空气源热泵过冷蓄能除霜方法研究

空气源热泵过冷蓄能除霜方法研究

作为一种节能环保的加热设备，空气源热泵已越来越受到重视。在发达国家超过90%的地区，适用于炎热的加热和冷冻。在工业化高度发展的亚太地区，除了少数高山地区外，其他地区也可以使用空气源热泵进行加热。空气源热泵处于供热状态运行时,室外机作为蒸发器.当室外机壁面温度低于0°C,且低于空气露点时,室外机壁面将会结霜.霜层的形成将会减少室外机风量,降低室外机换热效率.同时还会增加翅片导热热阻,降低传热系数,进一步导致室外机换热性能的下降.因此,空气热泵在结霜工况下运行时需要周期性除霜.逆循环除霜是目前应用最为广泛的除霜方式之一.空气源热泵逆循环除霜的动态特性受多种因素的影响.由现有的文献可知,相对于空气源热泵结霜影响的研究,除霜研究较少.并且关于除霜的研究主要集中在系统建模和提高系统运行特性方面.O’Neal等对应用热力膨胀阀作为节流机构的家用空气源热泵除霜进行了试验研究.结果显示储液器和热力膨胀阀对除霜有着重要影响.Payne等对采用转子压缩机和往复压缩机的空气源热泵机组的除霜进行了试验研究.结果显示应用转子压缩机可以提高系统COP,降低排气过热度.O’Neal等研究发现增大毛细管的尺寸可以减少除霜时间.Huang等试验发现除霜结束时风机提前开机可以有效地防止压缩机由于低压保护而造成的停机.文献中研究了空气源热泵逆循环除霜的动态特性.在防止空气源热泵结霜方面,Jhee等研究发现对室外换热器表面进行憎水处理将会有效地提高除霜效率,缩短除霜时间.Wang等在热泵室外机的进口处通过固定沸石和活性炭的吸收床吸收空气中的水分,一方面降低了空气湿度,另一方面,由于水的冷凝放热提高了进口空气温度.Kinsara和Jain等分别设计了空气源热泵液体除湿系统,在防止结霜方面取得了良好的效果.尽管许多学者对空气源热泵的除霜问题进行了众多研究,但是除霜时缺少低位热源的本质问题没有解决(为避免向室内吹冷风而关闭室内机风机,导致室内换热器无法提供充足的除霜热量).由于除霜能量不足,除霜时压缩机吸气压力远低于供热时的平均水平,吸气比热容变大,制冷剂循环质量流量变小,最终导致除霜时间拉长,严重时导致压缩机停机.为了解决空气源热泵除霜能量不足的问题,文献中提出了空气源热泵蓄能除霜方法,利用相变材料蓄存部分高温气态制冷剂的相变热,除霜时加热低温制冷剂.为了提高系统供热性能系数,同时为除霜提供能量来源,本文提出了利用相变材料蓄存供热过程中制冷剂的过冷热量,除霜时提供低位热源的方法.并且主要针对制冷剂过冷蓄能除霜工况下除霜动态特性和对室内环境的影响进行对比试验研究.1试验原理和设计1.1不同放热方式下制冷剂对不同热量的影响相对于传统的空气源热泵,本系统在室内机出口与毛细管之间增加了一个相变蓄热器.系统原理如图1所示.在相变蓄热器内充注质量比为2∶1的癸酸和十四酸的混合物作为相变材料.其相变温度为24°C.在正常供热时,打开阀门F2和F3,关闭阀门F1,室内机出口制冷剂先流经相变蓄热器,之后到毛细管前端节流.一方面实现了制冷剂过冷,提高了供热性能系数;另一方面,实现了相变材料的蓄热,为除霜储备能量.在除霜运行时,毛细管节流后的低温低压液态制冷剂首先流经相变蓄热器.在相变蓄热器内,相变材料蓄存的热量通过翅片管传递给制冷剂.吸热后的制冷剂再流经室内机,回到压缩机.制冷剂蒸发所需的热量主要来自相变蓄热器.一方面完成了相变材料的相变放热过程,为下一次的过冷蓄热提供条件;另一方面,为除霜提供了充足的热量,解决了除霜能量来源不足的问题.1.2单设备试验系统和试验过程试验过程中制冷剂工质采用R22,压缩机额定输入功率为850W,额定制热量为2.5kW,室内风机与室外风机额定风量分别为450m3/h和3600m3/h.试验中布置了压力传感器(量程为3.0MPa,精度为±7.5kPa)、温度传感器(精度±0.1°C)、湿度传感器(精度±1.0%)和风速传感器(精度±0.2m/s).其布置如图1所示.为了获得制冷剂完全流动下的温度、压力值,以及消除管壁厚度对温度测量结果的影响,将压力传感器用毛细管连接在制冷剂管路中,将铂电阻的铂片直接插入焊接到制冷剂管路中的Ø5mm的铜管中,内灌入氧化银粉末作为导热剂.在系统压力、温度等参数稳定后,开启安捷伦34980A数据采集系统进行试验数据采集.试验过程中,通过控制人工模拟环境小室的供热量、供冷量以及加湿量,从而保证室外侧换热器所处环境温度为(-1.0±0.1)°C,相对湿度为85%±2%,室内侧换热器所处环境温度为(20.1±0.1)°C,相对湿度为50%.为了对过冷蓄能除霜的除霜效果进行对比研究,本文在保持室内外环境相同的情况下,进行了常规逆循环除霜的对比试验.同时,控制除霜终止的条件为室外机壁面最低温度达到33°C.2试验数据和分析2.1开冷蓄能除霜由图2可见,在除霜开始时,由于四通阀的换向,压缩机的吸排气压力突然变化.除霜前压缩机的吸排气压力分别为0.36和1.62MPa.对于常规除霜,在除霜60s时,压缩机的吸排气压力分别稳定在0.26和0.95MPa.而对于过冷蓄能除霜,除霜60s时,压缩机的吸排气压力开始稳定在0.36和1.59MPa,接近于正常供热状态下的吸排气压力;除霜结束时,常规除霜的吸排气压力为0.26和1.48MPa,过冷蓄能除霜的吸排气压力为0.55和1.82MPa.较高的吸排气压力可以有效地降低压缩机由于低压保护而停机的可能性,同时缩短了除霜时间.这主要是因为,过冷蓄能除霜时,低压制冷剂蒸发所需的热量主要来自相变蓄热器,相对于常规除霜,制冷剂蒸发压力较高,质量流量增大,排气压力亦增高.从而在除霜过程中有更多的能量用来除霜,因此除霜时间缩短,同时机组运行的可靠性提高.2.2过冷蓄能除霜在除霜过程中,室内机作为蒸发器,压缩机排出的高温制冷剂被用来融化和蒸发霜层.室外机进出口制冷剂温度可以作为一个衡量除霜速率的因素.由图3可见,常规除霜时,室外机出口制冷剂温度维持在0°C左右持续70s,而在过冷蓄能除霜下,则持续30s.过冷蓄能除霜下持续时间较短,主要是由于室外机进口温度较高,维持在45.8°C左右,而常规除霜只有39.1°C左右.130s后,由于霜层融化完全,室外机壁面处于干蒸发阶段,吸收热量减少,所以室外机出口制冷剂温度急剧增加.相对于常规除霜,过冷蓄能除霜的增加速率较快.在整个除霜过程中,过冷蓄能除霜时,室外机进出口制冷剂温度均高于常规除霜,因此提供除霜热量较多,除霜时间较少,为180s,相对于常规除霜时间缩短了30.8%.2.3压缩机输入功率除霜过程中压缩机输入功率如图4所示.由图4可见,除霜开始时,由于四通阀换向,压缩机输入功率急剧下降.过冷蓄能除霜时,从50s开始,输入功率达到并稳定在716.4W左右,接近于正常供热状态下的输入功率738.1W;从130s开始,压缩机的输入功率急剧上升,到除霜结束时达到1.06kW.常规除霜时,由于较低的吸排气压力,因此输入功率较低;除霜结束时,压缩机输入功率达到725.2W.尽管过冷蓄能除霜时压缩机输入功率较高,但是除霜时间较短,因此过冷蓄能除霜时的除霜能耗较低.在此试验状态下,过冷蓄能除霜的除霜能耗为141.1kJ,而常规除霜的除霜能耗为163.9kJ.2.4过冷蓄能除霜时温度比较.过冷蓄能除霜时温度比较多,其符合以下条件常规除霜时,不但不向室内机供热,反而从室内取热,因此降低了室内热舒适性.图5所示为除霜过程中室内机铜管壁面温度变化.由于过冷蓄能除霜时,低温制冷剂蒸发所需热量主要由相变蓄热器提供,所以相对常规除霜,过冷蓄能除霜时,室内机铜管壁面温度较高.常规除霜时,铜管壁面温度最低达到-7.8°C.在除霜后半段,过冷蓄能除霜时铜管壁面平均温度为6.4°C,比常规除霜时高12.8°C.因此,过冷蓄能除霜可以有效地提高除霜过程中室内的热舒适性.2.5过冷蓄能除霜恢复供热时室内进出风温差变化曲线如图6所示.除霜结束后,即开启室内外风机.当室内机进出风温差达到15°C时,恢复供热过程结束.常规除霜时,由于除霜结束时室内机铜管壁面温度较低,因此在恢复供热的前100s内,室内机进出风温差维持在3.8°C左右.过冷蓄能除霜时,从恢复供热开始,室内机进出风温差就迅速增加.完成恢复供热,过冷蓄能除霜时需要180s,而常规除霜时则需要240s.因此,过冷蓄能除霜可减少25%的恢复供热时间.3过冷蓄能除霜性能本文提出了过冷蓄能除霜的空气源热泵逆循环除霜方式.在供热过程中,制冷剂的过冷热量蓄存在相变蓄热器中,为除霜提供低位热源.为了研究过冷蓄能除霜的除霜特性搭建了动态试验台,并进行了过冷蓄能除霜和常规除霜的对比试验,试验结果如下:(1)过冷蓄能除霜时,室外机进出口制冷剂温度较高.在试验模拟