【HETA】回热器在R290小管径空调器中的应用研究
本文主要研究在小管径R290空调系统中添加回热器对系统性能和系统充注量的影响，包括理论分析系统循环、采用基于仿真的方法定量分析添加回热器后冷凝器的充注量和实验验证。
R290制冷剂凭借其ODP值为零及GWP值接近为零的优点成为现有制冷系统中R22制冷剂的潜在替代物。
然而，R290制冷剂由于其可燃性而极易爆炸。使用小管径（5mm及其以下管径）铜管能够降低系统制冷剂的充注量，从而能够避免R290爆炸。但直接使用小管径铜管会增大换热器的压降，并会降低系统的性能。为了保证系统使用R290制冷剂后的安全性，有必要提高小管径空调系统的性能。
提高小管径空调系统的性能有以下几种方法：
1）优化制冷剂的流路来降低压降；
2）优化适用于5mm铜管的翅片结构；
3）优化分配器，使换热器各流路分液均匀；
4）系统中添加回热器。对于制冷剂流路优化，目前已有的基于仿真的设计方法能够有效的改善制冷剂的流路，并且很好地平衡小管径换热器传热和压降的关系。
对于翅片结构优化，已有研究提出了小管径换热器翅片的设计原理，设计的翅片取得了良好的传热性能。对于分液器，已有研究通过实验和仿真的方法对分液器结构进行了优化，并针对不同结构提出了分液器的优化原则。目前已有的文献中还没有关于回热器对R290小管径空调系统性能影响的研究。
回热器的功能是用吸气管路的低温制冷剂冷却节流前的高温制冷剂。
回热器已经广泛用于各种制冷系统中，如冰箱和制冷机等。然而回热器几乎很少用于HFC系类制冷剂（如R22和R410A）的空调系统中，主要原因为回热器的添加对空调系统的性能提升有限，但同时使得空调系统的结构复杂的多。相比HFC系列制冷剂，R290制冷剂在空调系统中具有较低的排气温度，这就使得在R290空调系统中安装回热器后，空调器的性能有较大的提升空间。此外，随着回热器的应用，冷凝器进口温度随着压缩机吸气温度的提升而明显升高，从而具有降低系统充注量的潜能。因此有必要研究在R290空调器中添加回热器对空调系统的影响。
1、带回热器与不带回热器的系统循环
回热器是安装在蒸发器和冷凝器之间的换热器。回热器添加到系统后，使得冷凝器出口的高温制冷剂与蒸发器出口的低温制冷剂发生换热。
图1显示了带回热器和不带回热器的循环系统。空调系统添加回热器后，冷凝器具有更大的过冷度并且蒸发器具有更大的过热度。系统添加回热器前的制冷量和制热量以及对应的EER和COP由式（1）计算得出，添加回热器后系统的制冷量和制热量以及对应的EER和COP由式（2）计算得出。压缩机的耗功由厂家提供的十系数方程计算得出。系统在添加回热器之前过冷度是10 ℃，如图中点3所示；过热度是5 ℃，如图中点1所示。
图1 带回热器与不带回热器的系统循环
式中，Q是系统制冷量或制热量；EER 和COP是系统的能效比；h是各点焓值；W是功耗；下标cooling和heating 表示制冷工况和制热工况；下标1、2、3、4表示图1中显示的各点。
2、制冷工况下回热器对系统性能的影响
在实际空调系统中，制冷工况下的蒸发温度在5 ℃与13℃之间变化，冷凝温度在40 ℃与50 ℃之间变化。因此本文将在这些工况范围内展开回热器对系统影响的研究。当研究冷凝温度对回热器性能的影响时，蒸发温度设定在5 ℃；当研究蒸发温度对回热器性能的影响时，冷凝温度设定在40 ℃。
图2 制冷工况下回热器对系统性能的影响
图2显示了回热器在制冷工况下不同蒸发温度和冷凝温度时对系统性能的影响。系统添加回热器后，蒸发器出口的制冷剂与冷凝器出口的制冷剂发生换热，导致压缩机的吸气温度提高，以及节流前制冷剂的温度降低。研究发现当回热器导致的吸气温度提升量在4℃到20℃之间增加时，系统制冷量和系统EER呈线性增加。当回热器导致的吸气温度提升量为20℃时，制冷量能够提升12%，同时系统EER能够提升4%。当蒸发温度和冷凝温度改变时，系统制冷量和系统EER的变化趋势并不发生改变。这说明系统制冷量和EER的提升是由于系统添加了回热器造成的，与蒸发温度和冷凝温度无关。
3、制热工况下回热器对系统性能的影响
在实际空调系统中，制热工况下的蒸发温度在-10 ℃与0℃之间变化，冷凝温度在40 ℃与50 ℃之间变化。因此本文将在这些工况范围内展开回热器对系统影响的研究。当研究冷凝温度对回热器性能的影响时，蒸发温度设定在0℃；当研究蒸发温度对回热器性能的影响时，冷凝温度固定在40℃。
图3显示了回热器在制热工况下不同蒸发温度和冷凝温度对系统性能的影响。系统添加回热器后，蒸发器出口的制冷剂与冷凝器出口的制冷剂发生换热，导致压缩机的吸气温度提高，以及节流前制冷剂的温度降低。研究发现当回热器导致的吸气温度提升量在4 ℃到20℃之间增加时，系统制热量和系统COP也线性增加。当回热器导致的吸气温度提升量为20℃时，制热量能够提升11.7%，同时系统COP能够提升4%。当蒸发温度和冷凝温度改变时，系统制热量和系统COP的变化趋势并不发生改变。这说明系统制热量和COP的提升是由于系统添加了回热器造成的，与蒸发温度和冷凝温度无关。
图3 制热工况下回热器对系统性能的影响
R290空调系统中的充注量是决定空调系统安全性的关键因素，并且空调系统中的主要制冷剂集中在冷凝器的过冷段部分。因此本章主要研究回热器对冷凝器的过冷度以及充注量的影响。
1、换热器仿真模型
本文采用Liu提出的基于图论的分布参数模型来预测换热器的换热性能。这种模型是三维的分布参数模型，能够准确的模拟不同管径不同结构的换热器。Liu的模型与实验相比的最大误差为±10%。
Liu的模型在换热器的长度，宽度和高度三个方向上划分为若干个小的控制容积，如图4所示。每个控制容积由三部分组成，分别为制冷剂，空气和管翅部分；各部分的控制方程如下各式所示。式（3）和（4）示出了针对制冷剂的能量方程和动量方程；式（5）和（6）示出了针对空气的能量方程和动量方程；式（7）示出了管翅结构部分的能量守衡方程。
图4 换热器及其控制容积的原理图
其中Qr是制冷剂侧的换热量；αr是制冷剂侧的换热系数；Ai是制冷剂侧的换热面积；Tr,in和Tr,out是换热器内制冷剂的进出口温度；Twall是管壁温度；Δpr是制冷剂侧压降；Δpr,f是沿程摩擦引起的压降；Δpr,acc是速度变化引起的压降；Δpr,g是由重力引起的压降；Qa是空气侧换热量；αa是空气侧换热系数；Ao是空气额换热面积；Ta,in和Ta,out是空气侧进出口干球温度；Δpa是空气侧压降；Ga,max是最小截面处的空气质量流量；fa空气侧摩擦因子；σ是空气侧换热面积与制冷剂侧换热面积之比；Qfront, Qback, Qtop和Qbottom是翅片的前端，后端，上端和低端传导的热量。本文使用空泡系数模型计算控制容积中的制冷剂的充注量。
2、结果与分析
选择一款常规的空调系统，分析回热器对该系统的冷凝器的过冷度以及充注量的影响。冷凝器的换热能力为2600W，其结构参数如表1所示。保证空调系统添加回热器前后蒸发器出口过热度均为4.25℃，蒸发压力均为636kPa，多变压缩指数为0.7。研究发现，系统添加回热器后，压缩机吸气温度提升导致压缩机排气温度随之提升。当吸气温度从8 ℃提升到 28 ℃时，压缩机排气温度随之从 68℃提升到 88 ℃，如图5（a）所示。
表1 冷凝器的结构参数
冷凝器中的制冷剂以过热气体，两相和过冷液体三个状态存在。制冷剂在靠近冷凝器进口的管路内以过热气体形式存在，在靠近冷凝器出口处的管路内以过冷液体形式存在，在其他部分的管路内以两相形式存在。冷凝器中的两相流可分为两种状态：液体成分超过50%的富含液体的两相流以及气体成分超过50%的富含气体的两相流。两相流中气体和液体的成分由空泡系数决定。
图5（b）显示了四种空泡系数模型下干度与空泡系数的关系曲线。四种空泡系数模型分别是滑移模型，均相模型，Xtt模型和质量流量模型。根据四种模型的计算显示当干度大于0.2时，四种模型的空泡系数均大于50%。因此认为干度0.2可以作为富含液体的两相流和富含气体的两相流的分界线。
图6显示了在冷凝压力为1740kPa，进口温度为67.8℃时四种状态的制冷剂在冷凝器中的分布。
图5 排气温度和空泡系数
图6 四种状态的制冷剂在冷凝器中的分布
图7 回热器对冷凝器性能的影响
图7（a）显示了各态制冷剂所占的管内换热面积与回热器导致的吸气温度提升量的关系。当回热器导致的吸气温度提升量在4℃与20℃之间增加时，过热气体制冷剂和富含气体的两相流制冷剂所占的管内换热面积分别提升了64.7%和4.1%；富含液体的两相流制冷剂和过冷液体制冷剂所占的管内换热面积分别降低18.1%和30.4%。
图7（b）显示了各态制冷剂所占的质量与回热器导致的吸气温度提升量的关系。当回热器导致的吸气温度提升量在4℃与20℃之间增加时，过热气体制冷剂和富含气体的两相流制冷剂的质量基本保持不变；富含液体的两相流制冷剂和过冷液体制冷剂的质量分别降低59.4%和6.8%。这是由R290液体的密度约是R290气体密度的20倍左右造成的。因此回热器能够降低冷凝器的充注量，并使得系统添加回热器后整个系统的充注量能够降低17%，如图7（c）所示。
为了验证回热器对系统性能和充注量的影响，本文制作了5mm R290空调器样机，探索系统添加回热器后的性能的变化。R290空调系统包括的主要部件有：回热器，压缩机，蒸发器，冷凝器和毛细管，各部件的连接如图8所示。回热器由两根铜管焊接而成。整个试验台按照GB/T 7725-2004(ISO 5154:1994)规定的标准搭建。在摄氏温标下，干球温度和湿球温度的测量不确定度为±2%。通过使用测试空气焓差的方法，换热量的测试不确定度为±2%，EER的不确定度为±5%。
表2 回热器添加实验的实验结果
实验结果如表2所示，空调系统添加回热器后，其换热性能得到提升，并且充注量降低。相比不带回热器的空调系统，添加回热器的空调系统的制冷量和EER分别提升5.3%和5.13%。同时也说明本文的理论分析结果能够很好的与实验结果吻合。实验结果显示R290空调系统添加回热器后的，节流前制冷剂的过冷度增加9.8℃，排气温度提升25.4℃。此外实验结果显示了空调系统添加回热器后的充注量降低6%，这有利于保证R290空调系统的安全性。
图8 带回热器的R290空调系统
本文研究了R290空调器中添加回热器的性能变化和充注量的变化，得出如下结论：
回热器能够提升 R290小管径空调系统的制冷量。实验表明R290空调系统添加回热器后的制冷量为2625W，比无回热器系统的制冷量提升5.3%；
回热器能够提升 R290小管径空调系统的EER。实验表明R290空调系统添加回热器后的EER为3.28，比无回热器系统的EER提升5.13%；
回热器能够提升 R290小管径空调系统的充注量。实验表明R290空调系统添加回热器后的充注量为315 g，比无回热器系统的充注量低6%；
回热器能够提升R290小管径空调系统吸气温度，增加过冷度。R290空调系统添加回热器后的节流前过冷温度为28.9℃，排气温度为88℃，与无回热器系统相比，过冷度增加9.8℃，排气温度提升25.4℃。