相变蓄热器在空气源热泵除霜中的应用

相变蓄热器在空气源热泵除霜中的应用

1蓄热除霜原理空气源热泵通常采用逆循环去除霜冻。在轻和中度结霜条件下，除霜冻效果好，但抗冻性长，可靠性差。空气源热泵逆循环除霜时的低温热源为室内空气,为尽量降低对室内热环境的影响,除霜时室内机的风机关闭,但易造成低温热量不足,这成为制约除霜高效稳定运行的关键问题。针对此问题,研究人员开发出多种新型的蓄热除霜系统,将蓄热器中储存的热量作为除霜时的主要低温热源,以提高空气源热泵的除霜性能。蓄能式空气源热泵除霜系统(已获得中国专利)以相变材料作为相变蓄热器的蓄热材料,在空气源热泵正常制热工况时蓄热,除霜时相变蓄热器作为主要低温热源。相变材料采用以CaCl2·6H2O为主的水溶液,溶液中含有少量的Ba(HO)2、BaI2(作为成核剂、增稠剂)。该相变材料的相变温度比较稳定,基本维持在27～32℃,恰好处于冷凝温度与蒸发温度之间,并接近冷凝温度,可充分利用其显热蓄热量。本文对配备相变蓄热器的空气源热泵,在中、重度结霜下的除霜性能进行实验研究。2空气处理装置实验地点位于哈尔滨,实验时利用冬季室外冷空气作为辅助冷源,对人工气候小室(以下简称小室)及小室周围环境进行预冷却。小室内通过空气处理装置,营造空气源热泵运行时的低温、高湿环境。将空气源热泵的室外机置于小室内,通过调节小室内温度、湿度控制室外机换热器的结霜程度。除霜实验系统(见图1)由以下3部分组成:①小室及空气处理装置。小室具有良好的绝热和保湿性能,空气处理装置包括空气冷却器、空气加热器、空气加湿器。空气冷却器为一台制冷量为5kW的制冷机,空气加热器为一台可调热功率的2kW红外线电加热器,空气加湿器为4台加湿量为300g/h的超声波加湿器。②配备相变蓄热器的空气源热泵由一台KFR-23GW/T型分体式空气源热泵改造而成,其额定制热量为2500W。改造时引入相变蓄热器,并设置7个阀门(阀门位置见图1)。通过对阀门的开闭组合可实现制热工况以及除霜工况下相变蓄热器与室内机的串联、并联、相变蓄热器的单独运行3种工作模式。阀门的开闭组合见表1。③实验参数检测记录系统。小室内空气相对湿度的测量由CHT-WI/B型壁挂式湿度变送器完成,测量相对误差为±3%。各测点温度由XSL/A-32LS2V0型多路数据采集仪测量并记录,采样周期为3～30s,温度传感器为PT100热电阻,测量误差为±0.3℃。压力测点共有4个:压缩机吸气压力、排气压力、节流前压力、节流后压力,采用压力变送器测量。压缩机功率由WT210型数字功率仪监测记录。为测量除霜工况下室外机换热器(翅片管结构)表面温度,在室外机换热器不同位置共设置了11个温度测点(T12～T22),见图2,图中制冷剂的流向为除霜工况。3除霜工况下室去霜温度分布实验共涉及6种除霜工况,其中除霜工况1、2为中度结霜工况,化霜水质量为260～285g;除霜工况3～6为重度结霜工况,化霜水质量为360～510g。不同除霜工况下的测试结果见表2。由现场观测及测试数据可知,在相对湿度较大时,室外换热器表面结霜速度很快,在45min内霜层即可基本堵塞室外机换热器的翅片管风道,形成中、重度结霜,造成空气源热泵制热性能显著下降。笔者曾对中、重度结霜工况下空气源热泵逆循环除霜性能进行实验研究。实验结果表明,逆循环除霜应对中、重度结霜工况的能力不足,主要表现为:除霜时压缩机吸排气压力较低,除霜热量不足;除霜后室外机换热器翅片管间残留较多小水珠,容易在恢复制热时结成小冰晶;除霜时间长,一般不短于8min;除霜后期室内换热器表面温度下降至-20℃以下,恢复供热时间长,有冷风吹出。室外机换热器表面温度决定了霜层融化时间和随后进行的水分蒸发是否充分,是实验中重点监测的重要参数之一。对除霜工况1、4、5、6下室外机换热器各测点温度随除霜时间的变化分析可知,在4种除霜工况下,室外机换热器各测点温度变化类似:在除霜初期120s内,由于霜层融化吸收大量热量,各测点温度上升缓慢,尤其是位于室外机换热器出口位置的测点T12、T15,在重度结霜时(除霜工况5、6),除霜至210s时温度仍然在5℃以下。而位于换热器进口位置的测点T22温升最快,远高于其他测点温度,霜层最先融化,表面滞留的水珠也很快蒸发完全,这是由于该测点为除霜工况下高温制冷剂的入口点。4种除霜工况下,除霜终了时室外机换热器表面平均温度均可维持在25～35℃,或更高。由于相变蓄热器工作模式不同,4种除霜工况下的室外机换热器表面温度变化也存在差异。对于除霜工况1、5,相变蓄热器与室内机串联,除霜后期室外机换热器表面温度均存在一个温度平稳期。对于除霜工况1,温度平稳期可达120s;对于除霜工况5,温度平稳期可达100s。对于除霜工况4、6,相变蓄热器分别为并联、单独工作模式,室外机换热器表面温度会随着除霜时间持续上升,不存在温度平稳期。分析认为,除霜工况1、5温度平稳期的出现说明低温热源供热良好(室内机仍然提供部分热量),制冷剂蒸发充分。而工况4、6在除霜后期,低温热源供热量不足,制冷剂蒸发不完全,压缩机吸气量不足,导致排气压力和压缩机功率也相应增加。尤其当除霜时间较长时,增加了空气源热泵过压危险和能量损耗,这一点从压缩机排气压力与功率的测试数据中也得到了验证。除霜工况时相变蓄热器中已完成蓄热的液态相变材料能否快速实现相变,是决定除霜高效稳定运行的重要因素之一。除霜工况1、6下相变材料随除霜时间的变化见图3、4。由图3、4可知,除霜终了时相变材料都发生了较完全的相变。除霜工况1、6下压缩机吸排气压力的变化见图5、6。由图5、6可知,除霜工况1、6的压缩机吸气压力基本保持在200～300kPa。除霜后期,除霜工况1的压缩机排气压力稳定在1400kPa左右,而除霜工况6的压缩机排气压力升高到1600kPa以上。除霜工况1、5下室内机换热器进出口表面温度随除霜时间的变化见图7、8。实验表明,由于相变蓄热器作为除霜的主要低温热源,与逆循环除霜相比,室内机换热器表面温度有明显改善,平均提高5～10℃。对于除霜工况5,除霜时室内机换热器表面温度最低值也高于-15℃。这对快速恢复供热以及提高供热品质很有帮助。4源热泵除霜性能好①配备相变蓄热器的空气源热泵利用相变材料蓄热量作为除霜时的主要低温热源,解决了空气源热泵除霜时低温热源供热不足的问题。②中、