螺杆式冷水机组：R513A替代R134a

      R513A具有与R134a相近的基本物性，如沸点、临界温度和临界压力等，符合当前保护臭氧层、缓解全球变暖的要求，且R513A属于共沸制冷剂，没有温度滑移。R513A被认为可作为R134a冷水机组直接替代使用的制冷剂。

    本文我们将基于2种制冷剂的物性进行热力循环分析，结合制冷剂特性重新进行机组设计及系统匹配，通过变工况试验分析R513A替代R134a应用于螺杆式冷水（热泵）机组的可行性。

１　R513A物性及理论循环计算分析

   

１．１　R513A的热力性质

R513A是由R134a和R1234yf（质量分数比为44：56）组成的二元共沸混合制冷剂，其ODP值为0，GWP值为573，基本物性与R134a非常接近（见表１）。R513A无毒，不可燃（ASHARE认定安全性A1）。

 

由表１与图１可以看出，R513A具有以下特点：

１）对臭氧层没有破坏作用，其GWP值小于R134a，符合当前保护臭氧层、减缓全球变暖的要求。

2）在相同温度下，R513A饱和压力值与R134a非常接近（见图1），并且温度越低时，两者的饱和压力差值越小。结合表1中两者标准沸点、临界温度和临界压力等参数，说明R513A与R134a的物性参数基本接近。R513A的热工特性适合用于直接代替R134a。

 

１．２　理论循环计算分析

将制冷剂R513A和R134a在相同吸气体积流量，蒸发温度5℃，冷凝温度45℃，过冷度5K，过热度10K，等熵效率0.7的设计工况下进行理论循环特性对比，见表２。

从表２可以看出：

１）R513A的蒸发压力、冷凝压力均与R134a基本相当，且两者的压比相差不大；

２）R513A质量流量比R134a高，R513A单位容积制冷量较R134a略高，R513A性能系数COP略低于R134a；

３）R513A的排气温度比R134a低。通过理论循环特性分析可以看出，R513A制冷剂可以应用于R134a冷水（热泵）机组，可考虑作为直接替代制冷剂使用。

 

２　样机设计与性能试验方法

   

试验系统由水系统、制冷剂循环系统和数据采集系统组成。性能试验室通过美国AHRI认证，测试制冷（热）能力范围为600~3000kW，冷（热）水温度范围为5~55℃。试验装置主要由恒温水箱、冷水机组、板式换热器及冷却塔等组成，如图2所示。

 

被试机的冷冻水和冷却水之间通过兑水实现部分水的热交换，多余的热量通过加水泵转移至恒温水箱，冷水机组和冷却塔可根据实际需要对恒温水箱进行降温。采用液体载冷剂法进行机组性能测试。试验样机共4台，R513A和R134a螺杆式冷水机组各1台，R513A和 R134a螺杆式地源热泵机组各１台。R134a螺杆式冷水（热泵）机组根据R134a制冷剂物性进行选型设计。R513A螺杆式冷水（热泵）机组分别在 R134a螺杆式冷水（热泵）机组基础上结合R513A 制冷剂特性进行机组设计及系统匹配。

主要从以下几方面进行优化设计：

１）压缩机方面：

与 R134a相比，相同工况下R513A的压比略小于R134a，压缩机的内容积比改变，通过更改压缩终了排气口的位置以降低压缩机的内容积比，从而提高压缩机效率。

由于R513A的排气温度低，压缩机转子变形小，转子与星轮之间啮合间隙减小0.01~0.02mm，输气量可提升0.5%~2%。

２）系统方面：

相同排气量的压缩机在相同工况下运行，R513A制冷剂质量流量比R134a高，节流阀容量设计或开度设置相应加大20%左右。吸排气管路压降比R134a机组略高，考虑对机组性能影响不大，吸排气管径可不做修改。相同管路R513A机组液体流速比R134a机组高22%，液体管路过大的压降会使液体管路中产生闪发蒸气，从而影响节流阀控制和调节流量的能力。故液体管路须重新优化设计，确保液体流速控制在1.5m/s以内。

３）换热器方面：

从提高换热效率、降低压力损失、减小制冷剂充注量的角度进行优化。４台试验样机蒸发器均采用降膜式结构。分配器是降膜式蒸发器中的关键部件，通过CFD仿真分析实现制冷剂均匀分配。

４）控制方面：

相同工况下R513A的排气温度比R134a低，节流阀的排气过热度控制目标值须适当调整，水冷工况运行排气过热度目标值调低４℃左右。螺杆式冷水机组主要由螺杆式压缩机、外置油分离器、带过冷装置的冷凝器、电子膨胀阀、降膜式蒸发器、引射泵、压力传感器、温度传感器、连接管路及控制部件等组成。按照GB/T18430.1-2007《蒸气压缩循环冷水（热泵）机组第１部分：工业或商业用及类似用途的冷水（热泵）机组》的测试要求，分别测试样机在名义工况、部分负荷工况、变工况、变流量等条件下的性能。

螺杆式地源热泵机组主要由螺杆式压缩机、二次油分离器、带过冷装置的冷凝器、干燥过滤器、电子膨胀阀、降膜式蒸发器、引射泵、喷液装置、压力传感器、温度传感器等组成。按照GB/T19409-2013《水（地）源热泵机组》的测试要求进行测试，试验用的样机按地埋管运行工况测试名义制冷（热）性能。

 

３　试验结果与分析

   

３．１　螺杆式冷水机组试验结果与分析

３．１．１名义工况下性能对比

依据 GB/T18430.1-2007规定的综合部分负荷性能系数（IPLV）计算方法，结合变工况测试数据计算可得：在名义工况（冷冻水出水温度=7℃，冷却水进水温度=30℃下，R513A和R134a机组性能对比结果如表3所示，R513A 机组测试结果与R134a机组比较接近。以 R134a机组为基准，制冷剂充注量相同情况下，制冷量增加了2.34%，输入功率 增大6.14%，COP下降3.48%，吸排气管路压降比R134a机组稍高，冷凝压力及蒸发压力比R134a机组稍高，排气温度比R134a机组低。R513A机组的IPLV相比R134a机组下降3.52%。

 

3．１．２　冷却水进水温度对机组性能的影响

蒸发器在相同冷冻水流量及冷冻水出水温度（分别取7℃和10℃）条件下，采用2种制冷剂时制冷量、功率、COP以及排气温度与冷却水进水温度的关系。由图3～图6可得，在相同冷冻水出水温度下，随着冷却水进水温度上升，机组制冷量下降，机组功率上升，机组COP下降，机组排气温度上升。

相同工况下，R513A机组制冷量平均高于R134a机组23%，功率平均高于R134a机组5.7%，COP平均低于R134a机组3.2%，排气温度均低于 R134a机组。试验结果与理论制冷循环分析结果趋势相一致。　　

无论是 R513A机组还是 R134a机组，相同冷却水进水温度条件下，随着冷冻水出水温度上升，机组制冷量和功率均有所增大，且增加幅度基本相同，冷冻水出水温度提高１℃，机组制冷量上升约3.7%，功率上升约0.35%。

３．１．３　水侧流速对蒸发器总传热系数的影响

对于蒸发器侧，机组测试条件为冷冻水出水温度7℃（水温控制精度±0.2℃），恒定热流密度（控制范围±1％），通过改变蒸发器水侧流速（1~3.1ｍ/ｓ）测得制冷量、蒸发温度、冷冻水进出温度、冷冻水流量，利用式（１）计算蒸发器的总传热系数。q＝kfΔtm（1）式中：Ｋ为蒸发器总传热系数（w/（m２·k））；Δｔｍ为对数平均温差（℃）；Q为蒸发器的换热量（w）；F为蒸发器的传热面积（m２）。

结果表明（见图7），随着冷冻水流速的增加，蒸发器总传热系数上升，当流速大于2.7%m/s时，总传热系数变化逐渐平稳，且流速在1~3.1m/s范围内时R513A的总传热系数均略低于 R134a。

 

３．２　螺杆式地源热泵机组试验结果与分析

依据GB/T19409-2013名义工况，即名义制冷使用侧7℃出水，地埋管侧25℃进水，名义制热使用侧45℃出水，地埋管侧10 ℃进水条件下进行测试。

以R134a机组为基准，R513A机组和R134a机组性能如表4所示，在制冷剂充注量相同情况下，与R134a机组相比，R513A机组的制冷量增加了1.26%，制冷输入功率上升2.6%，EER下降1.24%；

制热量增加了4.73%，制热输入功率上升2.1%，COP上升2.56%，全年综合性能系数（ACOP）二者近似相等。与螺杆式冷水机组试验结果相比，螺杆式地源热泵机组采用这2种制冷剂时的性能试验结果更接近。

 

４　结束语

   

为分析 R513A作为 R134a制冷剂的替代可行性，在R134a螺杆式冷水（热泵）机组基础上，结合R513A制冷剂特性对螺杆式冷水（热泵）机组重新进行设计及系统匹配，并针对分别采用2种制冷剂的螺杆式冷水（热泵）机组在名义工况条件下以及变工况条件下的运行性能进行对比测试，得到以下结论：

１）由理论循环特性分析可以看出，相同工况下，R513A系统制冷剂流量比R134a大，节流阀开度可放大20%左右。润滑油可不作变更，仍采用合成醇脂类冷冻油（POE）。

２）无论是螺杆式冷水机组还是螺杆式地源热泵机组，在相同工况下，R513A机组的制冷量略高于R134a机组；制冷能效略低于R134a机组；吸排气管路压降略高于 R134a机组；排气温度比R134a低。

３）R513A螺杆式冷水机组的IPLV比R134a机组略低，蒸发器综合传热系数略低于R134a机组。

４）R513A 螺杆式地源热泵机组的ACOP 与R134a机组近似相等；制热量比R134a机组高4.73%；名义制热能效比R134a机组略高。

 

综上所述，R513A可以作为R134a的替代制冷剂应用于螺杆式冷水（热泵）机组。