天然制冷劑R290用于熱泵干衣機能效實驗研究
劉永利，邵雙全
華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院
獨立式熱泵干衣機目前主流制冷劑以HFCs類R134a為主，其全球變暖潛值(GWP)高達1 430。天然制冷劑R290屬于HCs類制冷劑，GWP小于20。本文基于天然制冷劑R290與R134a的物理和熱力學(xué)性質(zhì)對比分析，對獨立式熱泵干衣機熱泵循環(huán)系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計和實驗研究，最終確定蒸發(fā)器采用φ7 mm管徑銅管和2.2 mm片距的親水平片，冷凝器采用φ5 mm管徑銅管和1.5 mm片距的非親水平片，壓縮機采用排量為8.1 mL的R290制冷劑壓縮機，節(jié)流裝置采用管徑φ1.0 mm和長度820 mm的毛細管。測試結(jié)果表明：R290用于獨立式熱泵干衣機熱泵循環(huán)系統(tǒng)，在滿足國際、國家和歐洲標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于A3類制冷劑充注量限制的要求下，即對于A3類制冷劑，若其充注量不大于0.15 kg時，則沒有房間體積限制。在R290充注量為0.15 kg時，熱泵干衣機能效指標(biāo)為23.0，可達到歐洲現(xiàn)行干衣機能效等級標(biāo)準(zhǔn)最高等級A+++。
干衣機是歐美地區(qū)普及率相當(dāng)高的家電產(chǎn)品, 2019 年普及率分別為 31. 5%和 76. 2%,而同期在我國的普及率不足 1%。據(jù)中怡康機構(gòu)預(yù)計,干衣機近幾年在我國已經(jīng)進入快速增長期。
自 2020 年以來, 干衣機市場呈現(xiàn)出量價齊升的特點,其中效率更高、 使用體驗更好的獨立式熱泵干衣機正在加速占領(lǐng)市場。
當(dāng)前熱泵干衣機多數(shù)使用 HFCs 類 R134a 制 冷劑,屬于低慢性毒性且無火焰?zhèn)鞑サ?A1 類制冷劑,在“2030 年碳達峰,2060 年碳中和”目標(biāo)與《蒙特利爾議定書》基加利修正案關(guān)于中國 HFCs 類制冷劑 的限控時間表要求下(即自 2024 年開始凍結(jié),2029 年削減 10%,最終2045年實現(xiàn)削減 80%),天然制冷劑的推廣使用速度將加快。
天然制冷劑 R290 的使用研究主要集中于減少其在系統(tǒng)中的充注量,優(yōu)化換熱器尺寸和壓縮機排量等。
本文基于 HCs 類天然制冷劑 R290 與 HFCs 類制冷劑 R134a 的物理和熱力學(xué)性質(zhì)等對比分析, 提出在獨立式熱泵干衣機中使用 R290,并進行了熱泵干衣機熱泵循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和實驗研究。
熱泵干衣機利用熱泵干燥原理將循環(huán)空氣中的水分以冷卻除濕的方式除去。
熱泵干衣機系統(tǒng)如圖 1 所示,主要包含兩個循環(huán)系統(tǒng):1)空氣干燥循環(huán)系統(tǒng)；2)熱泵循環(huán)系統(tǒng)。
熱泵干衣機能效不僅取決于熱泵循環(huán)系統(tǒng),同時也取決于滾筒電機和其他電子元器件。國家和國際標(biāo)準(zhǔn)明確了家用滾筒式干衣機性能測試方法。
基于國際標(biāo)準(zhǔn),歐洲推出了家用滾筒式干衣機性能測試方法和家用滾筒式干衣機能效標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn),其能效指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。
R290 與 R134a 的對比分析如表 2 所示。
從全球變暖潛值GWP對比分析, HCs 類天然制冷劑 R290 小于20,對全球變暖影響很小,而 HFCs 類制冷劑 R134a 高達 1 430,對全球變暖影響較大。
基于對 R290 和 R134a 的對比分析,說明 R290 應(yīng)用于熱泵干衣機理論上是可行的。
因此,采用某品牌容量為 8 kg,制冷劑為 R134a 的熱泵干衣機,重新進行壓縮機的選型,對蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流裝置進行適合 R290 的優(yōu)化設(shè)計,并進行熱泵干衣機的能效指標(biāo)測試研究,最終確定熱泵系統(tǒng)部分規(guī)格如表 3 所示。
因蒸發(fā)器需要從低溫高濕的循環(huán)空氣中冷凝水分并依靠水的重力排出水分,因此選擇了帶有親水涂層的翅片且翅片間的片距較大。采用管徑為7 mm的銅管有利于保證足夠的質(zhì)量流量和較低的壓降。
蒸發(fā)器的管路走向如圖 2 所示。
冷凝器在熱泵循環(huán)系統(tǒng)中主要作用是與經(jīng)過蒸發(fā)器之后的低溫低濕循環(huán)空氣換熱且R290的質(zhì)量流量小,因此,采用非親水翅片,片距小于蒸發(fā)器片距,采用管徑 5 mm銅管。
冷凝器管路走向如圖 3 所示。
根據(jù)歐洲家用滾筒式干衣機性能測試方法 , 干衣機能效指標(biāo)測試在標(biāo)準(zhǔn)工況下進行。標(biāo)準(zhǔn)工況即環(huán)境溫度為 21~25 ℃ ,環(huán)境相對濕度為50%~60%。測試時使用標(biāo)準(zhǔn)負載棉布,干衣機運行指定的測試模式,自動判斷干衣結(jié)束。
8 kg 滾筒容量負載要求說明如表 4 所示。
測試結(jié)果如表 5 所示,
熱泵干衣機性能測試在焓差室中進行,其中初始布重量為含水重量,含水率要求在59% ~61%之間,最終水重由干衣機自帶的冷凝水收集盒收集,因熱泵干衣機底部的冷凝水槽和水泵及管路的水分殘留,因此最終布重量與最終水重量之和小于初始布重量,按照全部水分被烘干,計算得到耗時修正值和耗電量修正值,進而計算得到熱泵干衣機EEI。
根據(jù)表 5 所列出的關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)和以上計算公式,制作EEI 和能效等級計算
軟件。
EEI 計算和能效指標(biāo)等級結(jié)果如表 6 所示,
EEI 為23.0, 與采用 R134a 制冷劑的原系統(tǒng) EEI (22.8) 基本一致,達到歐洲家用滾筒干衣機最高能效等級 A+++。
在測試過程中,對全負載和半負載的吸排氣溫度、冷凝器入口和出口溫度、蒸發(fā)器入口和出口溫度、 滾筒進風(fēng)和出風(fēng)溫度等進行了監(jiān)測,每 10 min 采集一次數(shù)據(jù),因在一個完整的干衣周期內(nèi),半負載溫度和相對濕度隨干衣時間的變化趨勢與全負載相同,因此采用全負載溫度和相對濕度隨時間的變化曲線進行分析說明。
全負載溫度變化如圖 4 所示,相對濕度變化如圖 5 所示。
圖 5 所示滾筒進出風(fēng)相對濕度和單位質(zhì)量熱空氣的除濕量與圖 4 的溫度變化趨勢一致。
在干衣初期,滾筒出風(fēng)相對濕度逐漸增加,滾筒進風(fēng)的相對濕度逐漸減小,單位質(zhì)量熱空氣的除濕量增加較快,因在該階段進出滾筒的循環(huán)空氣溫度逐漸上升,負載布也再被逐漸加熱;在干衣中后期,滾筒出風(fēng)相對濕度不斷減小,滾筒進風(fēng)相對濕度從相對小范圍平穩(wěn)到不斷減小,單位質(zhì)量熱空氣的除濕量也不斷減小,尤其在干衣即將結(jié)束時,滾筒進出風(fēng)相對濕度和單位質(zhì)量熱空氣的除濕量下降較快,因負載布已較為干燥。
本文采用某品牌8 kg容量R134a 制冷劑的熱泵干衣機,基于 HCs 類天然制冷劑R290與HFCs 類制冷劑R134a的環(huán)保性、基本物性和熱力學(xué)性質(zhì)以及安全性的對比分析,依據(jù)R290的特性,進行了熱泵干衣機熱泵循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和熱泵干衣機的能效指標(biāo)測試,得到如下結(jié)論:
1)壓縮機采用R290達到與采用 R134a 近似的能力和功率時, R290壓縮機排量約為R134a的78%。
2)對比制冷系統(tǒng)使用R134a,在使用R290時可采用更小管徑的換熱器管路和管距,本文中蒸發(fā)器管路管徑從φ9.5 mm優(yōu)化至φ7 mm,管距從 25 mm 優(yōu)化至 21 mm,冷凝器管路管徑從 φ7 mm 優(yōu)化至 φ5 mm,管距從 21 mm 優(yōu)化至 18 mm,換熱器翅片從波紋 片優(yōu)化為平片。以上優(yōu)化結(jié)果實現(xiàn)了 R290 充注量的降低和熱泵干衣機能效的提升。
3)R290 屬于A3 類制冷劑,這一點是其推廣使 用的最大障礙。而熱泵干衣機的熱泵循環(huán)系統(tǒng)受限于安裝空間,總體積較小。本文中的結(jié)果說明熱泵干衣機適合使用 R290,在最大充注量為 0.15 kg 時,熱泵干衣機能效等級可達到歐洲現(xiàn)行能效等級標(biāo)準(zhǔn)最 高等級 A+++。A3 類制冷劑0.15 kg 充注量滿足國家、國際和歐洲標(biāo)準(zhǔn),沒有房間體積的限制。
4) 采用 R290 時壓縮機實測最高排氣溫度為82.2 ℃ ,遠低于壓縮機設(shè)計允許的最高排氣溫度115 ℃ ,說明排氣溫度不會導(dǎo)致壓縮機的可靠性問題。
5)天然制冷劑 R290 的GWP小于 20,本文針對R290 在獨立式熱泵干衣機中的優(yōu)化設(shè)計和實驗研究對R290在熱泵干衣機系統(tǒng)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
文章來源：制冷學(xué)報
