天然制冷剂R290用于热泵干衣机能效实验研究

刘永利 邵双全

(华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430074)

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[1-2]。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[3]。

天然制冷剂R290属于低慢性毒性但可燃易爆的A3类制冷剂，国内外已有很多学者对其使用进行了相应研究。王皓宇等[4]针对R290 制冷剂研究了管径对传热系数的影响，通过对不同管径换热特性的横向对比实验，发现在一定工况下传热系数随着管径的减小有所上升。张耘等[5]进行了低温热泵系统中R290替代R22的性能研究及优化，实验结果表明为同时满足系统的安全性要求以及提高R290在低温热泵系统中的整体性能，需在系统中使用与R290更为匹配的排量更小的压缩机。J. Y. Choi等[6]研究了换热器的形状对热泵干衣机除湿率的影响，模拟结果表明换热器长度从80%增至120%，热泵干衣机的除湿率增加10%。S. Yadav等[7]研究了R290制冷剂的特性，实验结果表明在任意的饱和温度下，R290对比R134a饱和压力更大。B. Shen等[8]研究了在热泵热水器中使用R290替代R134a，实验结果表明，采用R290达到最佳能效需要减小压缩机的排量，同时系统制冷剂充注量仅为R134a的50%。

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。

1 热泵干衣机系统描述

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：

图1 热泵干衣机系统原理

1)空气干燥循环系统。电机带动滚筒和循环空气叶轮旋转，将冷凝器侧的高温低湿空气吹入滚筒，在滚筒中与待干燥衣物进行热质交换，吸收衣物中的水分后成为低温高湿的空气吹出滚筒，经过滤后，与蒸发器接触进行降温除湿，冷凝水流入水槽，低温高湿空气成为低温低湿的空气继续与冷凝器接触，成为高温低湿空气再次吹入滚筒，开始新的循环。

2)热泵循环系统。与传统的制冷剂蒸发制冷循环系统类似，主要元器件包括压缩机、冷凝器、干燥过滤器、节流装置、蒸发器。因干衣机整体对热泵循环系统部分的空间限制，整套热泵循环系统的体积较小，制冷剂充注量较少，一般采用定速压缩机，采用毛细管节流[9-11]。

2 制冷剂对比分析与热泵循环系统优化

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[12-13]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[14-15]，其能效指标等级标准如表1所示。

表1 欧洲家用滚筒干衣机能效等级标准[15]

2.1 R290与R134a制冷剂对比分析

R290与R134a的对比分析如表2所示。从全球变暖潜值(Global Warming Potential，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。

表2 R290与R134a对比分析

从基本物性和热力学性质对比分析，R290的沸点汽化潜热约为R134a的两倍，即在相同制冷能力时，R290的质量流量约为R134a的50%，R290的饱和液体密度为R134a的1.13倍，说明在相同制冷能力时，采用R290的热泵系统应采用更小管径的换热器；在相同的工况下，R290的单位容积制冷能力约为R134a的1.31倍，在ASHRAE-T工况下，R290的压比仅为R134a的83%，说明采用R290可减小压缩机的排量，降低压缩机功耗，有利于压缩机成本的降低和能效的提升；R290的液态比热容是R134a的1.82倍，气态比热容是R134a的1.21倍，对于相同能力的热泵系统，R290的充注量可远小于R134a的充注量，同时压缩机的容积也可减小。

从安全性分析，R290属于低慢性毒性但可燃易爆的A3类制冷剂[16]，这一点是R290推广使用的最大障碍。R290的可燃易爆性带来了在使用时系统中充注量的严格限制。依据国家和国际标准[17-19]，对于A3类制冷剂，若其充注量不大于m1,则没有房间体积限制。

m1=4 m3LFL

(1)

式中：m1为制冷剂封顶系数，kg；LFL为可燃性下限，kg/m3。

参照表2，计算可得m1=0.152 kg，即R290制冷剂在蒸发制冷循环系统中充注量小于0.152 kg时，可自由应用于热泵干衣机、热泵热水器和空调等产品中，没有房间体积的限制。

2.2 热泵系统优化设计

基于以上对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。

表3 热泵循环系统说明

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。

图2 热泵循环系统蒸发器

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。

图3 热泵循环系统冷凝器

3 R290制冷剂热泵干衣机测试与分析

根据欧洲家用滚筒式干衣机性能测试方法[14]，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。

表4 负载要求说明[14]

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。

表5 R290制冷剂热泵干衣机测试结果[14]

(2)

式中：AEc为滚筒式干衣机年度能耗，kW·h/a；SAEc为滚筒式干衣机标准年度能耗，kW·h/a；

(3)

式中：Et为修正平均耗电量，kW·h；PO为关机状态时待机功率，W；PLO为稳定状态时待机功率，W；tt为程序时间平均值，min；tmLU为不稳定状态程序时间，min；PLU为不稳定状态时待机功率，W。

SAEc=140c0.8

(4)

式中：c为制造商声明的标准负载干燥程序全负载时的额定能力。

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+++。

表6 能效指标和等级计算结果[14-15]

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。

近年来，违法捕捞、项目建设、沉箱养殖等非法占用锚地水域情况严重，1#锚地及其周边水域，5#锚地北侧水域，大量渔业养殖占用锚地及周边海域，不仅影响船舶锚泊安全，而且不利于险情的应急处置（发生险情时，由于周边都是沉箱或渔排，救助船舶难以接近遇险船舶）。

图4 全负载温度随时间的变化

图5 滚筒进出风相对湿度与单位质量空气除湿量随时间的变化

通过分析图4可知：

1)本次采用R290测试的热泵干衣机一个完整的干衣周期约为150 min，与采用R134a的原系统干衣时间(155 min)基本一致，整个干衣过程是一个动态变化的过程，不同时间段单位质量热空气的除湿量不同，可大概分为三个阶段：

(1)干衣初期，进出滚筒的循环空气温度在逐渐上升，温度变化幅度较大，但由于初始负载布处于温度较低、湿度较大的状态，大部分热量主要用于给负载布预加热，除湿量较小。在此阶段，压缩机吸排气温度上升较快。

(2)干衣中期，进出滚筒的循环空气温度稳定在一个较小的范围内变化，负载布缓慢升温，湿度仍较大，除湿量较大，此时间段达到一个相对稳定的干衣阶段。在此阶段，压缩机吸排气温度缓慢上升。

(3)干衣后期，负载布温度较高，已经较为干燥，湿度较低，且蒸发器温度较高，除湿能力下降，除湿量较小。当干衣机湿度传感器测得负载布含水率在±3%以内时，干衣机自动停机。在干衣机停机前，因压缩机负载的降低，导致功率降低，进而使压缩机吸排气温度略有下降。同时，因滚筒出风温度已相对稳定，使蒸发器出口温度略有上升。

2)因热泵干衣机热泵循环系统部分的空间限制，在满足连接管路振动要求的情况下，压缩机排气口与冷凝器入口，吸气口与蒸发器出口的连接管较短，因此导致压缩机排气温度与冷凝器入口温度基本一致，压缩机吸气温度与蒸发器出口温度相差很小。

3)在一个完整的干衣周期内，压缩机实测最高排气温度为82.2 ℃，压缩机设计允许的最高排气温度为115 ℃，由此可见，实际最高排气温度远低于设计允许的最高排气温度，说明排气温度不会导致压缩机的可靠性问题。

4)在一个完整的干衣周期内，系统过热度范围为1.6～10.6 ℃，同时，因系统制冷剂充注量仅为0.15 kg，因此，在热泵干衣机使用过程中，压缩机回液的风险较小，在压缩机设计过程中，可考虑使用体积较小的储液器，从而降低压缩机成本。

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。

4 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。