改進(jìn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜性能的實(shí)驗(yàn)研究

1999年第6期總第112期低溫工程CRYOGENICSNo.61999SumNo.112改進(jìn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜性能的實(shí)驗(yàn)研究黃虎束鵬程李志浩(東南大學(xué)動(dòng)力系南京210018)(西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院西安710049)()摘要連通機(jī)組高低壓側(cè)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),,提出1前言風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組作為中央空調(diào)的冷熱源有不少優(yōu)點(diǎn)[1]。但當(dāng)風(fēng)側(cè)換熱器翅片表面溫度低于0℃且低于大氣露點(diǎn)溫度時(shí),風(fēng)側(cè)換熱器(制熱運(yùn)行時(shí)為蒸發(fā)器)表面即要結(jié)霜。在大氣溫度較低而相對(duì)濕度較大的情況下這種現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。當(dāng)翅片管表面的霜層達(dá)到一定厚度時(shí),將對(duì)風(fēng)冷熱泵機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響,一方面霜層增加了從大氣向風(fēng)側(cè)換熱器的傳熱熱阻,更為嚴(yán)重的是由于霜層的增厚,使風(fēng)側(cè)阻力增加,空氣流量減少,風(fēng)側(cè)換熱量降低。文獻(xiàn)[2]對(duì)一臺(tái)氣—?dú)馐綗岜玫膶?shí)驗(yàn)表明,當(dāng)室外換熱器空氣流量由無(wú)霜時(shí)的74m3min降到20m3min(即下降75%)時(shí),空氣側(cè)換熱量下降20%。當(dāng)霜層增長(zhǎng)到一定厚度時(shí),風(fēng)機(jī)電流也迅速上升[3],風(fēng)機(jī)性能衰減,導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)。為此,當(dāng)風(fēng)側(cè)換熱器霜層發(fā)展到一定程度時(shí)必須除霜。目前,風(fēng)冷熱泵采用較多的除霜方式為反循環(huán)除霜,除霜時(shí)四通換向閥動(dòng)作,風(fēng)側(cè)換熱器與水側(cè)換熱器的功能對(duì)調(diào),風(fēng)側(cè)換熱器作為冷凝器,水側(cè)換熱器作為蒸發(fā)器,用壓縮機(jī)排氣除霜。除霜時(shí)機(jī)組停止向供熱對(duì)象供熱,對(duì)于冷熱水機(jī)組,除霜時(shí)不能象氣—?dú)馐綗岜每梢酝Ｖ故覂?nèi)風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),而仍要維持循環(huán)水的流動(dòng),循環(huán)水通過(guò)蒸發(fā)器,水溫下降的幅度較大,對(duì)空調(diào)的舒適性影響較大,機(jī)組的供熱COP也下降。因此,有必要縮短除霜時(shí)間。除霜性能的改進(jìn)與許多因素有關(guān),如風(fēng)側(cè)換熱器結(jié)構(gòu)與表面處理、壓縮機(jī)性能、除霜控制方式[4～6]等。本文對(duì)除霜運(yùn)行時(shí)用熱力膨脹閥為節(jié)流元件和用短管直接連通高低壓側(cè)的風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜運(yùn)行時(shí)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,后者的除霜性能優(yōu)于前者,主要表現(xiàn)在壓縮機(jī)吸氣壓力衰減小、除霜時(shí)間短等。除霜時(shí)用短管直接連通高低壓側(cè),裝置簡(jiǎn)本文于1999年4月18日收到。黃虎,男,37歲,博士后。第6期改進(jìn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜性能的實(shí)驗(yàn)研究53單、易于控制,可作為改進(jìn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜性能的一個(gè)辦法。2風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜運(yùn)行時(shí)制冷系統(tǒng)狀態(tài)變化過(guò)程分析風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組制熱運(yùn)行與除霜(制冷)運(yùn)行時(shí)的流程圖,如圖1、圖2所示,圖3是節(jié)流裝置為熱力膨脹閥和除霜時(shí)用短管(內(nèi)徑為314mm)直接連通高低壓側(cè)時(shí)的風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組吸、排氣壓力隨時(shí)間的變化圖。圖中““A”線、B”線分別為使用熱力膨脹閥除霜時(shí)機(jī)組吸氣壓力與排氣壓力的變化;““C”線、D”線分別為使用短管直接連通高低壓側(cè)除霜時(shí)吸氣壓力與排氣壓力的變化。由圖3可看出,當(dāng)四通閥動(dòng)作后,系統(tǒng)由正常制熱循環(huán)方式切換到除霜循環(huán)后,系統(tǒng)中各點(diǎn)的制冷劑狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,與制冷系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程不同,制冷系統(tǒng)正常啟動(dòng)時(shí),系統(tǒng)中從壓縮機(jī)排氣口到膨脹閥進(jìn)口(包括冷凝器、高壓儲(chǔ)液器)的高壓側(cè)壓力是均衡的;包括蒸發(fā)器、氣液分離器)的低壓側(cè)壓力也是均衡的。,與低壓側(cè)壓力分別向不同的方向一致變化[7]。,排氣壓力有一個(gè)短時(shí)間的迅速下降過(guò)程,;吸氣壓力也有,但由于水側(cè)換熱器的內(nèi)容積與吸氣管路(含汽液分離器)的內(nèi)容積沒(méi)有前者那么大的差別,因此,吸氣壓力的沖高幅度較小。對(duì)于圖1、圖2所示的制冷系統(tǒng),制冷劑通過(guò)儲(chǔ)液器及膨脹閥的流向由四個(gè)單向閥控制,在除霜開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi),高壓儲(chǔ)液器的壓力比風(fēng)側(cè)換熱器內(nèi)的壓力高,所以無(wú)制冷劑流入儲(chǔ)液器,只有當(dāng)高壓側(cè)壓力平衡后,高壓側(cè)壓力回升而大于儲(chǔ)液器壓力,才有制冷劑流入儲(chǔ)液器,制冷系統(tǒng)中的制冷劑流動(dòng)才逐漸趨于正常。對(duì)于低壓側(cè),由于水側(cè)換熱器與低壓管路連通,水側(cè)換熱器內(nèi)壓力迅速下降,其內(nèi)的制冷劑液體汽化,在液體完全汽化后,由于壓縮機(jī)的抽吸作用,低壓側(cè)壓力繼續(xù)走低,其最低值可接近表壓0,從而低于熱泵運(yùn)行時(shí)的低壓保護(hù)值。吸氣壓力低使得吸氣過(guò)熱度大[8],此時(shí)膨脹閥應(yīng)具有最大開(kāi)度。與除霜后壓力變化相對(duì)應(yīng),制冷系統(tǒng)中的制冷劑流量經(jīng)歷了由圖1制熱循環(huán)流程圖圖2除霜循環(huán)流程圖54低溫工程1999年原來(lái)制熱運(yùn)行時(shí)的流量值下降到接近于0(該點(diǎn)與吸氣壓力最低點(diǎn)對(duì)應(yīng))再升高的過(guò)程,當(dāng)制冷劑流量達(dá)到最大值后,由于吸、排氣壓力差的加大而下降[2]。為縮短除霜時(shí)間,必須在一定的時(shí)間內(nèi)保證系統(tǒng)中有較多的制冷劑循環(huán)量,為此,節(jié)流裝置的選擇若能盡量減少吸氣壓力的衰減量并保證系統(tǒng)有盡可能大的制冷劑循環(huán)量,則可改善機(jī)組除霜循環(huán)的性能。圖3不同節(jié)流裝置除霜時(shí)吸排氣壓力的變化3,針對(duì)一臺(tái)10RT的機(jī)組分E型熱力膨脹閥和內(nèi)徑為314mm的短管連通高低壓側(cè)進(jìn)行了除霜對(duì)比實(shí)驗(yàn)由于沒(méi)有人工環(huán)境室,實(shí)驗(yàn)在室外大氣環(huán)境中進(jìn)行。大氣條件為:大氣干球溫度為(-015±014)℃,大氣壓力01103MPa,大氣相對(duì)濕度為95%±015%。圖3為吸排氣壓力的變化,圖4為翅片管外壁溫度的變化。從圖3可看出,兩種節(jié)流裝置下,制冷系統(tǒng)吸排氣壓力的變化趨勢(shì)相同,而其差別在于:就吸氣壓力而言,熱力膨脹閥系統(tǒng)的壓力衰減時(shí)間長(zhǎng),幅度大。從除霜后的第5秒到第50秒,最低吸氣壓力僅為0108MPa,而短管系統(tǒng)的壓力衰減時(shí)間短為5s～30s,衰減幅度小,最低吸氣壓力為01145MPa,并且短管系統(tǒng)排氣壓力回升較前者快。在除霜的大部分時(shí)間內(nèi),短管系統(tǒng)的吸氣壓力、排氣壓力均高于熱力膨脹閥系統(tǒng),由此反映出短管系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為:由于吸氣壓力衰減小,不會(huì)出現(xiàn)吸氣壓力低于風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組低壓保護(hù)值的情況,而相對(duì)較高的吸氣壓力保證了制冷系統(tǒng)能維持相對(duì)高的制冷劑質(zhì)量流量,在風(fēng)側(cè)換熱器外表面結(jié)霜程度相同的條件下,化霜速度快。圖4所示的翅片溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程就是這個(gè)現(xiàn)象的反映,由于兩次實(shí)驗(yàn)的除霜起始點(diǎn)略有差異,短管系統(tǒng)除霜時(shí),翅片溫度還略低于熱力膨脹閥系統(tǒng)。當(dāng)除霜時(shí)間為90s時(shí),熱力膨脹閥系統(tǒng)的翅片溫度為0℃,而短管系統(tǒng)的翅片溫度為5℃;時(shí)間為120s時(shí),前者翅片溫度為3℃,后者翅片溫度為15℃;時(shí)間為14s時(shí),前者的翅片溫度為16℃,后者翅片溫度為28℃。因此,短管節(jié)流的除霜時(shí)間短。文獻(xiàn)[8]對(duì)一臺(tái)3RT氣—?dú)鉄岜靡策M(jìn)行了不同孔板孔徑節(jié)流裝置及短管對(duì)除霜性能影響的實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)果類似。主要參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可看出,隨著節(jié)流孔徑從1150mm增大到2157mm,制熱循環(huán)總COP(從制熱運(yùn)行開(kāi)始到除霜結(jié)束)提高了1313%。最低吸氣壓力也不斷提高,制冷劑質(zhì)量流量提高了68%(與內(nèi)徑為7162mm的直管相比),除霜時(shí)間縮短了5414%。文獻(xiàn)[8]的研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于大的節(jié)流孔徑(2157mm)及直管在除霜過(guò)程中出現(xiàn)了短時(shí)間的濕壓縮,表現(xiàn)為壓縮機(jī)排氣過(guò)熱度為0。對(duì)于風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組,由于大多配有氣液分離器,一般不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。第6期改進(jìn)風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組除霜性能的實(shí)驗(yàn)研究55表1節(jié)流孔板孔徑與除霜性能的關(guān)系孔徑mm1.501.781.932.22.577.62(直管)總COP2.082.302.30(kg最低吸氣壓力MPa最大制冷劑流量min)0.0740.0910.1020.1300.1530.1983.084.004.314.775.085.18除霜時(shí)間s14.539.719.337.837.336.614總結(jié)徑有利于提高機(jī)組的除霜性能。文獻(xiàn)[8]也反映了類似的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1黃虎等.中央空調(diào)中熱泵的應(yīng)用與節(jié)能.能源技術(shù),1998,(6)2DarinWNatter,etal.Impactofthesuctionlineaccumulatoronthefrostdefrostperformanceofanair2sourceheatpumpwithascrollcompressor.ASRRAETrans,1990,96:113黃虎等.風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況下運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究.流體機(jī)械,1998,26(12)4BaxterVD,etal.Field2measuredcycle,frostinganddefrostinglossesforahigh2efficiencyair2sourceheatpump.ASR2RAETrans,1985,91(2BJR,1995,18(2)6JohnAllard,etal.Adaptivedefrost.IEEETrans,1988,24(1)7TanakaN.Experimentalstudyonthedynamiccharacteristicsofheatpump.ASHRAETrans,1982,88:128DennisL,NealO.Effectofshort2tubeorificesizeontheperformanceofanairsourceheatpumpduringthereversecycledefrost.IntJR,1991,14(1)2)5PayneV,etal.Defrostcycleperformanceforanair2sourceheatpumpwithascrollandareciprocatingcompressor.IntEXPERIMENTALSTUDYONIMPROVINGTHEPERFORMANCEOFAIR-COOLEDHEATPUMPCHILLEROPERINGDURINGDEFROSTINGCYCLE(SoutheastUniversity,Nanjing,210018)(XiπanJiaotongUniversity,Xiπan710049)HungHuShuPengchengLiZhihao(NanjingArchitectural&CivilEngineeringInstitute,Nanjing210009)ABSTRACTAnexperimentofusingthermostaticexpansionvalveand(下轉(zhuǎn)第58頁(yè))58低溫工程1999年不僅僅是O2含量的變化,同時(shí)也包含了大氣壓力變化帶來(lái)的影響;并且是大氣壓力變化的5倍。而大氣壓力的變化,目前還無(wú)法控制。順便要說(shuō)一下的是磁氧分析器目前已有三種結(jié)構(gòu)形式的商品:即40年代問(wèn)世的熱磁式,60年代研究成功的磁力機(jī)械式,以及80年代登場(chǎng)的磁壓力式。這三種磁氧分析器中,磁力機(jī)械式受大氣壓力變化的影響最大,熱磁式次之,磁壓力式由于它采用了參比氣,將被分析氣樣與參比氣同時(shí)排入大氣,因而消除了大氣壓力變化的影響。如川儀九廠生產(chǎn)的CY101型O2分析器,就是利用磁壓力式原理。即使量程是98%～100%O2,也不會(huì)受大氣壓力變化的影響。如果Ar餾份中O2分析采用磁壓力式氧分析器,那么就不會(huì)有大氣壓力變化的影響。但價(jià)格要比熱導(dǎo)儀器貴好幾倍。采用壓力補(bǔ)償,可改善大氣壓力變化的影響。如德國(guó)H&B公司的AdvanceOptima系統(tǒng),可補(bǔ)償?shù)健?102%O2。綜上所述,若采用磁氧分析器測(cè)量Ar餾份中O2,但價(jià)格大于熱導(dǎo)儀器;,通的熱導(dǎo)式儀器測(cè)量Ar餾份中Ar,,,H&B公司的AdvanceOptimCaldos17,價(jià)格比同系統(tǒng)中s,Magnos16還快。據(jù)此,應(yīng)該選用Ad2vanceCaldos17來(lái)分析Ar餾份中Ar。參考文獻(xiàn)1程守洙,江之永主編.普通物理學(xué).北京:人民教育出版社,1982.DISCUS