双通路换热器除霜性能的实验研究

双通路换热器除霜性能的实验研究

由于房间温度较低，中央吸盘表面逐渐硬化。随着霜层的增厚，室内空调器的出风温度和制制能力逐渐降低。在这种情况下，必须消除霜冻。传统的除霜方法是采用四通阀换向,将室外换热器转换成冷凝器来进行的。四通阀换向除霜所需的热量为从室内环境的吸热量、室内换热器蓄热量、压缩机消耗电力和压缩机蓄热量四部分之和,出于人体舒适性考虑、室内换热器风扇停止运行。由于除霜时需从室内换热器和室内环境取热,故存在以下缺点:①除霜时间长(低温高湿地区可达15分钟);②由于室内风扇停止运行,其换热器表面温度低达-20～-25℃,恢复制热后,室内机较长时间吹不出热风;③需从室内环境取热,室温将降低5～6℃;④开始与结束除霜时,四通阀换向存在较大的气流声响;⑤由于制热时室外换热器出口制冷剂可能过冷到0℃以下,换热器下部的霜层难以除掉,造成冰层堆积,甚至还出现过室外风扇电机烧毁、扇叶损坏现象。上述缺点使室内环境的舒适性和设备的可靠性受到较大程度的负面影响。为此,研究除霜与结束除霜判据,开发新型除霜方法成为了热泵空调系统的研究重点之一,本文在变频空调器中,采用了热气旁通除霜方法。通过对不同阻力的旁通电磁阀的除霜效果进行了分析比较,研究表明,热气旁通除霜不仅可以缩短除霜时间,改善除霜效果,而且较大程度地改善了室内环境的舒适性。1除霜结束时盘管温度变化热气旁通除霜是指利用制冷系统压缩机排气管和室外换热器与毛细管之间的旁通回路,将压缩机的高温排气直接引入室外换热器中,通过压缩机排气热量将换热器外侧的霜层融化。空调器除霜时,四通阀不需换向,室内外换热器风扇停止运行,除霜的热量来源为压缩机所消耗的电力和压缩机壳体的蓄热量两部分。除霜过程的循环原理由图1所示,其中图(a)为除霜开始、图(b)为除霜结束时的制冷剂状态。一般而言,系统中毛细管阻力〉〉旁通电磁阀阻力,故制冷剂几乎全部被旁通至室外换热器中进行融霜,制冷剂在系统中的流动路径为1”→2→3→4→1→1”。即压缩机从气液分离器中吸入饱和蒸气1”压缩至排气状态2,经过旁通电磁阀降压节流至状态3,进入室外换热器内,与换热器内部的两相制冷剂5混合成状态4,在压缩机连续的抽吸过程中,两相制冷剂4沿换热器盘管内部通道将热量排放至霜层,进一步冷凝至状态1,并克服盘管阻力返回压缩机吸气管前端的气液分离器中,被分离出的液体1’贮存在气液分离器内,气体1”再次进入压缩机压缩成高温蒸气。随着除霜过程的进行,液态制冷剂连续不断地返回到气液分离器中,贮存在室外侧换热器盘管内的制冷剂质量逐渐减少,使制冷剂5的温度逐渐上升,强化了除霜效果;另一方面,盘管温度上升,将导致排气热量的一部分释放给室外空气,减少了除霜热量,特别是在室外温度低、压缩机蓄热用尽,仅依靠压缩机耗功提供热量时,换热器通道末端盘管的霜层及难融化。因此,除霜时应尽可能将压缩机的蓄热量和压缩机消耗电力充分利用,以提高除霜速度,改善除霜效果。2t型从排霜率的设置本文实验采用自行研制的变频空调器。其结构原理图如图1所示。在实验样机的排气管出口20cm处、距气液分离器入口10cm处的吸气管、室外换热器测温点、旁通管出口与室外换热器入口处、室内换热器测温点和室内出风口处布置了T型热电偶。在实验过程中,通过热电偶测试各处的温度,并采集空调器的输入功率等性能参数。实验在焓差实验台上进行。压缩机的运行频率由室内温度及其变化率来控制。空调器的室内机风速通过设置在室内换热器盘管上的温度传感器来采样进行闭环控制,在除霜过程中,室内风扇的风速也遵循此控制决策,室外换热器风扇停止运转。热气旁通除霜,可保证室内换热器表面温度不至于过度降低,一般均高于室内环境温度,故结束除霜进入制热运转时,室内机吹出热风速度快,提高了室内环境的舒适性。3除霜判据的确定空调器进入除霜后,必须要求一次性地将霜层除干净,一旦未除掉,又进入制热过程,未除掉的霜层和除霜水将会快速地冻结成为密度较大的霜或冰,当系统再次进入除霜时,很难将霜层除掉。由于热气旁通除霜,系统不可能从室内取热,其除霜热量相对较小,且压缩机频率随室内负荷变化,其蒸发温度的波动范围较大,为避免制冷系统除霜不净或出现误除霜现象发生,采用了时间、换热器盘管温度和室外温度三者作为除霜判据;为研究除霜过程,将最长除霜时间定为15分钟。3.1.除霜前后的结霜过程当除霜电磁阀的阻力较大时,在除霜的过程中,仍有一部分压缩机排气通过四通阀进入室内,继续向室内供热。采用阻力较大的除霜电磁阀A,在室内干/湿球温度为20/15℃,室外温度为-2～-3℃、相对湿度为85～90%条件下进行结霜/除霜实验。首次除霜时间进行了15分钟,除霜效果为下组蒸发器的霜层能除掉,但上组蒸发器的上部排管仍残留有部分霜层;从第二次除霜开始,尽管除霜时间为15分钟,但上、下组蒸发器的上部排管的霜层均不能融化,并逐步冻结成冰。除霜电磁阀更换为阻力较小的B,在上述条件下进行除霜实验。其结果见图3、4。除霜开始与结束的时刻可以从图5中功率突变清楚看出。比较图3、4可以看出,除霜电磁阀开启或关闭1～1.5分钟后,温度才反映出来,即温度纯滞后为1～1.5分钟;除霜时,室内换热器盘管最低温度为32℃,略比排气温度(33℃)偏低,室内出风温度约30℃,比室内温度高约10℃,表明在除霜过程中仍然有部分排气在向室内供热;当除霜进行12.5分钟时,压缩机吸气管温度升至0℃,此时室外换热器传感器处的温度为3.9℃;当室外换热器传感器处的温度达到8℃时,所需的时间为15.2分钟。在结霜过程中,上下组蒸发器结霜均匀一致。结霜与除霜周期中,蒸发器表面的霜层变化过程如表1所示。从上述实验结果可知,除霜进行至12.3分钟时,虽然霜层已完全融化,但若不解除除霜,空调器输入功率将继续增大,浪费电能。3.2.空调器至除霜温度的特性更换为阻力较小的除霜电磁阀C,进行结霜/除霜实验。在结霜过程中,维持室内干/湿球温度为20/15℃,室外相对湿度为85～90%工况条件,室外温度在40分钟内从7℃降至-2.5℃,之后稳定在-2～-3℃范围内。其实验结果如图5、6和表2所示。当空调器达到除霜条件时,除霜电磁阀开启,进入除霜运行,其现象与前述除霜现象相似,所不同的是,压缩机吸气管温度到达0℃的时间有较大程度的缩短,霜层融化速度提高,霜层完全融化的时间缩短为7.5～8分钟。通过上述实验可以得出结论:电磁阀的阻力大小直接影响到除霜时间的长短和除霜效果,其阻力越小越容易除霜,除霜时间也越短。采用阻力较小的旁通电磁阀除霜时,霜层全部融化的时间小于10分钟。3.3.除霜前后的温度分布、功率变化和融霜状况在除霜时,配合除霜电磁阀的动作,关闭液体管截止阀(如图1中的阀1)以模拟电子膨胀阀和热气旁通电磁阀联合除霜的除霜效果。(1)当空调器进入除霜时,除霜电磁阀上电(开路),压缩机升频至122Hz,30秒钟时,关闭液体管截止阀。当到达结束除霜判据时,压缩机频率逐渐下降至40Hz,再关闭除霜电磁阀及液体管截止阀。其除霜过程中的制冷系统的温度分布、功率变化和融霜状况参见图7、8和表3中的“除霜实验4”(2)当空调器进入除霜时,除霜电磁阀上电(开路),同时关闭液体管截止阀,压缩机升频至122Hz。当到达结束除霜时,压缩机频率逐渐下降至40Hz,再关闭除霜电磁阀及液体管截止阀。其除霜过程中的制冷系统的温度分布、功率变化和融霜状况参见表3和图7、8中的“除霜实验5”。在两次除霜过程中,蒸发器盘管温度>3℃,此时压缩机回气管温度均回升至0℃或0℃以上,且除霜效果良好。在除霜实验4、5中,室内盘管最低温度为22℃,自动关闭室内风,不许向室内吹风,故图7中“冷凝器出风”温度表现为室温(19.8℃),室内舒适性还能得到保证。3.4.除霜电磁阀的阻力在除霜过程中,空调器瞬时输入功率沿时间的积分为除霜过程中所消耗的电能。各个除霜过程所消耗的电能大小取决于除霜时间的长短和瞬时耗功率的大小,而除霜时间直接与除霜电磁阀的阻力和能否关断液体管有关。从图4、6、8可以看出,以从进入除霜至霜层全部融化为止,所消耗电能分别为:N阻力过大的电磁阀=0.44KWh。N阻力较小的电磁阀=0.28KWh,N延时关闭液体截止阀=0.16KWh,N同进关闭液体截止阀=0.125KWh。由此可见,采用热气旁通除霜时,宜选用局部阻力较小或阀芯通径较大的电磁阀,在采用电子膨胀阀节流的空调系统中,采用热气旁通除霜时,电子膨胀阀完全关闭,可以缩短除霜时间,并且有良好的节能效果。4旁通除霜电磁阀的质量优化4.1.热气旁通除霜可用于房间空调器及相关设备中,除霜过程中,制冷系统不需要从房间内取热,室内盘管温度高于室内温度,对改善室内舒适性有利。4.2.旁通除霜电磁阀的质量优劣直接关系到除霜时间及除霜效果。采用阻