空氣源熱泵過冷蓄能除霜方法研究

空氣源熱泵過冷蓄能除霜方法研究

作為一種節(jié)能環(huán)保的加熱設(shè)備，空氣源熱泵已越來越受到重視。在發(fā)達(dá)國家超過90%的地區(qū)，適用于炎熱的加熱和冷凍。在工業(yè)化高度發(fā)展的亞太地區(qū)，除了少數(shù)高山地區(qū)外，其他地區(qū)也可以使用空氣源熱泵進(jìn)行加熱?？諝庠礋岜锰幱诠釥顟B(tài)運(yùn)行時(shí),室外機(jī)作為蒸發(fā)器.當(dāng)室外機(jī)壁面溫度低于0°C,且低于空氣露點(diǎn)時(shí),室外機(jī)壁面將會(huì)結(jié)霜.霜層的形成將會(huì)減少室外機(jī)風(fēng)量,降低室外機(jī)換熱效率.同時(shí)還會(huì)增加翅片導(dǎo)熱熱阻,降低傳熱系數(shù),進(jìn)一步導(dǎo)致室外機(jī)換熱性能的下降.因此,空氣熱泵在結(jié)霜工況下運(yùn)行時(shí)需要周期性除霜.逆循環(huán)除霜是目前應(yīng)用最為廣泛的除霜方式之一.空氣源熱泵逆循環(huán)除霜的動(dòng)態(tài)特性受多種因素的影響.由現(xiàn)有的文獻(xiàn)可知,相對(duì)于空氣源熱泵結(jié)霜影響的研究,除霜研究較少.并且關(guān)于除霜的研究主要集中在系統(tǒng)建模和提高系統(tǒng)運(yùn)行特性方面.O’Neal等對(duì)應(yīng)用熱力膨脹閥作為節(jié)流機(jī)構(gòu)的家用空氣源熱泵除霜進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果顯示儲(chǔ)液器和熱力膨脹閥對(duì)除霜有著重要影響.Payne等對(duì)采用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)的空氣源熱泵機(jī)組的除霜進(jìn)行了試驗(yàn)研究.結(jié)果顯示應(yīng)用轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)可以提高系統(tǒng)COP,降低排氣過熱度.O’Neal等研究發(fā)現(xiàn)增大毛細(xì)管的尺寸可以減少除霜時(shí)間.Huang等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除霜結(jié)束時(shí)風(fēng)機(jī)提前開機(jī)可以有效地防止壓縮機(jī)由于低壓保護(hù)而造成的停機(jī).文獻(xiàn)中研究了空氣源熱泵逆循環(huán)除霜的動(dòng)態(tài)特性.在防止空氣源熱泵結(jié)霜方面,Jhee等研究發(fā)現(xiàn)對(duì)室外換熱器表面進(jìn)行憎水處理將會(huì)有效地提高除霜效率,縮短除霜時(shí)間.Wang等在熱泵室外機(jī)的進(jìn)口處通過固定沸石和活性炭的吸收床吸收空氣中的水分,一方面降低了空氣濕度,另一方面,由于水的冷凝放熱提高了進(jìn)口空氣溫度.Kinsara和Jain等分別設(shè)計(jì)了空氣源熱泵液體除濕系統(tǒng),在防止結(jié)霜方面取得了良好的效果.盡管許多學(xué)者對(duì)空氣源熱泵的除霜問題進(jìn)行了眾多研究,但是除霜時(shí)缺少低位熱源的本質(zhì)問題沒有解決(為避免向室內(nèi)吹冷風(fēng)而關(guān)閉室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī),導(dǎo)致室內(nèi)換熱器無法提供充足的除霜熱量).由于除霜能量不足,除霜時(shí)壓縮機(jī)吸氣壓力遠(yuǎn)低于供熱時(shí)的平均水平,吸氣比熱容變大,制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量變小,最終導(dǎo)致除霜時(shí)間拉長,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī).為了解決空氣源熱泵除霜能量不足的問題,文獻(xiàn)中提出了空氣源熱泵蓄能除霜方法,利用相變材料蓄存部分高溫氣態(tài)制冷劑的相變熱,除霜時(shí)加熱低溫制冷劑.為了提高系統(tǒng)供熱性能系數(shù),同時(shí)為除霜提供能量來源,本文提出了利用相變材料蓄存供熱過程中制冷劑的過冷熱量,除霜時(shí)提供低位熱源的方法.并且主要針對(duì)制冷劑過冷蓄能除霜工況下除霜?jiǎng)討B(tài)特性和對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究.1試驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)1.1不同放熱方式下制冷劑對(duì)不同熱量的影響相對(duì)于傳統(tǒng)的空氣源熱泵,本系統(tǒng)在室內(nèi)機(jī)出口與毛細(xì)管之間增加了一個(gè)相變蓄熱器.系統(tǒng)原理如圖1所示.在相變蓄熱器內(nèi)充注質(zhì)量比為2∶1的癸酸和十四酸的混合物作為相變材料.其相變溫度為24°C.在正常供熱時(shí),打開閥門F2和F3,關(guān)閉閥門F1,室內(nèi)機(jī)出口制冷劑先流經(jīng)相變蓄熱器,之后到毛細(xì)管前端節(jié)流.一方面實(shí)現(xiàn)了制冷劑過冷,提高了供熱性能系數(shù);另一方面,實(shí)現(xiàn)了相變材料的蓄熱,為除霜儲(chǔ)備能量.在除霜運(yùn)行時(shí),毛細(xì)管節(jié)流后的低溫低壓液態(tài)制冷劑首先流經(jīng)相變蓄熱器.在相變蓄熱器內(nèi),相變材料蓄存的熱量通過翅片管傳遞給制冷劑.吸熱后的制冷劑再流經(jīng)室內(nèi)機(jī),回到壓縮機(jī).制冷劑蒸發(fā)所需的熱量主要來自相變蓄熱器.一方面完成了相變材料的相變放熱過程,為下一次的過冷蓄熱提供條件;另一方面,為除霜提供了充足的熱量,解決了除霜能量來源不足的問題.1.2單設(shè)備試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)過程試驗(yàn)過程中制冷劑工質(zhì)采用R22,壓縮機(jī)額定輸入功率為850W,額定制熱量為2.5kW,室內(nèi)風(fēng)機(jī)與室外風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量分別為450m3/h和3600m3/h.試驗(yàn)中布置了壓力傳感器(量程為3.0MPa,精度為±7.5kPa)、溫度傳感器(精度±0.1°C)、濕度傳感器(精度±1.0%)和風(fēng)速傳感器(精度±0.2m/s).其布置如圖1所示.為了獲得制冷劑完全流動(dòng)下的溫度、壓力值,以及消除管壁厚度對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響,將壓力傳感器用毛細(xì)管連接在制冷劑管路中,將鉑電阻的鉑片直接插入焊接到制冷劑管路中的?5mm的銅管中,內(nèi)灌入氧化銀粉末作為導(dǎo)熱劑.在系統(tǒng)壓力、溫度等參數(shù)穩(wěn)定后,開啟安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集.試驗(yàn)過程中,通過控制人工模擬環(huán)境小室的供熱量、供冷量以及加濕量,從而保證室外側(cè)換熱器所處環(huán)境溫度為(-1.0±0.1)°C,相對(duì)濕度為85%±2%,室內(nèi)側(cè)換熱器所處環(huán)境溫度為(20.1±0.1)°C,相對(duì)濕度為50%.為了對(duì)過冷蓄能除霜的除霜效果進(jìn)行對(duì)比研究,本文在保持室內(nèi)外環(huán)境相同的情況下,進(jìn)行了常規(guī)逆循環(huán)除霜的對(duì)比試驗(yàn).同時(shí),控制除霜終止的條件為室外機(jī)壁面最低溫度達(dá)到33°C.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析2.1開冷蓄能除霜由圖2可見,在除霜開始時(shí),由于四通閥的換向,壓縮機(jī)的吸排氣壓力突然變化.除霜前壓縮機(jī)的吸排氣壓力分別為0.36和1.62MPa.對(duì)于常規(guī)除霜,在除霜60s時(shí),壓縮機(jī)的吸排氣壓力分別穩(wěn)定在0.26和0.95MPa.而對(duì)于過冷蓄能除霜,除霜60s時(shí),壓縮機(jī)的吸排氣壓力開始穩(wěn)定在0.36和1.59MPa,接近于正常供熱狀態(tài)下的吸排氣壓力;除霜結(jié)束時(shí),常規(guī)除霜的吸排氣壓力為0.26和1.48MPa,過冷蓄能除霜的吸排氣壓力為0.55和1.82MPa.較高的吸排氣壓力可以有效地降低壓縮機(jī)由于低壓保護(hù)而停機(jī)的可能性,同時(shí)縮短了除霜時(shí)間.這主要是因?yàn)?過冷蓄能除霜時(shí),低壓制冷劑蒸發(fā)所需的熱量主要來自相變蓄熱器,相對(duì)于常規(guī)除霜,制冷劑蒸發(fā)壓力較高,質(zhì)量流量增大,排氣壓力亦增高.從而在除霜過程中有更多的能量用來除霜,因此除霜時(shí)間縮短,同時(shí)機(jī)組運(yùn)行的可靠性提高.2.2過冷蓄能除霜在除霜過程中,室內(nèi)機(jī)作為蒸發(fā)器,壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑被用來融化和蒸發(fā)霜層.室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度可以作為一個(gè)衡量除霜速率的因素.由圖3可見,常規(guī)除霜時(shí),室外機(jī)出口制冷劑溫度維持在0°C左右持續(xù)70s,而在過冷蓄能除霜下,則持續(xù)30s.過冷蓄能除霜下持續(xù)時(shí)間較短,主要是由于室外機(jī)進(jìn)口溫度較高,維持在45.8°C左右,而常規(guī)除霜只有39.1°C左右.130s后,由于霜層融化完全,室外機(jī)壁面處于干蒸發(fā)階段,吸收熱量減少,所以室外機(jī)出口制冷劑溫度急劇增加.相對(duì)于常規(guī)除霜,過冷蓄能除霜的增加速率較快.在整個(gè)除霜過程中,過冷蓄能除霜時(shí),室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度均高于常規(guī)除霜,因此提供除霜熱量較多,除霜時(shí)間較少,為180s,相對(duì)于常規(guī)除霜時(shí)間縮短了30.8%.2.3壓縮機(jī)輸入功率除霜過程中壓縮機(jī)輸入功率如圖4所示.由圖4可見,除霜開始時(shí),由于四通閥換向,壓縮機(jī)輸入功率急劇下降.過冷蓄能除霜時(shí),從50s開始,輸入功率達(dá)到并穩(wěn)定在716.4W左右,接近于正常供熱狀態(tài)下的輸入功率738.1W;從130s開始,壓縮機(jī)的輸入功率急劇上升,到除霜結(jié)束時(shí)達(dá)到1.06kW.常規(guī)除霜時(shí),由于較低的吸排氣壓力,因此輸入功率較低;除霜結(jié)束時(shí),壓縮機(jī)輸入功率達(dá)到725.2W.盡管過冷蓄能除霜時(shí)壓縮機(jī)輸入功率較高,但是除霜時(shí)間較短,因此過冷蓄能除霜時(shí)的除霜能耗較低.在此試驗(yàn)狀態(tài)下,過冷蓄能除霜的除霜能耗為141.1kJ,而常規(guī)除霜的除霜能耗為163.9kJ.2.4過冷蓄能除霜時(shí)溫度比較.過冷蓄能除霜時(shí)溫度比較多,其符合以下條件常規(guī)除霜時(shí),不但不向室內(nèi)機(jī)供熱,反而從室內(nèi)取熱,因此降低了室內(nèi)熱舒適性.圖5所示為除霜過程中室內(nèi)機(jī)銅管壁面溫度變化.由于過冷蓄能除霜時(shí),低溫制冷劑蒸發(fā)所需熱量主要由相變蓄熱器提供,所以相對(duì)常規(guī)除霜,過冷蓄能除霜時(shí),室內(nèi)機(jī)銅管壁面溫度較高.常規(guī)除霜時(shí),銅管壁面溫度最低達(dá)到-7.8°C.在除霜后半段,過冷蓄能除霜時(shí)銅管壁面平均溫度為6.4°C,比常規(guī)除霜時(shí)高12.8°C.因此,過冷蓄能除霜可以有效地提高除霜過程中室內(nèi)的熱舒適性.2.5過冷蓄能除霜恢復(fù)供熱時(shí)室內(nèi)進(jìn)出風(fēng)溫差變化曲線如圖6所示.除霜結(jié)束后,即開啟室內(nèi)外風(fēng)機(jī).當(dāng)室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差達(dá)到15°C時(shí),恢復(fù)供熱過程結(jié)束.常規(guī)除霜時(shí),由于除霜結(jié)束時(shí)室內(nèi)機(jī)銅管壁面溫度較低,因此在恢復(fù)供熱的前100s內(nèi),室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差維持在3.8°C左右.過冷蓄能除霜時(shí),從恢復(fù)供熱開始,室內(nèi)機(jī)進(jìn)出風(fēng)溫差就迅速增加.完成恢復(fù)供熱,過冷蓄能除霜時(shí)需要180s,而常規(guī)除霜時(shí)則需要240s.因此,過冷蓄能除霜可減少25%的恢復(fù)供熱時(shí)間.3過冷蓄能除霜性能本文提出了過冷蓄能除霜的空氣源熱泵逆循環(huán)除霜方式.在供熱過程中,制冷劑的過冷熱量蓄存在相變蓄熱器中,為除霜提供低位熱源.為了研究過冷蓄能除霜的除霜特性搭建了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái),并進(jìn)行了過冷蓄能除霜和常規(guī)除霜的對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下:(1)過冷蓄能除霜時(shí),室外機(jī)進(jìn)出口制冷劑溫度較高.在試驗(yàn)?zāi)M