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 武漢 430074)

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[1-2]。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)鞑サ腁1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[3]。

天然制冷劑R290屬于低慢性毒性但可燃易爆的A3類制冷劑，國內(nèi)外已有很多學(xué)者對其使用進行了相應(yīng)研究。王皓宇等[4]針對R290 制冷劑研究了管徑對傳熱系數(shù)的影響，通過對不同管徑換熱特性的橫向?qū)Ρ葘嶒灒l(fā)現(xiàn)在一定工況下傳熱系數(shù)隨著管徑的減小有所上升。張耘等[5]進行了低溫?zé)岜孟到y(tǒng)中R290替代R22的性能研究及優(yōu)化，實驗結(jié)果表明為同時滿足系統(tǒng)的安全性要求以及提高R290在低溫?zé)岜孟到y(tǒng)中的整體性能，需在系統(tǒng)中使用與R290更為匹配的排量更小的壓縮機。J. Y. Choi等[6]研究了換熱器的形狀對熱泵干衣機除濕率的影響，模擬結(jié)果表明換熱器長度從80%增至120%，熱泵干衣機的除濕率增加10%。S. Yadav等[7]研究了R290制冷劑的特性，實驗結(jié)果表明在任意的飽和溫度下，R290對比R134a飽和壓力更大。B. Shen等[8]研究了在熱泵熱水器中使用R290替代R134a，實驗結(jié)果表明，采用R290達到最佳能效需要減小壓縮機的排量，同時系統(tǒng)制冷劑充注量僅為R134a的50%。

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。

1 熱泵干衣機系統(tǒng)描述

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)：

圖1 熱泵干衣機系統(tǒng)原理

1)空氣干燥循環(huán)系統(tǒng)。電機帶動滾筒和循環(huán)空氣葉輪旋轉(zhuǎn)，將冷凝器側(cè)的高溫低濕空氣吹入滾筒，在滾筒中與待干燥衣物進行熱質(zhì)交換，吸收衣物中的水分后成為低溫高濕的空氣吹出滾筒，經(jīng)過濾后，與蒸發(fā)器接觸進行降溫除濕，冷凝水流入水槽，低溫高濕空氣成為低溫低濕的空氣繼續(xù)與冷凝器接觸，成為高溫低濕空氣再次吹入滾筒，開始新的循環(huán)。

2)熱泵循環(huán)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的制冷劑蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)類似，主要元器件包括壓縮機、冷凝器、干燥過濾器、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器。因干衣機整體對熱泵循環(huán)系統(tǒng)部分的空間限制，整套熱泵循環(huán)系統(tǒng)的體積較小，制冷劑充注量較少，一般采用定速壓縮機，采用毛細管節(jié)流[9-11]。

2 制冷劑對比分析與熱泵循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化

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)[12-13]明確了家用滾筒式干衣機性能測試方法?；趪H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)[14-15]，其能效指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 歐洲家用滾筒干衣機能效等級標(biāo)準(zhǔn)[15]

2.1 R290與R134a制冷劑對比分析

R290與R134a的對比分析如表2所示。從全球變暖潛值(Global Warming Potential，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。

表2 R290與R134a對比分析

從基本物性和熱力學(xué)性質(zhì)對比分析，R290的沸點汽化潛熱約為R134a的兩倍，即在相同制冷能力時，R290的質(zhì)量流量約為R134a的50%，R290的飽和液體密度為R134a的1.13倍，說明在相同制冷能力時，采用R290的熱泵系統(tǒng)應(yīng)采用更小管徑的換熱器；在相同的工況下，R290的單位容積制冷能力約為R134a的1.31倍，在ASHRAE-T工況下，R290的壓比僅為R134a的83%，說明采用R290可減小壓縮機的排量，降低壓縮機功耗，有利于壓縮機成本的降低和能效的提升；R290的液態(tài)比熱容是R134a的1.82倍，氣態(tài)比熱容是R134a的1.21倍，對于相同能力的熱泵系統(tǒng)，R290的充注量可遠小于R134a的充注量，同時壓縮機的容積也可減小。

從安全性分析，R290屬于低慢性毒性但可燃易爆的A3類制冷劑[16]，這一點是R290推廣使用的最大障礙。R290的可燃易爆性帶來了在使用時系統(tǒng)中充注量的嚴(yán)格限制。依據(jù)國家和國際標(biāo)準(zhǔn)[17-19]，對于A3類制冷劑，若其充注量不大于m1,則沒有房間體積限制。

m1=4 m3LFL

(1)

式中：m1為制冷劑封頂系數(shù)，kg；LFL為可燃性下限，kg/m3。

參照表2，計算可得m1=0.152 kg，即R290制冷劑在蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)中充注量小于0.152 kg時，可自由應(yīng)用于熱泵干衣機、熱泵熱水器和空調(diào)等產(chǎn)品中，沒有房間體積的限制。

2.2 熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

基于以上對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。

表3 熱泵循環(huán)系統(tǒng)說明

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。

圖2 熱泵循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)器

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。

圖3 熱泵循環(huán)系統(tǒng)冷凝器

3 R290制冷劑熱泵干衣機測試與分析

根據(jù)歐洲家用滾筒式干衣機性能測試方法[14]，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(fù)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(fù)載要求說明如表4所示。

表4 負(fù)載要求說明[14]

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。

表5 R290制冷劑熱泵干衣機測試結(jié)果[14]

(2)

式中：AEc為滾筒式干衣機年度能耗，kW·h/a；SAEc為滾筒式干衣機標(biāo)準(zhǔn)年度能耗，kW·h/a；

(3)

式中：Et為修正平均耗電量，kW·h；PO為關(guān)機狀態(tài)時待機功率，W；PLO為穩(wěn)定狀態(tài)時待機功率，W；tt為程序時間平均值，min；tmLU為不穩(wěn)定狀態(tài)程序時間，min；PLU為不穩(wěn)定狀態(tài)時待機功率，W。

SAEc=140c0.8

(4)

式中：c為制造商聲明的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載干燥程序全負(fù)載時的額定能力。

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+++。

表6 能效指標(biāo)和等級計算結(jié)果[14-15]

在測試過程中，對全負(fù)載和半負(fù)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(fù)載溫度和相對濕度隨干衣時間的變化趨勢與全負(fù)載相同，因此采用全負(fù)載溫度和相對濕度隨時間的變化曲線進行分析說明。全負(fù)載溫度變化如圖4所示，相對濕度變化如圖5所示。

近年來，違法捕撈、項目建設(shè)、沉箱養(yǎng)殖等非法占用錨地水域情況嚴(yán)重，1#錨地及其周邊水域，5#錨地北側(cè)水域，大量漁業(yè)養(yǎng)殖占用錨地及周邊海域，不僅影響船舶錨泊安全，而且不利于險情的應(yīng)急處置（發(fā)生險情時，由于周邊都是沉箱或漁排，救助船舶難以接近遇險船舶）。

圖4 全負(fù)載溫度隨時間的變化

圖5 滾筒進出風(fēng)相對濕度與單位質(zhì)量空氣除濕量隨時間的變化

通過分析圖4可知：

1)本次采用R290測試的熱泵干衣機一個完整的干衣周期約為150 min，與采用R134a的原系統(tǒng)干衣時間(155 min)基本一致，整個干衣過程是一個動態(tài)變化的過程，不同時間段單位質(zhì)量熱空氣的除濕量不同，可大概分為三個階段：

(1)干衣初期，進出滾筒的循環(huán)空氣溫度在逐漸上升，溫度變化幅度較大，但由于初始負(fù)載布處于溫度較低、濕度較大的狀態(tài)，大部分熱量主要用于給負(fù)載布預(yù)加熱，除濕量較小。在此階段，壓縮機吸排氣溫度上升較快。

(2)干衣中期，進出滾筒的循環(huán)空氣溫度穩(wěn)定在一個較小的范圍內(nèi)變化，負(fù)載布緩慢升溫，濕度仍較大，除濕量較大，此時間段達到一個相對穩(wěn)定的干衣階段。在此階段，壓縮機吸排氣溫度緩慢上升。

(3)干衣后期，負(fù)載布溫度較高，已經(jīng)較為干燥，濕度較低，且蒸發(fā)器溫度較高，除濕能力下降，除濕量較小。當(dāng)干衣機濕度傳感器測得負(fù)載布含水率在±3%以內(nèi)時，干衣機自動停機。在干衣機停機前，因壓縮機負(fù)載的降低，導(dǎo)致功率降低，進而使壓縮機吸排氣溫度略有下降。同時，因滾筒出風(fēng)溫度已相對穩(wěn)定，使蒸發(fā)器出口溫度略有上升。

2)因熱泵干衣機熱泵循環(huán)系統(tǒng)部分的空間限制，在滿足連接管路振動要求的情況下，壓縮機排氣口與冷凝器入口，吸氣口與蒸發(fā)器出口的連接管較短，因此導(dǎo)致壓縮機排氣溫度與冷凝器入口溫度基本一致，壓縮機吸氣溫度與蒸發(fā)器出口溫度相差很小。

3)在一個完整的干衣周期內(nèi)，壓縮機實測最高排氣溫度為82.2 ℃，壓縮機設(shè)計允許的最高排氣溫度為115 ℃，由此可見，實際最高排氣溫度遠低于設(shè)計允許的最高排氣溫度，說明排氣溫度不會導(dǎo)致壓縮機的可靠性問題。

4)在一個完整的干衣周期內(nèi)，系統(tǒng)過熱度范圍為1.6～10.6 ℃，同時，因系統(tǒng)制冷劑充注量僅為0.15 kg，因此，在熱泵干衣機使用過程中，壓縮機回液的風(fēng)險較小，在壓縮機設(shè)計過程中，可考慮使用體積較小的儲液器，從而降低壓縮機成本。

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(fù)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(fù)載布已較為干燥。

4 結(jié)論

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。