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R290 空气源热泵热水器性能试验研究

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发表于 2018-2-1 15:01:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
摘  要R290 是目前最有优势替代 R22 的环保制冷剂之一。针对 R290 应用于空气源热泵热水器时, 在低温工况下运行和制取高温热水的可行性进行了理论分析和实验研究。计算证明了 R290 相对于其他常 用制冷剂在低温工况下运行和制取高温热水方面的明显优势。试验通过搭建 1P 热泵热水器系统,选取了 -15~20℃之间的五种环境工况进行测试,结果显示在 0℃及以上的环境工况下热水温度提高到了 70℃,在 -7℃的工况下热水温度达到了 65℃,在低温工况即-15℃时热水温度则达到了 55℃。其中压缩机最大排气 压力为 3.109MPa,最高排气温度为 98.8℃,最大压比为 8.1,均在压缩机有效运行范围内。
关键词R290 空气源热泵热水器 低温运行工况 制热性能


0.引言
随着人们生活水平的提高,稳定舒适的热水供 应已成为越来越多普通中国家庭的需求,也是保证 居民生活品质的必须品。目前市场上常用的有燃气 热水器,电热水器和太阳能热水器,电热水器仍占主导地位。这些热水器存在能源利用效率低,有安 全隐患和受天气影响等问题,而空气源热泵热水器 被称为“第四代热水器”,由于其安全性和超高的 能效比受到大家越来越广泛的关注,这对于缓解国 内能源紧张的形势,保护环境有重要的意义。
热泵热水器系统的缺点在于需要使用制冷剂,可能会造成臭氧层破坏、温室效应等问题,是其发 展中面临的一大挑战。在 21 世纪初期,R22 是热泵 中最常用的制冷剂,但是由于 R22 会造成严重的臭 氧层破坏和温室效应,已被《蒙特利尔议定书》加 入受控物质清单,中国也将在 2040 年完全冻结使 用;之后以 R134a R410a 为代表的 HFCS 作为替 代工质得到快速发展,R134a 是目前热泵热水器中 应用最为广泛的制冷剂,但是随着 HFCs 类物质被 发现会带来严重的温室效应,在未来将被限制使用。而 R290(丙烷)作为一种碳氢化合物,是自然 界存在的物质,对环境的破坏几乎为零,ODP 0 GWP 很小。并且具有与 R22 极为相似的热力学性 质,与润滑油有很好的相溶性,无需改动就可在原 系统中使用[2]R290 在试验研究中也表现了突出的 性能,当 R290 直接充灌在 R22 系统中时,COP 高了 14%,充注量约为 R22 的一半[3]R290 直接 充灌在 R134a 的系统中时,制冷量和 COP 分别提 高了 40.5%–67.4% 22.4%–2.8%[4]。虽然存在可燃 性和爆炸性的问题,但在小型热泵中制冷剂充注量 很小,并且热泵热水器属于间接制热,制冷剂的循 环装置可以放在室外,几乎没有爆炸的危险。许多 学者也做过相关的安全性研究,可以通过采取相应 的优化措施和预防措施解决这个问题,比如通过优 化换热器结构来减少充注量[5],以及通过研究 R290 在室内的泄漏分布情况来消除安全隐患[6]。因此
R290 最有希望成为 R22 R134a 的替代物,在小 型热泵中实现广泛应用。
目前关于 R290 热泵热水器的研究比较少,相 关研究证明跟传统制冷剂相比,R290 热泵热水器可 以降低排气压力和温度,且 COP 不会下降[7-9]。但
是在针对 R290 热泵热水器的试验研究中环境温度 均不低于-8℃,出水温度不高于 60℃,在低温环境、 高温热水方面缺少相关试验。
空气源热泵热水器使用非常受限,一般用于南 方地区,在北方地区由于冬季温度过低,运行性能 受到很大影响,热泵的出水温度降低且能效比下降。 其中一个重要的限制是压缩机压比过大,会引起输 气系数下降,制热量不足,排气温度过高,加速了 压缩机的损耗,严重时会导致压缩机无法正常运行。 另一方面国标规定市场上的热泵热水器供热水温 度为 55℃,该温度并不能有效杀灭军团菌,作为居 民生活用热水,存在很大的卫生隐患。为了保证用 水的安全,将供水温度提高到 70℃。而提高出水温 度也会造成压缩机排气温度过高的问题,利用 R290 在中高温段饱和压力较低的优势,可以大大降低压缩机的排气压力和排气温度,实现在低温环境下运 行和制取高温热水的目的。


1  理论计算


为了将 R290 热泵热水器在低温环境下制取高 温热水器的能力同其他常用制冷剂的性能进行对 比,首先进行了热力计算。取冷凝温度为 75℃,蒸 发温度分别为 7.2℃,1℃,-5℃,-12℃和-20℃时 进行热力计算,过热度为 10℃,过冷度取 8.3℃。 压缩机的指示效率假设为 0.72。结果如图 12 示。由于 75 已经超过了 R410A 的临界温度,所 以并没有对 R410A 进行计算比较。
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