1 引言

冷媒R22因其具有较好的热力性能及安全性能而在家用空调领域应用广泛，但其ODP（臭氧消耗潜能值）=0.034，按《蒙特利尔协议》，属于要被淘汰的制冷剂。冷媒R410A的ODP=0，被认为可以安全替代R22，但其GWP（全球变暖潜力）=2000，比R22还高，根据京都议定书，R410A仍要被淘汰。R290冷媒属于自然冷媒，ODP=0，GWP=20，且热力性能优良，容易获取，价格低廉，与普通润滑油和机械结构材料兼容性好，被认为是替代R410A的冷媒之一。[2]

R290在家用制冷设备，就性能而言，待解决的难题是系统制热量不高，在制冷量3500W以上的机种，暂时未达到热冷比1.1倍的国家强制要求[5]，其应用和推广受到影响。目前空调厂家解决R290制热量低的方法主要采用变频技术，但如果横向比较，如R22、R410A采用变频技术的制热量仍比R290要高。

R290制热量不高，普遍认为是系统冷媒充注量受到限制的原因导致，而采用小管径换热器、微通道换热器被视为解决冷媒充注量少的可行办法[3]，国内外很多研究机构、大专院校等对小管径换热器在R290制冷系统的应用上做了很多工作，但基本集中于R290制冷系统的制冷性能方面，制热性能一直未得到有效解决。

引导基金首期规模2 000万元，经过10年的发展，规模12.53亿元，而截至2018年6月底，国内平均单支政府引导基金规模约为50亿元，远低于全国平均水平。与同获得中国政府引导基金前20强的其他引导基金相比也有较大差距。这大大降低了引导基金对优秀投资机构、投资团队的吸引力，对社会资本的撬动作用有限，远远不能满足科技型中小企业融资需求。

广东美芝制冷设备有限公司先行研究中心的系统研究模块致力于压缩机及周边部件应用方面的研究，有关换热器冷媒流程的模拟做了比较细致的工作，特别是近两年，掌握了换热器冷媒流程的模拟方法，指导性能工程师的换热器开发，提高开发效率，节省试验资源。本文就是在此基础上，对φ5换热器冷媒流程针对R290冷媒实施优化，找出最优方案，再实施系统验证匹配。

g为重力加速度；

2 R290性质分析

2.1 R290热力物理性质分析

通过对R290与R22、R410A在-10℃～60℃时的导热系数、比热、汽化潜热、粘度的比较，可以得到，在此常用温度区间，R290具有更高的导热系数、比热和汽化潜热，具有更小的粘度，说明R290制冷系统具有较低的排气温度、较小的压比、较少的冷媒充注量和更好的冷媒流动性，其热力性质相对R22、R410A并不差[3]。

  

图1 不同冷媒的定压比热

  

图2 不同冷媒的导热系数

  

图3 不同冷媒的液体粘度

  

图4 不同冷媒的汽化潜热

按以上分析可以得出，R290制热量不足，应和冷媒性质无关。在排除R290冷媒物理性质没有问题的前提下，R290空调器制热量不足应该同冷媒充注量受限有很大关系，为此，我们设计了后述方案一的试验进行验证，并得到了制冷量、制热量同冷媒充注量关系的图（图9），可以看出，对应制热工况，随着冷媒量的增加，制热量增幅趋于稳定，制热量一直增加，至冷媒量为720g时达到峰值，而2HP机冷媒限制为420g，制热所需冷媒偏少约71.4%，但其峰值并未达到5610W以上，也就是说，在R290冷媒2HP空调器系统，冷媒充注量受限只是制热量不足的原因之一，应该还有其他因素，比如室外换热器偏小、换热器需针对R290冷媒设计等。

在系统中，一般认为冷媒比容大会影响冷媒循环流量，但可以增加压缩机排量来弥补该缺点[3]。但对于换热器来说，液态冷媒在管路中蒸发变为饱和气体，如果气体容积大，需要用较粗管径的换热器更为合适，R290冷媒比容与其他冷媒比较，见图5。可以看出，在相同饱和温度条件下，R290冷媒的比容约为R22比容的2倍，R410A比容的3倍。目前在空调中，R22系统直径铜管换热器居多，R410A系统用φ7换热器居多，如果不考虑R290冷媒充注量受限问题，R290空调系统用φ9.52较合适，其次是φ7管换热器，但R290属于A3冷媒，系统冷媒充注量受到严格限制，为了减少冷媒充注量，则采用小管径换热器，如φ5管径换热器。小管径换热器与φ7、φ9.52管径换热器的差别，在压降方面的表现为，用做冷凝器时，因大部分冷媒是液态，并且冷媒流速慢，换热器压降均较小，差别不会太大，如R410A冷媒用φ7冷凝器，实测压降一般在0.02MPa左右；但用作蒸发器时，整个冷媒流程均有气体，且气体相对偏多，流速快，压降大，如R410A冷媒冷凝器用做蒸发器时，实测压降一般在0.2～0.3MPa，此时，如果换热器不针对R290冷媒设计，压降影响就会更大。

研究发现，镁能够减少急性心肌梗塞(AMI)患者心源性休克的发生率，此外，在给一些慢性缺血性心脏病和心力衰竭患者静脉注射氧化镁，给镁后体循环和肺循环血管阻力明显降低，平均动脉压和肺动脉压下降，而左右心室充盈压未受影响。这种血流动力学效应使得心脏后负荷减轻，因而可以改善心肌的氧供/需关系。

2.2 相同压降条件下，不同冷媒温度比较

用EVAP-COND软件模拟[1]，R290冷媒，按样机用φ5换热器的参数输入，在相同条件下，对不同冷媒流程模拟比较，见图7和图8，图中显示数字是单根管的压降。

2.3 φ5管替代φ7管相同冷媒流程数的阻力损失分析[4]

对于换热器单个流程，流体在管道中的沿程阻力损失hl为：

Impacts of cloud-radiative forcing on tropical cyclone intensification and structure

 

式中：

λ为沿程阻力系数；

U为冷媒在管中的平均流速；

l为沿程管长；

为了尽可能降低在房屋建筑过程中发生冷桥现象，目前国内很多建筑商在进行房屋构建层面，一般会采取保温层建设的方式进行该现象的规避。常用的材料为聚苯板，这种材料不仅能够更好的满足房屋保温需求，而且在使用过程中起成本相对较低，使用范畴非常广泛。

其中，δij为（Kronecker delta）符号，当i=j时，δij=1，当i≠j时，δij=0，Eij为变形率的时均分量，k为湍动能，μt 为湍流运动黏度。在该理论的指导下，FLUENT提供了多种湍流模型，其中，RNG k-ε 模型是最适合用于计算船舶黏性流场。其耗散率 ε 与湍动能k的输运方程为:

A和B为铜管上两个截面；

对于林业来说，火灾是最大的威胁。火灾会大面积破坏森林资源，烧毁大量植物，减少森林覆盖面积，所以必须要加强火灾的预防工作。林业保护部门自身应该具备十分全面的森林防火知识，制定行之有效的应对措施，同时保持高度的警惕，时时刻刻做好防范工作。此外，在一些节假日，严禁人们在森林开展带有火种的活动，避免这些活动引起火灾，烧毁森林植物。同时，林业保护部门也要加大预防森林火灾的宣传力度，提高人们防范火灾的意识，只有这样才能够有效降低森林发生火灾的概率[3]。

EVAP-COND是美国国家标准和技术学会（NIST）开发的换热器仿真软件[1]，其模拟结果较实际测试结果存在一定差别，但软件的部分结果仍有较强的指导意义，且该软件是免费的，应用较广泛，故本文采用该软件进行说明。

而沿程阻力系数λ与Re有关。

局部阻力损失hm为：

本文采用主观与客观结合的机制对系统的性能进行评估。主观评价直接对搜索查询的准确性和范围进行比较，准确性评价以输出的关键词“包装、印刷、网站”同时出现作为标准，范围评价以出现的有效网页数为标准，可依据搜索查询结果显示的关键词和一些知名的包装及印刷网站的搜索查询结果进行统计实现，还可以通过对实验中所使用的垂直搜索引擎的“爬取网页总数量”和“发现率”进行统计实现。客观评价则以查全率、查准率和响应时间为主要评估依据。相关统计数据见表1 和表2 所示。

 

式中：ξ为局部阻力系数，同截面形状变化有关。

从式1和式2可以看出，沿程阻力损失和局部阻力损失均同平均流速的平方成正比。而φ5管换热器的内直径约为φ7换热器的0.7倍，如果φ5管流程与φ7相同，则φ5管换热器的压力损失为φ7换热器的4倍多。

因局部阻力损失较小，可忽略，换热器流程可视为长管，流体在长管中的伯努利方程为：

 

式中：

d为管径；

鉴于以上分析，试验用φ5换热器摒弃目前通用的“过冷管”的冷媒流程设计方案。

3.油地工作涉及的国家政策法律法规及政府管理部门多。随着市场经济的进一步深入及各项法律法规的逐步颁布实施，油田在生产建设施工过程中，涉及到的相关法律法规和与之对应的行政管理和执法部门也愈来愈多，为油地工农关系协调工作增加了难度。由于地方政府很多事关油田的政务分散在各个部门，这些部门分工精细、条块分割、多头管理，办理起来比较繁琐。各部门都有自己的规定和标准，有一个环节不顺畅，整个项目就要受阻，导致工作无法继续。

表示势能；

表示动能；

hf为水头损失；

因动能变化和压力变化不大，且由连续性方程Q=V1 A1=V2 A2，最后简化为：

 

式中：Q为容积流量；

对于有n路的并联管，有Q=Q1+Q2+…+Qn，且hl=h1=h2=…=hn

  

图5 不同冷媒的比容

  

图6 不同冷媒2℃附近饱和温度随压降变化的趋势

  

图7 流程a的压降图

  

图8 流程b的压降图

 

表1 压缩机单体性能

  

压缩机型号 性能 测试工况制冷量 功率 能效 电源DSG340S1UFT 5140 1465 3.50 230V/50Hz ASH DSF360V1UFT 5565 1620 3.45 230V/50Hz ASH

 

表2 试验方案

  

方案 蒸发器 冷凝器 备注管外径 排数 长U管数 管外径 排数 长U管数1 φ7 2 16 φ7 1.9 24 原系统2 φ7 2 16 φ5 2 24 内机不变/2HP外机/2排φ5冷凝器2 φ7 2 16 φ5 3 36 内机不变/2HP外机/3排φ5冷凝器3 φ7 2 16 φ5 1.6 42 内机不变/2.5HP外机/1.6排φ5冷凝器4 φ7 2 16 φ5 1.6 42 蒸发器流程改善//2.5HP外机/1.6排φ5冷凝器

 

表3 冷媒充注量420g时制冷（热）量测试情况

  

方案 制冷 制热 备注制冷量w EER w/w 制热量w cop w/w 1 4990 2.95 5155 3.40 2制热室外结霜3----制热室外结霜----4 4900 3.20 5460 3.40 5 4940 3.15 5630 3.40

  

图9 方案1 不同冷媒量的制冷（热）量

  

图10 R290制热量提高说明图

换热器管径相同，各支路管长相当时，有：

 

代入式（5），可得，当n=2时，φ5换热器与φ7换热器的换热器沿程阻力损失相当。

换热器可能有串联支路，在串联管中，有Q=Q1=Q2=…=Qn，hl=h1+h2+…+hn，从阻力损失角度看，串联支路对压损影响较大。

所以，R290冷暖空调器的室外换热器，为了减小整体压损，建议用并联支路的流程方式，且φ5管的冷媒流程数是原φ7冷媒流程数的2倍左右。

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2.4 用EVAP-COND软件的模拟验证

当制热时，室外换热器用做蒸发器，在GB制热条件下，其温度一般在0℃附近，通过应用制冷剂物性软件计算，得到图6，从饱和温度随压力下降的趋势变化，可以看到，在饱和温度0℃附近，随着压降的增加，R290饱和温度下降幅度明显大于R22和R410A，即在相同压降时，R290换热器可能较其他冷媒更早结霜而导致制热量不足。所以，R290用室外换热器的冷媒流程设计时更要注意减小压降。

流程a为6-1形，现在室外机比较常见的流程。流程b为6进6出的流程，在室内蒸发器比较常见，但室外冷凝器几乎不用，室外冷凝器一般采用有“过冷管”的冷媒流程，如图a中流程的汇总的那根长U管即为“过冷管”。

流程a的总压降约为流程b的总压降的2.8倍，其中1根“过冷管”的压降占流程a总压降的60%，并且流程的分流/汇合处存在较大的形阻压降，表明在这种截面积有变化的流程，其局部阻力损失其实不能忽略。

在做一些练习题的时候，教师可以引入竞争的机制，充分调动学生的参与积极性。（1）扩大练习面，要照顾到每一位学生。在学生练习过程中教师要不断了解情况，根据不同层次的学生采取有针对性的措施，调动他们的学习积极性，提高练习效率。（2）经过一段时间的练习，教师要筛选出有代表性的题目，做成卡片或结合实际，加强巩固学生的知识，使其能够稳步提高。（3）对于计算有一些困难的学生，教师要弄清楚他们的问题出在哪里，要帮助他们有效地解决困难，努力消除学生心理上的负担，提高他们的自信心。

3 试验准备及试验方案

3.1 样机及实验室

试验用空调器选用国内某品牌的型号为CE-KFR53W/N1-BA30(B8)，电源为230V/50Hz，原系统为R410A系统，该系统为出口欧洲机型，出口欧洲机型的实测制热量不低于铭牌值的88%，该机种铭牌值制热量为5830W，换用R290冷媒，目标制冷量5100W，目标制热量5610W。

室内蒸发器有16根φ7长U管，铜管总长度约24030mm，室外冷凝器采用1.9排φ7，24根长U管，铜管总长度约34560mm。试验共用两台压缩机，其单体测试数据见表1。

实验室选用R290专用防爆的3HP高精度焓差室，为2012年制造并交付使用，每月用标准窗机实施标定后使用。

3.2 试验方案

试验方案见表2。

某碳酸盐岩气田主要含气目的层为二叠系长兴组，在长兴组底部钻遇底水层。该气田构造简单，整体表现为NNE走向的大型长轴断背斜型构造，地层倾角约为6°。

注：原室内φ7蒸发器为16根长U管，如换用φ5管换热器，长U管数为19根，其冷媒侧换热面积减少了约18%，未采用，只是对室内蒸发器流路模拟优化。2HP外机，如采用2排的φ5管冷凝器，冷媒侧换热面积减少近20%，所以也无采用。采用表1方案，可保证φ5换热器冷媒侧换热面积同φ7换热器相比，基本相当，同时内容积减少30%左右，从而来减少冷媒充注量。

生理实验课设置的一般都是验证性实验,学生动手完成这样的一些实验，兴趣仍然很高.但由于缺乏操作技能方面的培训,仅有老师在实验前讲授一些操作要领,许多学生不能很好领会和操作，时常导致实验失败，从而使学生学习生理学的积极性下降.另外，还会出现两极分化的现象，即操作技能好的同学经常操作，而操作技能不好的同学始终不动手，从而导致学生实验技能发展极为不平衡，并出现抄袭实验报告的现象.

4 试验结果

4.1 方案1不同冷媒量的比较

原系统充不同冷媒量，每个冷媒量均匹配调试至性能最佳时数据比较，见图9。

从图9中看出，冷媒量从320g到470g，制冷量改善较大，但再追加系统冷媒，制冷量变化不明显，说明在470g之前，冷媒量偏少是制热量低的主要原因。而制热工况，在420g之前随着冷媒量增加，制热量增加较明显，继续追加冷媒量，制热量增幅较稳定，持续增大。其制冷量最大值对应冷媒充注量为570g左右，制热量最大值对应冷媒充注量为720g。

换用DSF360压缩机，充420g冷媒时制热量同DSF340压缩机充470g冷媒相当，但也远远无法满足热冷比1.1倍时制热量5610W的要求。

4.2 其他方案测试比较结果

表2是方案1～5在冷媒充注量420g，用DSF360测试制冷（热）量测试结果，其中方案2制热室外换热器容易结霜，制冷未实施，经分析，其冷媒侧换热面积约为原φ7换热器的79%，推测冷媒侧换热面积减小是方案2室外换热器结霜的主要因素；方案3是在方案2的基础上，增加一排换热器，但仍容易结霜，经测量片距为1.2～13之间，推测片距太密，风阻太大，导致室外换热器在额定制热时容易结霜，制冷未实施；方案4是换用了2.5HP外机钣金，增大换热器迎风面积，采用2排换热器，冷媒侧换热面积是原φ7换热器的1.3倍，容积约为91%，容积减小的不多。

方案5在方案4的基础上，通过对室内蒸发器流程模拟优化，原流程数为4，模拟后流程数改为3，并且室外换热器由原来的2排改为1.6排，以继续减少内容积，来减少冷媒充注量，其制热量得到较大提升。

其中方案5的制热量/制冷量＞1.1，满足标准要求，但也要注意，其室外换热器采用n进n出的流程，其流程数太多，对系统设计、匹配调试、生产、可靠性等均提出较大挑战。

5 小结

通过2HP机不同冷媒量比较，得出2HP机制热量不足的原因有2个，冷媒充注量不足和室外换热能力偏小。对R290热力性质分析，得出R290冷媒热物理性质不差，但在0℃附近，随着压力降低，R290冷媒温度降低相对较大，这将导致制热时室外换热器容易结霜，且R290气体容积大，如不考虑冷媒量受限问题，应采用大管径的换热器比较合适，但R290属于A3冷媒，冷媒充注量受到严格限制，需要用小管径换热器来减少内容积来减少冷媒充注量，而换热器管径不同必将带来冷媒流程的不同，小管径换热器更需要针对R290进行设计。

通过理论分析和用EVAP-COND对换热器流程模拟，得出R290冷媒用小管径室外换热器的冷媒流程适于采用n进n出的方式，可以有效减小压降，并应用在试验中。

最后，在2HP机上实现了热冷比1.1倍的目标要求，制热量高于5610W。用图形简单说明，见图10。

参考文献

[1] Domanski，P.A., Yashar, D., Kaufman, K.A.,2008. Finned-Tube Heat Exchanger Simulation Program With Refrigerant Circuitry Optimization Capability, Challenges to Sustainability. Design and operation of environmentally friendly refrigeration an A/C system.Proceedings. October 15-17, 2008,Poznan, Poland.

[2] 高晶晶，丁国良，王婷婷，高屹峰，宋吉. R290空调器的优化设计原则. [J] 制冷技术，Vol.33 No1.Mar.2013.

[3] 李红旗. R290房间空调器制热性能提升研究. 房间空调器行业HCFC-22替代技术国际交流会 2015.11.04.

[4] 林建忠，阮晓东，陈邦国，王建平，周洁，任安禄. 流体力学 [M]，北京：清华大学出版社，2005.

[5] GB/T 7725-2004 . 房间空气调节器，2004.

[6] IEC 60335-2-40 (2013) . Household and similar electrical appliances-Safety-Part 2-40: Particular requirements for electrical heat pumps, air-conditioners and dehumidifiers.

[7] GB 4706.32-2012 热泵、空调器和除湿机的特殊要求，2012.