替代制冷剂空气源热泵热水器性能的理论与实验研究

2013-11-23 02:59周全樊海彬贾磊夏玲陈熙李世锁
制冷技术 2013年4期
关键词:制热量热水器制冷剂

周全,樊海彬,贾磊,夏玲,陈熙,李世锁

(1-合肥通用机械研究院,安徽合肥 230031;2-大连三洋压缩机有限公司,辽宁大连 116033)

0 引言

随着全世界对节能减排和环保要求的日益迫切,人们对家用和商用的热水器节能和环保的要求也越来越高。一般来说,热泵热水器的热效率较高,消耗同样的传统能源而产生相同品质的热水量是传统热水器产量的2倍~3倍,节能的同时对环境的污染程度更低[1]。由于热泵热水器运行维护工作少,自动化程度高,所以在运行成本方面也是有着明显的优势。热泵热水器和空调一样,也是利用逆卡诺原理,通过工作的介质把低品位的热量通过压缩机的动力,传递到水中,形成高品位的热量,即热水。由于热泵热水器的工作介质就是我们常说的制冷剂,所以同空调制冷系统一样,制冷剂对于热泵热水器的性能影响非常明显[2]。

由于传统的制冷剂,如R22等,将面临被替换的命运,所以国内外很多学者对热泵热水器的制冷剂替代工作进行了研究[3]。2010年推出的HFCs类制冷剂R427a无毒不可燃、零ODP、低GWP,与R22性质相似。本文就R427a在热泵热水器上的应用开展理论和实验研究,并与R22和R134a的性能进行对比,以期为空气源热泵热水器系统的优化设计提供参考。

1 理论计算

R427a是由HFC-32/HFC-125/HFC-134a/HFC-143a(15/25/50/10)组成的共沸混合物。可与多元醇酯(POE)或聚亚烷基二醇(PAG)油作为冷冻油。R427a的毒性与可燃性评定等级是 A1/A1级,臭氧消耗潜值ODP为零[4]。R427a和 HCFC-22一样,适合典型的直接膨胀(DX)系统使用,有些场合用来替换HCFC-22制冷剂。

本实验所用的制冷剂物性如表1[5]。

表1 制冷剂物性

制冷剂R22,R134a,R427a的理论循环计算:蒸发温度7.2℃;冷凝温度54.4℃;过热度11.1℃;过冷度 8.3℃;等熵压缩因子 1[6];忽略系统压降。利用REFPROP软件进行计算,结果如表2,各计算点示意图如图1。

表2 相同工况下各种制冷剂热力性能比较(ARI520标准规定工况)

图1 理论循环示意图

综合表1、表2和图1的结果可知,R22的冷凝压力和排气温度最高,不利于热泵系统的运行,而且对环境不友好,因而替代在所难免。而R134a的蒸发段焓差比较低,即单位制冷量比较低,灌注式充入R22系统后换热器的换热面积比较大,COP略有降低。R427a排气压力略微高于R22,但排气温度却降低了近20℃,这样就会降低循环时对润滑油粘度的影响,还可以有效防止润滑油分解变质,改善系统的工作条件,提高系统的使用寿命和降低系统的维护难度;R427a工质比 R22工质的运行COP略高,接近于R134a,最重要是环保效果非常显著,而且还可以灌注式替代,可以在旧有R22系统的替代和改良等场合发挥巨大的作用,因此R427a具有广阔的市场前景。

2 实验设备及实验方法

2.1 实验设备

采用的风冷热泵热水器机组,在标准工况20℃的环境温度下制热量为12.5 kW,功率为2.9 kW,产水量268 L/h。设备经改装后使用,主要是更换了节流装置,由原来的热力膨胀阀改变为电子膨胀阀和毛细管并联的节流机构,并在毛细管附近串联截止阀,毛细管主要用于节流不足时起到旁通节流作用;而且增加了视液镜、电磁阀和单向阀。

实验测试系统主要由YOKOGAWA WT230三相功率表、Rixin SBL-AY20CCZX流量计(精度为±0.2%)、Honeywell UDC3200 PID调节表、Agilent 34970a数据采集仪、Jumo Bodhi 压力传感器(精度为±0.5%)、Honeywell ST3000压力变送器(精度为±0.5%)、ChinoPt100铂电阻温度计(精度为A级±0.2℃)、恒温水箱、水泵、电动三通调节阀、铜球阀、计算机以及测试软件等组成。

2.2 实验测点布置

温度测点包括压缩机的进出口、板式换热器进出口、蒸发器进出口、环境温度;压力测点包括压缩机进出口,板式换热器出口和蒸发器出口。温度、压力测量参数由数据采集仪采集和水流量计、功率表所测参数一并传送给计算机,通过VB编程的操作界面显示,计算得出制热量、样机COP、过热度、过冷度等。所有仪表、设备可通过计算机集中监控。

2.3 实验过程

实验在热泵试验台上完成,同一台空气源热水器采用R427a、R22、R134a作为制冷剂,测得在四个典型工况(以下简称工况1、工况2、工况3和工况4):-5℃/-,7℃/6℃(7℃为干球温度;6℃为湿球温度),20℃/15℃,43℃/26℃下,调节电子膨胀阀,保持蒸发器出口过热度为 5℃,并保持板式换热器进出水温差为5℃,分别测试50℃/55℃(50℃进水,55℃出水)、55℃/60℃;60℃/65℃进出水温度时热泵热水器的性能参数。

2.4 制冷剂充注量确定

制冷剂充注量对制冷系统性能有较大的影响,在制冷系统运行工况和结构参数给定的情况下,存在着制冷剂的最佳充注量问题[7]。热泵热水器实验中,将机组置于室外标准工况 20℃/15℃下,进行制冷剂最佳充注量匹配实验。

保持蒸发器出口过热度为 5℃,不断增加充注量,可以从图2看出制热量、COP的变化趋势均是先升高后降低、中间有峰值。COP峰值在前,制热量峰值在后,综合考虑确定R427a、R134a和R22三种制冷剂的最佳充注量分别为 2.68 kg、2.71 kg和3.28 kg。

图2 制热量和COP与制冷剂充注量的关系

3 实验结果及分析

3.1 R22、R427a、R134a在50℃进水/55℃出水时的实验结果与分析

从图3可以看出,随着环境温度升高,三种制冷剂系统(一次加热式热泵热水器)的吸排气温度变化趋势基本一致,吸气温度随环境温度的升高而增大,而排气温度随环境温度的升高而降低。三种制冷剂系统的吸气温度差别不大,而排气温度R22最高,在工况1时最高达到了127℃,R427a最高达到119℃,R134a最高达到90.6℃。由此可见R134a、R427a性能优于R22,利于系统的安全运行。

从图4可以看出,随着环境温度的变化,三种制冷剂系统吸排气压力变化基本一致,随环境温度的升高而增大,吸气压力较排气压力变化明显。吸、排气压力R22高于R427a和R134a,R427a和R134a优于R22,且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。

图5反应了水侧换热量随环境温度的变化关系。由图可知R134a、R427a系统的制热量都比R22系统的低,R134a的平均制热量为6858 W,为R22的68%;R427a的平均制热量为8903 W,为R22的90%;这主要是因为R427a是四元非共沸混合物,温度滑移约7.1℃左右,使得R427a的换热性能受到影响,特别是在核状沸腾条件下的气泡脱离阻力[8],使得R427a的换热系数比R22要低,从而导致总的制热功率比R22要低一些。

图6反映了三种制冷剂系统的输入功率随环境温度的变化关系。从图中可以看出,3个制冷剂系统的压缩机输入功率的变化趋势基本一致。在环境温度变化过程中,R134a系统压缩的平均输入功率为2586 W,R427a系统的平均输入功率为3445 W,R22系统的平均输入功率为3715 W。R134a系统与R22系统相比,平均输入功率下降了约 30%,而R427a系统约下降了约7.2%,R134a、R427a有效降低了压缩机的负荷,利于热泵热水器机组的运行。

图7为三种制冷剂系统COP随环境温度的变化关系。从图中可以看出三种制冷剂系统 COP都是随着环境温度的升高而变大的,但在不同的室外环境温度区间内,COP变化有一定的差别。图中显示,与R22系统相比,R427a系统的COP基本持平,R134a系统在温度7℃以下时,COP降低了20%;在7℃~20℃范围内基本持平,而在20℃以上区域,升高了 9%,但总的来看,差别不大。R134a的平均COP约为2.67,R427a的平均COP约为2.59,R22的平均COP约为2.68,可见此时,R134a、R427a的COP略低于R22。

图3 压缩机吸排气温度和环境工况的关系

图4 压缩机吸排气压力和环境工况的关系

图5 制热量和环境工况的关系

3.2 R427a、R22、R134a在55℃进水/60℃出水和60℃进水/65℃出水时的实验结果与分析

在 55℃/60℃工况下,实验都可以做出,而在60℃/65℃工况下,由于 R22的排气温度和排气压力过高造成了压缩机保护,实验未能进行;R427a也由于上述原因在-5℃工况下,未做出实验数据。已做出的数据与3.1的趋势类似。在以下的分析过程中均以3.1作为基准。整体分析如表3。

表3 变化分析表

4 结论

1) 实验结果与理论计算吻合良好,R427a与R22的各方面的性能相似,在未对两器优化而直接更换制冷剂的情况下,与R22相比,R427a的制热量下降9%,COP下降3%,而且有环保优势;R134a与R22相比,制热量下降30%,COP持平。

2) 在相同的条件下,R427a的排气温度略低于R22,试验结果表明,在低环境温度,高出水温度条件下,R427a的适用性好于R22。

3) 三种制冷剂系统吸排气压力变化基本一致,与R22系统相比,R427a的吸气压力下降20%,排气压力下降 5%,R134a的吸气压力下降 40%,排气压力下降30%,R427a和 R134a明显优于R22,且R134a吸、排气压力随环境温度变化较小。这表明了R134a、R427a比R22更利于热泵热水器的安全可靠运行。

4) 热泵热水器在未对两器优化直接更换制冷剂的情况下,功率随环境温度的升高变化不大,与R22系统相比,R134a系统的平均输入功率下降了约30%,而R427a系统下降了7.2%左右,有利于延长热泵热水器机组的使用寿命。

5) 随着环境温度的升高,三种制冷剂系统的制热量增大,且变化趋势一致。R134a、R427a系统的制热量都比R22系统的低,R134a系统的平均制热量仅相当于R22的70%,而R427a系统的平均制热量相当于R22的90%,主要是受温度滑移的影响。

6) 三种制冷剂系统COP随着环境温度的升高而变大,且在不同的室外环境温度区间内,COP大小有一定的变化;总体分析表明三种制冷剂系统COP差别不大。

7) 在5℃进出水温差条件下,热水进水温度每上升5℃,例如50℃进水,55℃进水,60℃进水时,制热量下降2%~3%;COP下降10%~11%;功率上升 11%~13%;吸排气压力分别上升 3%~4%、10%~15%。

因此我们应根据热泵热水器使用环境及对热水水温的具体要求,优化匹配制冷剂工质种类,对于充分发挥空气源热泵热水器的节能优势具有重要意义。

[1] ROUSSEAU P G, GREYVESTEIN G P. Enhancing the impact of heat pump waters in the South African commercial sector[J]. Energy, 2000(25): 51-70.

[2] 陈嘉澍, 陈姝, 卓献荣, 等. R22和R134a应用于家用热泵热水器实验性能研究[J]. 广东化工, 2006, 33(6):25-27.

[3] RADERMACHER R, JUNG D S. Theoretical analysis of replacement refrigerants for R22 for residential uses [J].ASHRAE Trans., 1993, 9(1): 333-343.

[4] MORRISON G L, ANDERSON T, BEHNIA M.Seasonal performance rating of heat pump water heater[J].Solar Energy, 2004, 76(1):147-152.

[5] MULROY W, KAUFFELD M, MCLINDEN M.Experimental evaluation of two refrigerants mixtures in a breadboard air conditioner [C]// Proc. of Int.Refrigeration Purdue Conference on CFCs, 1988: 27-34.

[6] National Institute of Standards and Technology. NIST.Thermodynamic Property of Refrigerants and Refrigerants Mixtures Database (REFPROP) [R]. 1996.

[7] 王志远, 徐志亮. 空调器性能测试技术[M]. 北京: 科学出版社, 2009, 253-259.

[8] 曹锋, 马元, 王凯, 等. R417a用于热泵热水器的试验研究[J]. 流体机械, 2005, 33(Z):117-120.

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