空氣溫濕度對(duì)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

空氣溫濕度對(duì)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)空氣源熱泵的除霜方法進(jìn)行了大量研究。在文獻(xiàn)中，本文研究了空氣源熱泵系統(tǒng)的特性，并分析了霜封液對(duì)冷熱系統(tǒng)性能的影響。在文獻(xiàn)中，建立了基于實(shí)驗(yàn)的空氣源熱泵除霜數(shù)學(xué)模型。在文獻(xiàn)中，我們研究了抗凍性過(guò)程和開口結(jié)構(gòu)對(duì)抗凍性葉片的影響。然而，在除冷風(fēng)的過(guò)程中，由于缺乏冷卻系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)缺乏低溫度的源，因此除霜時(shí)泵的吸力壓力低，除霜時(shí)間長(zhǎng)。在重結(jié)霜的情況下，除霜問(wèn)題是不完整和不完整的。除霜問(wèn)題嚴(yán)重影響了空氣源熱泵的性能和可靠性。文獻(xiàn)提出了一種基于可變蓄能的新除霜系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖1所示。在這項(xiàng)工作中，我們研究了可變蓄熱器對(duì)加熱性能的影響，并確定了系統(tǒng)的最佳蓄熱模式。文獻(xiàn)研究了空氣源熱泵除霜模式對(duì)除霜速度的影響，并認(rèn)為交換僅除霜是最佳除霜模式。在這項(xiàng)工作中，我們進(jìn)行了關(guān)于室外空氣溫度和濕度對(duì)消除外部熱泵葉片的影響的實(shí)驗(yàn)研究。1設(shè)備和條件1.1空氣溫度和濕度測(cè)量室外環(huán)境模擬小室空氣處理系統(tǒng)主要有空氣冷卻、加熱和加濕3部分組成.模擬小室降溫通過(guò)制冷量為4.5kW的移動(dòng)冷水機(jī)組和冬季室外低溫自然冷實(shí)現(xiàn).加濕由兩臺(tái)加濕量為300g/h的超聲波加濕器實(shí)現(xiàn),可通過(guò)對(duì)電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加濕速度的調(diào)節(jié).在本文實(shí)驗(yàn)中,室外機(jī)空氣溫度測(cè)量精度為±0.25℃,相對(duì)濕度測(cè)量精度為±2%,室內(nèi)機(jī)的入口平均空氣溫度控制在(19.5±0.5)℃.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料該系統(tǒng)由1臺(tái)分體采用R22作為制冷劑的熱泵型房間空調(diào)器改造而成,其額定制熱量為2.5kW,制冷量為2.3kW,額定功率0.86kW.為達(dá)到迅速吸放熱的目的,必須增大相變材料與制冷劑之間的換熱面積.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出雙螺旋盤管套筒形蓄熱器.蓄熱器由內(nèi)外兩套筒組成,將兩個(gè)不同直徑的螺旋盤管置于兩套筒之間(長(zhǎng)度分別為5.70、6.67m),相變材料充注于雙螺旋盤管和內(nèi)外套筒之間構(gòu)成的3個(gè)夾層空間(容積為1.869mL),結(jié)構(gòu)如圖2所示(實(shí)線和虛線箭頭分別為蓄熱和除霜工況制冷劑的流向).相變材料對(duì)蓄能除霜性能有重要影響.經(jīng)篩選,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O溶液作為添加劑的CaCl2·6H2O溶液作為蓄熱材料.多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用1L相變材料即可基本滿足實(shí)驗(yàn)工況的除霜需要,因此本文除霜實(shí)驗(yàn)中采用的液相CaCl2·6H2O溶液的體積為1L,各工況結(jié)霜時(shí)間均為90min.1.3除霜前后溫度與濕度的測(cè)試為研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,分別在壓縮機(jī)的吸排口、毛細(xì)管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外,還在室外換熱器的吸排風(fēng)處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風(fēng)速傳感器,用以測(cè)量室外換熱器進(jìn)出口空氣狀態(tài)和風(fēng)量.在室外換熱器的管壁上布置4個(gè)代表4個(gè)典型的測(cè)試區(qū)域的溫度測(cè)點(diǎn)以觀察在除霜過(guò)程中室外機(jī)管壁溫度的變化.本實(shí)驗(yàn)選用溫度傳感器精度為±0.1℃,壓力傳感器精度為0.25級(jí),濕度傳感器精度為±1.5%.實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示(T、p、H分別代表溫度、壓力和相對(duì)濕度測(cè)點(diǎn)).2表面溫度型.反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外機(jī)表面溫度升至50℃時(shí)才能保證室外機(jī)表面水有少量的水蒸氣逸出.因此本實(shí)驗(yàn)除霜時(shí)采用室外機(jī)表面溫度升至50℃作為除霜終止的判斷依據(jù).2.1空氣溫度對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響研究表明,空氣源熱泵溫度為-5～5℃,相對(duì)濕度在70%以上氣象條件下運(yùn)行時(shí)室外換熱器表面最易結(jié)霜.因此本文研究中保證空氣相對(duì)濕度為80%,分別對(duì)空氣溫度在-5、-3、-1、1、3、5℃時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.2.1.1空氣溫度對(duì)除霜效率的影響圖3為空氣相對(duì)濕度為80%,不同空氣溫度時(shí)除霜過(guò)程中壓縮機(jī)排氣壓力隨時(shí)間的變化.由圖可知,除霜過(guò)程中,壓縮機(jī)的排氣壓力先降低后升高,且室外空氣溫度越高,升高速度越快.比較還可以發(fā)現(xiàn),各種空氣溫度下,系統(tǒng)的除霜所需時(shí)間隨著空氣溫度的降低先增長(zhǎng)后縮短.比如,當(dāng)空氣溫度分別為5、-3、-5℃時(shí),除霜時(shí)間分別為182、393、332s.分析原因,溫度為0～5℃時(shí),隨著空氣溫度的降低室外換熱器結(jié)霜量增多,而除霜過(guò)程中室外換熱器由自然對(duì)流導(dǎo)致的向環(huán)境散熱也越來(lái)越多,導(dǎo)致除霜時(shí)間增長(zhǎng).當(dāng)越過(guò)結(jié)霜量最多溫度點(diǎn)(0℃)后,雖然結(jié)霜量變少,但空氣溫度越來(lái)越低,導(dǎo)致除霜時(shí)間并未隨結(jié)霜量的減少而減少,反而增長(zhǎng).隨著空氣溫度的降低,結(jié)霜量減少,結(jié)霜量對(duì)除霜速度的影響超過(guò)空氣溫度的影響,因此-5℃時(shí)除霜時(shí)間比-3℃時(shí)有所縮短.圖4為相對(duì)濕度為80%,不同空氣溫度時(shí),除霜過(guò)程中壓縮機(jī)吸氣壓力隨時(shí)間的變化.由于系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換,在除霜初始30s內(nèi)壓縮機(jī)吸氣壓力迅速上升之后迅速下降至最低點(diǎn),然后又經(jīng)歷了回升和再降低的過(guò)程.由圖可知,除霜過(guò)程中,空氣溫度越高壓縮機(jī)的吸氣壓力越高.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于增加了相變蓄熱器,即使-3℃工況下,除霜結(jié)束時(shí)壓縮機(jī)的吸氣壓力保持在0.4MPa,遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)的低壓保護(hù)值(實(shí)際中通常設(shè)定為0.10～0.15MPa).因此,相變蓄熱器可有效提高壓縮機(jī)的吸氣壓力,避免保護(hù)性停機(jī).2.1.2結(jié)霜期溫度穩(wěn)定圖5為相對(duì)濕度為80%,不同空氣溫度時(shí),除霜過(guò)程中室外機(jī)翅片管表面平均溫度隨時(shí)間的變化.由圖可知,對(duì)于5、-3、-5℃時(shí)的工況,由于表面結(jié)霜量比較少,融霜時(shí)間非常短,和其他工況相比不存在溫度保持穩(wěn)定的階段,而是直接升高.對(duì)于其他工況,室外機(jī)壁溫先升高,后保持不變,然后再迅速升高且升高速度越來(lái)越慢.分析原因:除霜初始階段,蒸發(fā)器被加熱,溫度迅速升高,當(dāng)升高至0℃時(shí),霜層開始融化,因此在一段時(shí)間內(nèi)溫度保持穩(wěn)定.當(dāng)霜層完全被融化后,翅片管被加熱,溫度迅速升高.隨著溫度的升高,翅片管和環(huán)境間的溫差越來(lái)越大,自然對(duì)流損失所占比重增大,因此升高速度減慢.2.1.3不同濕度下的壓縮機(jī)能耗比較.圖6、7分別為相對(duì)濕度為80%,不同空氣溫度時(shí),除霜過(guò)程中壓縮機(jī)功率隨時(shí)間的變化和壓縮機(jī)能耗隨溫度的變化.由圖可知,在除霜初始30s內(nèi),壓縮機(jī)功率迅速降低至最低點(diǎn),約為400～500W,然后又逐漸升高.當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃時(shí),壓縮機(jī)的能耗在除霜后期保持緩慢的穩(wěn)定增長(zhǎng).對(duì)比7種工況壓縮機(jī)耗功可知,在本實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)相對(duì)濕度為80%時(shí),在空氣溫度為-3～5℃時(shí),壓縮機(jī)在整個(gè)除霜過(guò)程中能耗隨著空氣溫度的降低而逐漸增高.由于-5℃時(shí)結(jié)霜量少于-3℃時(shí)的工況,導(dǎo)致-5℃時(shí)系統(tǒng)能耗比-3℃時(shí)能耗減少約50kJ.理論分析知,溫度一定時(shí),結(jié)霜量隨相對(duì)濕度的增加而增加,而除霜時(shí)滯留霜水的蒸發(fā)速度由于相對(duì)濕度的增加而減小,必然導(dǎo)致滯留水蒸干時(shí)間延長(zhǎng),對(duì)流散熱損失增加.因此,可認(rèn)為當(dāng)濕度一定時(shí),-3℃時(shí)的工況為本實(shí)驗(yàn)條件下設(shè)計(jì)相變蓄熱器的最不利工況.2.1.4相變材料溫度圖8為相對(duì)濕度為80%,不同空氣溫度時(shí),除霜及系統(tǒng)再次蓄熱過(guò)程中相變材料溫度隨時(shí)間的變化.由圖可知,在除霜初始時(shí)刻室外空氣溫度越高相變材料溫度越高.隨著除霜的繼續(xù),相變材料溫度迅速降低.對(duì)于5℃和3℃時(shí)的工況,由于除霜時(shí)間較短,相變材料初始溫度較高,除霜結(jié)束時(shí)相變材料溫度還未低于相變溫度.對(duì)于其他4種工況,相變材料最終溫度均低于相變溫度,其中3℃工況相變材料溫度最低.由相變材料溫度變化可知,所設(shè)計(jì)相變蓄熱器基本可以滿足除霜的需要.除霜結(jié)束后,系統(tǒng)恢復(fù)供熱(蓄熱),相變材料溫度逐漸升高,其中平緩區(qū)意味著相變材料正發(fā)生相變,越過(guò)相變溫度點(diǎn)后,相變材料溫度迅速升高.結(jié)合圖7壓縮機(jī)除霜能耗可知,應(yīng)當(dāng)把-3℃作為實(shí)驗(yàn)條件下相變蓄熱器設(shè)計(jì)的最不利工況溫度.2.2空氣濕度對(duì)結(jié)霜溫度的影響研究表明,當(dāng)空氣相對(duì)濕度一定時(shí),空氣溫度為0～3℃時(shí),空氣源熱泵室外換熱器結(jié)霜最為嚴(yán)重.因此,為研究相對(duì)濕度對(duì)除霜時(shí)間、相變材料溫度及壓縮機(jī)能耗的影響,結(jié)霜時(shí)保證空氣溫度為1℃,分別對(duì)空氣濕度為55%,60%,70%,80%,85%時(shí)的工況進(jìn)行研究.2.2.1濕度對(duì)除霜時(shí)間的影響圖9為室外空氣溫度為1℃,除霜時(shí)間和除霜結(jié)束時(shí)相變材料溫度隨相對(duì)濕度的變化.由圖可知,隨著室外空氣相對(duì)濕度的增大除霜時(shí)間逐漸增長(zhǎng).當(dāng)相對(duì)濕度為55%時(shí),由于結(jié)霜量非常少,將室外換熱器升高至50℃僅需150s,除霜時(shí)間較短,除霜結(jié)束時(shí)相變材料溫度為31℃,未發(fā)生相變.隨著相對(duì)濕度的增大,除霜時(shí)間逐漸升高,當(dāng)相對(duì)濕度升至85%時(shí),除霜時(shí)間增至270s,除霜結(jié)束時(shí)相變材料溫度僅為0.6℃,蓄能略有不足.2.2.2不同相對(duì)濕度時(shí),空氣濕度對(duì).圖10為室外空氣溫度為1℃,除霜能耗隨相對(duì)濕度的變化.隨著室外空氣相對(duì)濕度的增大除霜過(guò)程壓縮機(jī)能耗逐漸增大.當(dāng)相對(duì)濕度為55%時(shí),由于結(jié)霜量非常少,除霜過(guò)程壓縮機(jī)能耗僅為116kJ.隨著相對(duì)濕度的增大,除霜時(shí)間逐漸增長(zhǎng).當(dāng)相對(duì)濕度升至85%時(shí),除霜過(guò)程壓縮機(jī)能耗增至206kJ.因此,在設(shè)計(jì)相變蓄熱器時(shí),應(yīng)充分考慮熱泵所應(yīng)用地域空氣相對(duì)濕度,避免出現(xiàn)蓄熱不足情況.3空氣濕度對(duì)除霜效果的影響1)對(duì)空氣溫濕度對(duì)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的除霜特性、除霜時(shí)間及能耗的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在保持室外空氣溫度不變時(shí),隨著室外空氣濕度的增大除霜所需時(shí)間逐漸增長(zhǎng),除霜能耗逐漸增加.2)當(dāng)空氣相對(duì)濕度一定時(shí),除霜時(shí)間隨著空氣溫度的降低先增長(zhǎng)后減少,除霜能耗先增大后減少,其中-3℃工況為