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R513A具有與R134a相近的基本物性,，如沸點,、臨界溫度和臨界壓力等，符合當(dāng)前保護臭氧層,、緩解全球變暖的要求,，且R513A屬于共沸制冷劑，沒有溫度滑移,。R513A被認(rèn)為可作為R134a冷水機組直接替代使用的制冷劑,。 本文我們將基于2種制冷劑的物性進行熱力循環(huán)分析，結(jié)合制冷劑特性重新進行機組設(shè)計及系統(tǒng)匹配,，通過變工況試驗分析R513A替代R134a應(yīng)用于螺桿式冷水（熱泵）機組的可行性,。 R513A是由R134a和R1234yf（質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為44：56）組成的二元共沸混合制冷劑，其ODP值為0，GWP值為573,，基本物性與R134a非常接近（見表１）,。R513A無毒，不可燃（ASHARE認(rèn)定安全性A1）,。
１）對臭氧層沒有破壞作用，其GWP值小于R134a,，符合當(dāng)前保護臭氧層,、減緩全球變暖的要求。2）在相同溫度下,，R513A飽和壓力值與R134a非常接近（見圖1）,，并且溫度越低時，兩者的飽和壓力差值越小,。結(jié)合表1中兩者標(biāo)準(zhǔn)沸點,、臨界溫度和臨界壓力等參數(shù)，說明R513A與R134a的物性參數(shù)基本接近,。R513A的熱工特性適合用于直接代替R134a,。將制冷劑R513A和R134a在相同吸氣體積流量，蒸發(fā)溫度5℃,，冷凝溫度45℃,，過冷度5K，過熱度10K,，等熵效率0.7的設(shè)計工況下進行理論循環(huán)特性對比,，見表２。
１）R513A的蒸發(fā)壓力,、冷凝壓力均與R134a基本相當(dāng),，且兩者的壓比相差不大；２）R513A質(zhì)量流量比R134a高,，R513A單位容積制冷量較R134a略高,，R513A性能系數(shù)COP略低于R134a；３）R513A的排氣溫度比R134a低,。通過理論循環(huán)特性分析可以看出,，R513A制冷劑可以應(yīng)用于R134a冷水（熱泵）機組，可考慮作為直接替代制冷劑使用,。試驗系統(tǒng)由水系統(tǒng),、制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。性能試驗室通過美國AHRI認(rèn)證,，測試制冷（熱）能力范圍為600~3000kW，冷（熱）水溫度范圍為5~55℃。試驗裝置主要由恒溫水箱,、冷水機組,、板式換熱器及冷卻塔等組成，如圖2所示,。
被試機的冷凍水和冷卻水之間通過兌水實現(xiàn)部分水的熱交換,，多余的熱量通過加水泵轉(zhuǎn)移至恒溫水箱，冷水機組和冷卻塔可根據(jù)實際需要對恒溫水箱進行降溫,。采用液體載冷劑法進行機組性能測試,。試驗樣機共4臺，R513A和R134a螺桿式冷水機組各1臺,，R513A和 R134a螺桿式地源熱泵機組各１臺,。R134a螺桿式冷水（熱泵）機組根據(jù)R134a制冷劑物性進行選型設(shè)計。R513A螺桿式冷水（熱泵）機組分別在 R134a螺桿式冷水（熱泵）機組基礎(chǔ)上結(jié)合R513A 制冷劑特性進行機組設(shè)計及系統(tǒng)匹配,。主要從以下幾方面進行優(yōu)化設(shè)計：與 R134a相比,，相同工況下R513A的壓比略小于R134a，壓縮機的內(nèi)容積比改變,，通過更改壓縮終了排氣口的位置以降低壓縮機的內(nèi)容積比,，從而提高壓縮機效率。由于R513A的排氣溫度低,，壓縮機轉(zhuǎn)子變形小,，轉(zhuǎn)子與星輪之間嚙合間隙減小0.01~0.02mm，輸氣量可提升0.5%~2%,。相同排氣量的壓縮機在相同工況下運行,，R513A制冷劑質(zhì)量流量比R134a高，節(jié)流閥容量設(shè)計或開度設(shè)置相應(yīng)加大20%左右,。吸排氣管路壓降比R134a機組略高,，考慮對機組性能影響不大，吸排氣管徑可不做修改,。相同管路R513A機組液體流速比R134a機組高22%,，液體管路過大的壓降會使液體管路中產(chǎn)生閃發(fā)蒸氣，從而影響節(jié)流閥控制和調(diào)節(jié)流量的能力,。故液體管路須重新優(yōu)化設(shè)計,，確保液體流速控制在1.5m/s以內(nèi)。從提高換熱效率,、降低壓力損失,、減小制冷劑充注量的角度進行優(yōu)化。４臺試驗樣機蒸發(fā)器均采用降膜式結(jié)構(gòu),。分配器是降膜式蒸發(fā)器中的關(guān)鍵部件,，通過CFD仿真分析實現(xiàn)制冷劑均勻分配,。相同工況下R513A的排氣溫度比R134a低，節(jié)流閥的排氣過熱度控制目標(biāo)值須適當(dāng)調(diào)整,，水冷工況運行排氣過熱度目標(biāo)值調(diào)低４℃左右,。螺桿式冷水機組主要由螺桿式壓縮機、外置油分離器,、帶過冷裝置的冷凝器,、電子膨脹閥、降膜式蒸發(fā)器,、引射泵,、壓力傳感器、溫度傳感器,、連接管路及控制部件等組成,。按照GB/T18430.1-2007《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機組第１部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機組》的測試要求，分別測試樣機在名義工況,、部分負(fù)荷工況,、變工況、變流量等條件下的性能,。螺桿式地源熱泵機組主要由螺桿式壓縮機,、二次油分離器、帶過冷裝置的冷凝器,、干燥過濾器,、電子膨脹閥、降膜式蒸發(fā)器,、引射泵,、噴液裝置、壓力傳感器,、溫度傳感器等組成,。按照GB/T19409-2013《水（地）源熱泵機組》的測試要求進行測試，試驗用的樣機按地埋管運行工況測試名義制冷（熱）性能,。依據(jù) GB/T18430.1-2007規(guī)定的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)（IPLV）計算方法,，結(jié)合變工況測試數(shù)據(jù)計算可得：在名義工況（冷凍水出水溫度=7℃，冷卻水進水溫度=30℃下,，R513A和R134a機組性能對比結(jié)果如表3所示,，R513A 機組測試結(jié)果與R134a機組比較接近。以 R134a機組為基準(zhǔn),，制冷劑充注量相同情況下,，制冷量增加了2.34%，輸入功率 增大6.14%,，COP下降3.48%,，吸排氣管路壓降比R134a機組稍高,，冷凝壓力及蒸發(fā)壓力比R134a機組稍高，排氣溫度比R134a機組低,。R513A機組的IPLV相比R134a機組下降3.52%,。
蒸發(fā)器在相同冷凍水流量及冷凍水出水溫度（分別取7℃和10℃）條件下，采用2種制冷劑時制冷量,、功率、COP以及排氣溫度與冷卻水進水溫度的關(guān)系,。由圖3～圖6可得,，在相同冷凍水出水溫度下，隨著冷卻水進水溫度上升,，機組制冷量下降,，機組功率上升，機組COP下降,，機組排氣溫度上升,。
相同工況下，R513A機組制冷量平均高于R134a機組23%,，功率平均高于R134a機組5.7%,，COP平均低于R134a機組3.2%，排氣溫度均低于 R134a機組,。試驗結(jié)果與理論制冷循環(huán)分析結(jié)果趨勢相一致,。 無論是 R513A機組還是 R134a機組,，相同冷卻水進水溫度條件下,，隨著冷凍水出水溫度上升，機組制冷量和功率均有所增大,，且增加幅度基本相同,，冷凍水出水溫度提高１℃，機組制冷量上升約3.7%,，功率上升約0.35%,。３．１．３ 水側(cè)流速對蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)的影響對于蒸發(fā)器側(cè)，機組測試條件為冷凍水出水溫度7℃（水溫控制精度±0.2℃）,，恒定熱流密度（控制范圍±1％）,，通過改變蒸發(fā)器水側(cè)流速（1~3.1ｍ/ｓ）測得制冷量、蒸發(fā)溫度,、冷凍水進出溫度,、冷凍水流量，利用式（１）計算蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù),。q＝kfΔtm（1）式中：Ｋ為蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)（w/（m２·k））,；Δｔｍ為對數(shù)平均溫差（℃）,；Q為蒸發(fā)器的換熱量（w）；F為蒸發(fā)器的傳熱面積（m２）,。
結(jié)果表明（見圖7）,，隨著冷凍水流速的增加，蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)上升,，當(dāng)流速大于2.7%m/s時,，總傳熱系數(shù)變化逐漸平穩(wěn)，且流速在1~3.1m/s范圍內(nèi)時R513A的總傳熱系數(shù)均略低于 R134a,。３．２ 螺桿式地源熱泵機組試驗結(jié)果與分析依據(jù)GB/T19409-2013名義工況,，即名義制冷使用側(cè)7℃出水，地埋管側(cè)25℃進水,，名義制熱使用側(cè)45℃出水,，地埋管側(cè)10 ℃進水條件下進行測試。以R134a機組為基準(zhǔn),，R513A機組和R134a機組性能如表4所示,，在制冷劑充注量相同情況下，與R134a機組相比,，R513A機組的制冷量增加了1.26%,，制冷輸入功率上升2.6%，EER下降1.24%,；制熱量增加了4.73%,，制熱輸入功率上升2.1%，COP上升2.56%,，全年綜合性能系數(shù)（ACOP）二者近似相等,。與螺桿式冷水機組試驗結(jié)果相比，螺桿式地源熱泵機組采用這2種制冷劑時的性能試驗結(jié)果更接近,。
為分析 R513A作為 R134a制冷劑的替代可行性,，在R134a螺桿式冷水（熱泵）機組基礎(chǔ)上，結(jié)合R513A制冷劑特性對螺桿式冷水（熱泵）機組重新進行設(shè)計及系統(tǒng)匹配,，并針對分別采用2種制冷劑的螺桿式冷水（熱泵）機組在名義工況條件下以及變工況條件下的運行性能進行對比測試,，得到以下結(jié)論：１）由理論循環(huán)特性分析可以看出，相同工況下,，R513A系統(tǒng)制冷劑流量比R134a大,，節(jié)流閥開度可放大20%左右。潤滑油可不作變更,，仍采用合成醇脂類冷凍油（POE）,。２）無論是螺桿式冷水機組還是螺桿式地源熱泵機組，在相同工況下,，R513A機組的制冷量略高于R134a機組,；制冷能效略低于R134a機組,；吸排氣管路壓降略高于 R134a機組；排氣溫度比R134a低,。３）R513A螺桿式冷水機組的IPLV比R134a機組略低,，蒸發(fā)器綜合傳熱系數(shù)略低于R134a機組。４）R513A 螺桿式地源熱泵機組的ACOP 與R134a機組近似相等,；制熱量比R134a機組高4.73%,；名義制熱能效比R134a機組略高。綜上所述,，R513A可以作為R134a的替代制冷劑應(yīng)用于螺桿式冷水（熱泵）機組,。
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