天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究

解开动力 2022年9月23日 11:34

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文章信息

刘永利，邵双全

华中科技大学能源与动力工程学院

摘要

独立式热泵干衣机目前主流制冷剂以HFCs类R134a为主，其全球变暖潜值(GWP)高达1 430。天然制冷剂R290属于HCs类制冷剂，GWP小于20。本文基于天然制冷剂R290与R134a的物理和热力学性质对比分析，对独立式热泵干衣机热泵循环系统进行了优化设计和实验研究，最终确定蒸发器采用φ7 mm管径铜管和2.2 mm片距的亲水平片，冷凝器采用φ5 mm管径铜管和1.5 mm片距的非亲水平片，压缩机采用排量为8.1 mL的R290制冷剂压缩机，节流装置采用管径φ1.0 mm和长度820 mm的毛细管。测试结果表明：R290用于独立式热泵干衣机热泵循环系统，在满足国际、国家和欧洲标准中关于A3类制冷剂充注量限制的要求下，即对于A3类制冷剂，若其充注量不大于0.15 kg时，则没有房间体积限制。在R290充注量为0.15 kg时，热泵干衣机能效指标为23.0，可达到欧洲现行干衣机能效等级标准最高等级A+++。

图文导读

干衣机是欧美地区普及率相当高的家电产品, 2019 年普及率分别为 31. 5%和 76. 2%,而同期在我国的普及率不足 1%。据中怡康机构预计,干衣机近几年在我国已经进入快速增长期。自 2020 年以来, 干衣机市场呈现出量价齐升的特点,其中效率更高、使用体验更好的独立式热泵干衣机正在加速占领市场。当前热泵干衣机多数使用 HFCs 类 R134a 制冷剂,属于低慢性毒性且无火焰传播的 A1 类制冷剂,在“2030 年碳达峰,2060 年碳中和”目标与《蒙特利尔议定书》基加利修正案关于中国 HFCs 类制冷剂的限控时间表要求下(即自 2024 年开始冻结,2029 年削减 10%,最终2045年实现削减 80%),天然制冷剂的推广使用速度将加快。

天然制冷剂 R290 的使用研究主要集中于减少其在系统中的充注量,优化换热器尺寸和压缩机排量等。本文基于 HCs 类天然制冷剂 R290 与 HFCs 类制冷剂 R134a 的物理和热力学性质等对比分析, 提出在独立式热泵干衣机中使用 R290,并进行了热泵干衣机热泵循环系统的优化设计和实验研究。

热泵干衣机利用热泵干燥原理将循环空气中的水分以冷却除湿的方式除去。热泵干衣机系统如图 1 所示,主要包含两个循环系统:1)空气干燥循环系统；2)热泵循环系统。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图5

热泵干衣机能效不仅取决于热泵循环系统,同时也取决于滚筒电机和其他电子元器件。国家和国际标准明确了家用滚筒式干衣机性能测试方法。基于国际标准,欧洲推出了家用滚筒式干衣机性能测试方法和家用滚筒式干衣机能效标识标准,其能效指标等级标准如表 1 所示。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图6

R290 与 R134a 的对比分析如表 2 所示。从全球变暖潜值GWP对比分析, HCs 类天然制冷剂 R290 小于20,对全球变暖影响很小,而 HFCs 类制冷剂 R134a 高达 1 430,对全球变暖影响较大。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图7

基于对 R290 和 R134a 的对比分析,说明 R290 应用于热泵干衣机理论上是可行的。因此,采用某品牌容量为 8 kg,制冷剂为 R134a 的热泵干衣机,重新进行压缩机的选型,对蒸发器、冷凝器、节流装置进行适合 R290 的优化设计,并进行热泵干衣机的能效指标测试研究,最终确定热泵系统部分规格如表 3 所示。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图8

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因蒸发器需要从低温高湿的循环空气中冷凝水分并依靠水的重力排出水分,因此选择了带有亲水涂层的翅片且翅片间的片距较大。采用管径为7 mm的铜管有利于保证足够的质量流量和较低的压降。蒸发器的管路走向如图 2 所示。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图10

冷凝器在热泵循环系统中主要作用是与经过蒸发器之后的低温低湿循环空气换热且R290的质量流量小,因此,采用非亲水翅片,片距小于蒸发器片距,采用管径 5 mm铜管。冷凝器管路走向如图 3 所示。

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根据欧洲家用滚筒式干衣机性能测试方法 , 干衣机能效指标测试在标准工况下进行。标准工况即环境温度为 21~25 ℃ ,环境相对湿度为50%~60%。测试时使用标准负载棉布,干衣机运行指定的测试模式,自动判断干衣结束。 8 kg 滚筒容量负载要求说明如表 4 所示。

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测试结果如表 5 所示, 热泵干衣机性能测试在焓差室中进行,其中初始布重量为含水重量,含水率要求在59% ~61%之间,最终水重由干衣机自带的冷凝水收集盒收集,因热泵干衣机底部的冷凝水槽和水泵及管路的水分残留,因此最终布重量与最终水重量之和小于初始布重量,按照全部水分被烘干,计算得到耗时修正值和耗电量修正值,进而计算得到热泵干衣机EEI。

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根据表 5 所列出的关键测试数据和以上计算公式,制作EEI 和能效等级计算软件。 EEI 计算和能效指标等级结果如表 6 所示, EEI 为23.0, 与采用 R134a 制冷剂的原系统 EEI (22.8) 基本一致,达到欧洲家用滚筒干衣机最高能效等级 A+++。

天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究的图14

在测试过程中,对全负载和半负载的吸排气温度、冷凝器入口和出口温度、蒸发器入口和出口温度、滚筒进风和出风温度等进行了监测,每 10 min 采集一次数据,因在一个完整的干衣周期内,半负载温度和相对湿度随干衣时间的变化趋势与全负载相同,因此采用全负载温度和相对湿度随时间的变化曲线进行分析说明。全负载温度变化如图 4 所示,相对湿度变化如图 5 所示。

图 5 所示滚筒进出风相对湿度和单位质量热空气的除湿量与图 4 的温度变化趋势一致。在干衣初期,滚筒出风相对湿度逐渐增加,滚筒进风的相对湿度逐渐减小,单位质量热空气的除湿量增加较快,因在该阶段进出滚筒的循环空气温度逐渐上升,负载布也再被逐渐加热;在干衣中后期,滚筒出风相对湿度不断减小,滚筒进风相对湿度从相对小范围平稳到不断减小,单位质量热空气的除湿量也不断减小,尤其在干衣即将结束时,滚筒进出风相对湿度和单位质量热空气的除湿量下降较快,因负载布已较为干燥。

结论

本文采用某品牌8 kg容量R134a 制冷剂的热泵干衣机,基于 HCs 类天然制冷剂R290与HFCs 类制冷剂R134a的环保性、基本物性和热力学性质以及安全性的对比分析,依据R290的特性,进行了热泵干衣机热泵循环系统的优化设计和热泵干衣机的能效指标测试,得到如下结论:

1)压缩机采用R290达到与采用 R134a 近似的能力和功率时, R290压缩机排量约为R134a的78%。

2)对比制冷系统使用R134a,在使用R290时可采用更小管径的换热器管路和管距,本文中蒸发器管路管径从φ9.5 mm优化至φ7 mm,管距从 25 mm 优化至 21 mm,冷凝器管路管径从 φ7 mm 优化至 φ5 mm,管距从 21 mm 优化至 18 mm,换热器翅片从波纹片优化为平片。以上优化结果实现了 R290 充注量的降低和热泵干衣机能效的提升。

3)R290 属于A3 类制冷剂,这一点是其推广使用的最大障碍。而热泵干衣机的热泵循环系统受限于安装空间,总体积较小。本文中的结果说明热泵干衣机适合使用 R290,在最大充注量为 0.15 kg 时,热泵干衣机能效等级可达到欧洲现行能效等级标准最高等级 A+++。A3 类制冷剂0.15 kg 充注量满足国家、国际和欧洲标准,没有房间体积的限制。

4) 采用 R290 时压缩机实测最高排气温度为82.2 ℃ ,远低于压缩机设计允许的最高排气温度115 ℃ ,说明排气温度不会导致压缩机的可靠性问题。

5)天然制冷剂 R290 的GWP小于 20,本文针对R290 在独立式热泵干衣机中的优化设计和实验研究对R290在热泵干衣机系统中的应用具有指导意义。

文章来源：制冷学报