缩机吸气处过热气体的换热，间接增加工质单位质量换热量，进而改善换热效果。通过对膨胀阀开度大小的调节实现设备高压比的控制。蒸发器换热量实质为系统所能提供冷量，可通过水源温度及流量实现对换热量的控制。最后，经过热器处理的工质流进压缩机，完成一个完整的质量循环。

为满足设备性能的分析，需对工质、水源流量、温度进行测量，而后使用三维力控软件实现数据采集、分析。实验操作中，压缩机运转频率、工质阀前过冷度、过热度均保持不变，膨胀阀开度可根据过热度、过冷度实现开度的自动控制，主要通过调节蒸发器/冷凝器水源温度和流量实现换热量及系统高低压的控制。

在所测量参数中：蒸发压力Pe、冷凝压力Pc分别用于计算蒸发器饱和温度、冷凝器饱和温度；膨胀阀前工质温度TEXV，in、压力PEXV，in用于计算蒸发器工质进口焓值；蒸发器出口过热工质温度Te，out、压力Pe，out用于计算蒸发器出口工质焓值；蒸发器水源进出口温度Te，win/Te，out、流量mew用于计算设备制冷量。

实验运行中，阀前过冷度、压缩机吸气过热度均保持为6℃，蒸发温度调节范围为-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃，冷凝温度调节范围为20℃、40℃、60℃。虽然蒸发器/冷凝器水源出口温度是通过对设备高低压来影响设备性能的，但为研究各变量对设备性能的影响程度，实验同样分析了蒸发器/冷凝器水源出口温度对设备性能的影响规律。

以制冷量、压缩机功耗、系统COP 对设备性能进行评价，可使用以下公式进行计算：

式中：Cp为水定压比热容，J/（kg·℃）；he，in/he，out分别为蒸发器进出口工质焓值，kJ/kg；mr为工质质量流量，kg/s；U为工业电源输入电压，V；I为工业电源输入电流，A。

此外，为方便实验数据分析，对工质物性对实验结果的影响进行基础性验证，R410A 和R454B 的热物理特性参数可见表1。

取大鼠脑组织（处死前已注射FITC-D）置于4%多聚甲醛溶液中固定24 h后，常规脱水、石蜡包埋、切片（5 μm），参照Weidner法[21]测定大鼠脑组织梗死区域的MVD。寻找梗死区域内5个血管密集区，于200倍荧光倒置显微镜下计算该区域内被染成绿色的微血管数目。每份切片均选取5个高倍视野计数，取其平均值。

表1 R454B 和R410A 制冷剂物性表

本文主要对同型号压缩机分别充注R410A、R454B 时所展现的制冷效果进行对比分析。工质更换中，无需对压缩机结构进行特别修改，即可对工质进行直接充注，但需根据工质与润滑油的互溶性等特点对润滑油进行针对性更换，以保证设备的稳定可靠运行。数据分析中，以制冷剂、压缩机功耗、COP 为设备性能评价指标，以压缩机吸排气饱和温度（蒸发温度和冷凝温度）、蒸发器/冷凝器出水温度为实验调节变量，进而对自变量/因变量的影响机制进行实验验证。

冷凝温度不变而蒸发温度升高时，蒸发器进口工质焓值保持不变，而蒸发器出口工质焓值增大，致使单位质量制冷量升高；且系统高低压压比随着蒸发温度的升高而减小，致使压缩机容积效率升高[11]，即工质循环流量增大；两者的综合效果致使制冷量随着蒸发温度的升高而增大。蒸发温度不变而冷凝温度升高时，系统高低压压比增大，即压缩机容积效率降低，致使工质循环流量降低；此外，冷凝温度的升高使蒸发器进口处工质干度增大（蒸发器进口处工质焓值增大），致使工质单位质量制冷量减小，两者均会导致设备制冷量随着冷凝温度的降低而增大。

相同工况下，R410A 制冷量比R454B 制冷量高约0.2 kW，且两者差值随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大。由计算公式可得，设备制冷量受工质循环流量、单位质量制冷量密切相关，且两者正相关。相同温度下，R410A 的气相比体积小于R454B，即在压缩机运转频率、有效压缩体积等相同的工况下，R410A 的循环流量大于R454B；相同工况下，虽然R410A 和R454B 的饱和液相焓值相近，但两者饱和气相焓值相差较大，其中R454B 饱和气相焓值比R410A 高约11%，致使R454B 潜热值比R410A高约20%。两者制冷量的相对大小本质上为工质循环流量、潜热值相对大小的综合体现。因此，虽然R454B的循环流量小于R410A，但其单位质量制冷量大于R410A，因此两者制冷量差值相差较小。

设备运行环境（以蒸发器/冷凝器出口水温为衡量指标）其本质是通过影响蒸发器/冷凝器换热饱和压力，即压缩机饱和吸排气压力来影响系统性能，其中压缩机饱和吸气压力随着蒸发器出口水温的降低而降低，饱和排气压力随着冷凝器出口水温的升高而升高。因此设备制冷量同样随蒸发器出口水温的升高、冷凝器出口水温的降低而增大，且R410A 与R454B 之间制冷量差值随蒸发器出口水温的升高、冷凝器出口水温的降低而增大。

压缩机作为制冷系统的主要耗能元件，对其进行高效性分析对提高设备整体性能至关重要。国内外学者不仅对压缩机功耗受环境工况的影响进行了实验分析，还对其进行了必要理论研究。以CO2跨临界商用制冷系统为载体，崔晓龙等[12]的研究对压缩机的开发极具指导性意义。以并联压缩机组为研究载体，Shen 等[13]发现压缩机等熵效率随着冷凝温度的升高、压缩比的增加而增大，但其受蒸发温度的影响并不显著。Shen 等[14]在对压缩机性能受实验变量的影响进行实验分析的基础上，还设计出相应等熵效率计算模型，进而为压缩机的设计提供理论方向。

实验运行中，压缩机运转频率保持恒定，即工质循环流量可视为定值，压缩机功耗的变化主要可通过压缩机等熵效率、压缩机进出口工质焓差进行解释。压缩机功耗随蒸发温度的升高而降低，随冷凝温度的升高而增大，但其受冷凝温度的影响更为显著，冷凝温度每升高20℃，压缩机功耗增加约66.2%～81.5%，系统高低压比随冷凝温度的升高、蒸发温度的降低而增大，而压缩机等熵效率随压缩比的增大而减小[13]，且压缩机吸排气工质焓差与冷凝温度呈正比、与蒸发温度呈反比，两者的相应变化均可导致压缩机功耗的增加。

相同工况下，同型号压缩机分别充注R410A 和R454B 时所耗能量的不同，同样可从工质热物理特性的差异进行解释。经分析：相同工况下，R410A 的压缩机功耗比R454B 高约1.03～1.17 kW，两者差值受蒸发温度、冷凝温度的影响并不大。虽然在同一温度下，R454B 的焓差比R410A 高约20%，但较小的气相比体积使R410A 循环流量大于R454B，进而两者的综合效果使R410A 的压缩机功耗更大。此外，由于影响机理的相似性，压缩机功耗同样随蒸发器出水温度的降低、冷凝器出水温度的升高而增大，且相同蒸发器/冷凝器出水温度工况下，R410A 的压缩机功耗比R454B 高约0.86～1.31 kW。

对于制冷系统，COP计算中以制冷量（蒸发器换热量）和压缩机功耗为标准，实验变量对COP的影响，本质为制冷量和压缩机耗功受实验变量影响的综合体现。当COP随实验变量的增加而增大时，说明实验变量对制冷量的促进效果优于其对压缩机耗功的促进效果；当COP随实验变量的增加而减小时，说明实验变量对制冷量的促进效果弱于其对压缩机耗功的促进效果。

系统COP随压缩机吸排气饱和温度的变化规律：系统COP随蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大。如前所述，虽然制冷量随着蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大，但两变量对压缩机功耗的影响效果却相反，即压缩机功耗同样随蒸发温度的降低、冷凝温度的升高而增大，实验变量在对制冷量起到促进效果的同时对压缩机功耗有较大的削弱效果，因此两变量对系统COP与制冷量的影响效果相似。此外，系统COP受工质物性的影响较小，即R410A 和R454B 的COP相近，并无很大差值。

同样由于影响机理的相似性，系统COP 同样随蒸发器出水温度的升高、冷凝器出水温度的降低而增大，且相同蒸发器/冷凝器出水温度工况下，工质物性对系统COP 的影响并不大，即R410A 的系统COP与R454B 的相近。

除低压饱和、高压保护外，为保证压缩机稳定可靠运行，在压缩机保护中特别设计排气温度保护。结合压缩机内部流动工质物性、内部结构构造等特点，排气温度过高不仅可致使润滑油碳化变质、降低润滑油粘度，进而降低其润滑性能，还可使密封材料熔化变质，进而对压缩机涡盘、驱动轴承造成永久性破坏，并在严重时对电机冷却效果变差，进而使电机温度持续升高。其中，造成排气温度过高的主要原因有：为防止液击，压缩机吸气温度设定过高；电机运行功率过大，对工质气体的加热效果较高；压缩机压比过高。

设备运行环境对压缩机排气温度的影响规律：排气温度与蒸发器出水温度呈反比，与冷凝器出水温度呈正比。如前所示，吸气饱和温度随蒸发器出水温度的升高而升高，使冷凝器换热量降低（致使换热温差降低），进而使排气温度降低，而排气饱和温度随着冷凝器出水温度的升高而升高，使压缩机功耗增大（冷凝器换热量增大、换热温差升高），进而使排气温度升高。此外，相同工况下，R454B 的排气温度比R410A 的排气温度高约2.8～8.5℃，两者差值随着蒸发器出水温度的升高而降低、随冷凝器出水温度的升高而升高。

对R410A 和R454B 系统性能进行对比性分析，旨在为新型制冷剂R454B 的替代性提供实验佐证。实验变量中，蒸发器/冷凝器出水温度分别通过蒸发温度、冷凝温度来影响系统性能，且变量之间呈正相关，因此制冷量、压缩机功耗、COP 受出水温度的影响，与其受饱和温度的影响极具相似性，所以在结果总结中主要以饱和温度为基准，即根据实验数据可得结论如下：

制冷量和系统COP 均随蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大，且R410A 制冷量比R454B 高约0.2 kW，两者差值随蒸发温度的升高、冷凝温度的降低而增大，而工质物性对系统COP 的影响并不大。

压缩机功耗随蒸发温度的降低、冷凝温度的升高而增大，但其受冷凝温度的影响更为显著，且R410A的压缩机功耗比R454B 高，两者差值受蒸发温度、冷凝温度的影响并不大。

排气温度与蒸发器出水温度呈反比，与冷凝器出水温度呈正比，且R454B 的排气温度比R410A 高约2.8～8.5℃，两者差值随蒸发器出水温度的降低、冷凝器出水温度的升高而升高。

邢台职业技术学院学报2023年3期