2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實(shí)驗(yàn)研究-空氣源

1、2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實(shí)驗(yàn)研究> 空氣源 摘要：為了解決跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下運(yùn)行蒸發(fā)器的結(jié)霜問題，對(duì)一種可應(yīng)用于CO2跨臨界循環(huán)的熱氣除霜方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在對(duì)熱氣除霜過程中系統(tǒng)循環(huán)特性分析的基礎(chǔ)上，搭建了空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)系統(tǒng)各參數(shù)點(diǎn)壓力和溫度變化曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析了除霜過程中系統(tǒng)循環(huán)的變化規(guī)律和蒸發(fā)器的除霜特性，發(fā)現(xiàn)除霜時(shí)熱泵系統(tǒng)的流量增大，氣體冷卻器內(nèi)的溫降減小，故增大氣體冷卻器出口的CO2氣體溫度是提高除霜效率的關(guān)鍵。同時(shí)，結(jié)合實(shí)時(shí)采集的蒸發(fā)器表面霜層變化圖像，分析了蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)除霜過程，直觀觀測了熱氣除霜的除霜效果，整個(gè)除霜過程保持了600s

2、，熱氣除霜的除霜效率為35.6%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，熱氣除霜方法是用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)除霜切實(shí)可行的方法。 U29er29A1154ini29AraAorDe29kAop作文/2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實(shí)驗(yàn)研究> 空氣源_關(guān)鍵詞：熱氣除霜；跨臨界CO2系統(tǒng)；除霜特性；除霜效率中圖分類號(hào)：TH327文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：0253-987X（2015）03-0074-06在空調(diào)和熱泵系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，CO2是一種很有前途的替代制冷劑。作為一種天然制冷劑，CO2具有價(jià)格便宜、容易獲取、化學(xué)性能穩(wěn)定和安全性好等優(yōu)勢。考慮到在氣體冷卻器內(nèi)制冷劑溫度滑移和水溫升高的完美匹配，空氣源跨臨界CO2

3、熱泵系統(tǒng)作為熱水器具有其他供熱方式無法比擬的優(yōu)勢，這使得空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器成為熱水供應(yīng)的首選。眾所周知，翅片管式蒸發(fā)器表面溫度低于水的冰點(diǎn)溫度和空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)霜，大量堆積的霜層會(huì)堵塞翅片間的空氣流動(dòng)通道，增大空氣側(cè)的換熱熱阻，導(dǎo)致蒸發(fā)器的傳熱性能降低，蒸發(fā)器風(fēng)扇功耗增加。要消除這些影響，蒸發(fā)器翅片表面的霜層要及時(shí)除去，在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中一般采用的方法有熱氣旁通法、反向除霜法、電加熱方法、顯熱除霜方法和自然循環(huán)除霜法。然而，對(duì)于具有工作壓力高和跨臨界傳熱特性的空氣源CO2熱泵系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)的除霜方法不能直接采用。為了解決空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜問題，不倫瑞克工

4、業(yè)大學(xué)的Mildenberger搭建了一個(gè)空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)自然循環(huán)除霜方法進(jìn)行了驗(yàn)證。在跨臨界CO2熱泵自然循環(huán)除霜方法中，因此霜層融化所需的熱量來源于熱水箱，由系統(tǒng)中制冷劑的重力循環(huán)輸送到蒸發(fā)器中，除霜時(shí)間較長。自然循環(huán)除霜方法的不足之處是熱水箱中的溫度會(huì)降低，從而導(dǎo)致使用時(shí)的熱水發(fā)生溫度波動(dòng)，更重要的是，蒸發(fā)器和氣體冷卻器之間必須保持一定的高度差，以促進(jìn)重力循環(huán)。2011年Minetto開發(fā)了一種跨臨界CO2熱泵機(jī)組的除霜方法，該方法是采用壓縮機(jī)排氣旁通到蒸發(fā)器中進(jìn)行除霜，同時(shí)低壓儲(chǔ)液罐的外表面布置了一個(gè)900W的電加熱器，整個(gè)除霜過程約19min，直到蒸發(fā)器

5、的溫度達(dá)到10為止。但是，該方法只對(duì)整個(gè)除霜過程中溫度的變化進(jìn)行了分析，而沒有對(duì)系統(tǒng)壓力的變化進(jìn)行研究，無法驗(yàn)證除霜理論的正確性，關(guān)于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜特性更是無從談起。因此，對(duì)于除霜效率高、熱水溫度影響小的切實(shí)可行的除霜方法的研究就顯得非常重要。為了解決空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜問題，本文提出了熱氣除霜的解決方法，重點(diǎn)對(duì)空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜特性和系統(tǒng)循環(huán)變化做了詳細(xì)的分析。通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)除霜過程中系統(tǒng)動(dòng)態(tài)參數(shù)變化做了比較分析，得出了不同階段的系統(tǒng)循環(huán)特性，并對(duì)空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的除霜效果進(jìn)行了直觀分析，最后對(duì)熱氣除霜方法的除霜效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。1熱

6、氣除霜方法熱氣除霜方法為：在除霜過程中將與電子膨脹閥并聯(lián)的除霜電磁閥打開，經(jīng)過氣體冷卻器降壓后的制冷劑氣體直接流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)通過冷凝放熱融化霜層，如圖1所示。整個(gè)除霜過程中壓縮機(jī)不中斷，而水泵和蒸發(fā)器風(fēng)扇停止工作。如圖2所示，熱氣除霜系統(tǒng)循環(huán)可描述為6個(gè)過程：1-2表示低壓和低溫的制冷劑氣體被壓縮成高壓、高溫的制冷劑氣體；2-3表示高溫、高壓制冷劑氣體在氣體冷卻器內(nèi)的降壓過程，溫度也會(huì)部分降低；3-4表示在中間換熱器內(nèi)的部分降壓、降溫過程，用于加熱蒸發(fā)器出口的氣液兩相混合物；4-5表示中間壓力的制冷劑氣體通過除霜電磁閥節(jié)流后成為低壓的制冷劑氣體；5-6表示氣相制冷劑在蒸發(fā)器中冷凝釋放熱

7、量、融化蒸發(fā)器翅片上的霜層；6-1表示了蒸發(fā)器出口的氣液兩相混合物在中間換熱器中的加熱過程，使液體制冷劑汽化，有助于防止壓縮機(jī)液擊。在正常的熱泵運(yùn)行過程中，蒸發(fā)器是用于從環(huán)境空氣中吸收熱量，電子膨脹閥節(jié)流后制冷劑兩相混合物在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，最后在中間換熱器內(nèi)變成過熱氣體。當(dāng)除霜過程開始時(shí)，在蒸發(fā)器中部分制冷劑冷凝放熱，而熱量通過管壁傳遞到霜層，吸收了熱量的霜層開始融化。2測試環(huán)境及實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建2.1測試環(huán)境除霜實(shí)驗(yàn)是在西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所“余熱回收高溫?zé)岜孟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室”內(nèi)進(jìn)行的，該實(shí)驗(yàn)室由環(huán)境室、空氣控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、給水控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成。實(shí)驗(yàn)的基本測量手段是水

8、量熱計(jì)法，可以準(zhǔn)確測量水源熱泵冷熱水機(jī)組和空氣源熱泵冷熱水機(jī)組的水側(cè)換熱量、功耗以及系統(tǒng)能效比等數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室空間大小為6.3m4.6m4.8m，室溫控制范圍：干球溫度為-2055，濕球溫度為245，實(shí)驗(yàn)室測試儀器設(shè)備的詳細(xì)信息如表1所示。 圖6中顯示了整個(gè)除霜過程中蒸發(fā)器表面霜層的動(dòng)態(tài)變化圖像。從0s開始超過80%的蒸發(fā)器空氣流道被霜層覆蓋，蒸發(fā)器換熱開始惡化；到75s時(shí)空氣通道被霜層幾乎完全堵上，此時(shí)蒸發(fā)器換熱已經(jīng)惡化；195s時(shí)蒸發(fā)溫度已經(jīng)下降地非常明顯，換熱溫差已經(jīng)達(dá)到了除霜的設(shè)定值，此時(shí)電磁閥打開，除霜開始。除霜過程是一個(gè)相對(duì)較快的過程，為了更清晰地顯示整個(gè)除霜過程和研究除霜過程中的除

9、霜特性，得到了多張不同時(shí)刻的照片，如圖6所示，這更有助于觀察熱氣除霜方法的除霜效果。在除霜進(jìn)行到255s時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)的質(zhì)量流量增大，CO2氣體在蒸發(fā)器內(nèi)通過冷凝放熱融化霜層，蒸發(fā)器內(nèi)的參數(shù)變化明顯，蒸發(fā)器翅片表面霜層開始松散、融化；到375s時(shí)，近50%的霜層已經(jīng)被融化，此時(shí)屬于穩(wěn)定除霜階段，蒸發(fā)器的換熱主要用于融化霜層，參見495s、555s時(shí)的照片，可以看到霜層進(jìn)一步融化，到715s時(shí)霜層全部融化成水；到755s時(shí)，蒸發(fā)器翅片上的水分開始蒸發(fā)，蒸發(fā)器溫度升高，直到翅片溫度達(dá)到除霜退出條件。3.3除霜效率除霜效率是評(píng)價(jià)一個(gè)除霜方法最重要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)跨臨界CO2熱泵熱水器，除霜效率定義為在

10、整個(gè)除霜過程中實(shí)際融化霜層所消耗的能量和系統(tǒng)整個(gè)供給總熱量的比值，即式中：m是除霜過程中收集的總?cè)谒浚籆p，f是霜層的比熱容；Lf是霜的汽化潛熱。在選定的實(shí)驗(yàn)工況下，整個(gè)除霜過程中的除霜效率是35.6%，相比于普通制冷循環(huán)的除霜效率在40.4%58%而言，該效率是低了一些，主要是因?yàn)闊釟馔ㄟ^氣體冷卻器時(shí)壓降特別大，散失了大量的熱量，同時(shí)為了加熱氣體冷卻器內(nèi)的水還需要吸收一定的熱量，所以整個(gè)除霜過程中的效率偏低。相比于自然循環(huán)除霜過程，CO2熱泵熱水器熱氣除霜方法更為合理而且節(jié)省時(shí)間。4結(jié)論本文對(duì)空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的熱氣除霜系統(tǒng)循環(huán)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了跨臨界CO2熱泵熱水器熱氣除霜時(shí)

11、的系統(tǒng)參數(shù)變化和蒸發(fā)器表面霜層的變化，結(jié)合所拍攝的實(shí)時(shí)圖像，得出跨臨界CO2熱泵熱氣除霜的特性以及系統(tǒng)循環(huán)變化。為了進(jìn)一步研究跨臨界CO2熱泵熱水器除霜的實(shí)際效果，根據(jù)在典型結(jié)霜環(huán)境條件的實(shí)驗(yàn)，得出了除霜效率。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，得到以下結(jié)論。（1）跨臨界CO2熱泵熱氣除霜過程可描述為3個(gè)階段：第1階段是預(yù)熱階段，主要是加熱蒸發(fā)器盤管和霜層，直到蒸發(fā)器表面霜層溫度達(dá)到融化溫度；第2階段是穩(wěn)定除霜過程，蒸發(fā)器表面霜層溫度保持在融化溫度，也可以稱為潛熱除霜階段；第3階段是蒸發(fā)器加熱階段，用于加熱蒸發(fā)器盤管和換熱翅片，直到除霜周期結(jié)束。（2）在熱氣除霜過程中，氣體冷卻器內(nèi)CO2氣體的流量增大，導(dǎo)致氣體冷卻器內(nèi)壓降從供熱過程的0.5MPa增大到除霜時(shí)的2.6MPa。（3）氣體冷卻器