空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)供熱模式研究

空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)供熱模式研究

在結(jié)霜凍的情況下，空氣源熱泵的周期性除霜是保證裝置正常運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，除霜凍的類(lèi)型有兩種：逆循環(huán)和向心分離和向內(nèi)分解。文獻(xiàn)分析了在離絲過(guò)程中去除擠出機(jī)的系統(tǒng)特征（ashp），并分析了去除擠出機(jī)對(duì)冷熱系統(tǒng)性能的影響。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文分析了室外換熱器的氣驅(qū)霜物理過(guò)程，并建立了基于實(shí)驗(yàn)的空氣源熱泵外驅(qū)液裝置的除霜幾何物理模型。文獻(xiàn)[8-11]在分析過(guò)程中，分析了非營(yíng)利系統(tǒng)的抗凍性，并根據(jù)開(kāi)口結(jié)構(gòu)的重要部分對(duì)除霜影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究。比較不同的開(kāi)口機(jī)構(gòu)對(duì)除霜效率的影響，尤其是抗凍性。此外，在文獻(xiàn)中，提出了一種基于冷卻槽生產(chǎn)的除霜方法，并對(duì)控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究。許多研究人員在除霜方面沒(méi)有解決具體問(wèn)題（為了避免室內(nèi)冷卻風(fēng)冷卻室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)不能提供足夠的熱量，因此排除霜凍時(shí)的耗氣量小，除霜時(shí)間長(zhǎng)，戶(hù)外換熱器的表面溫度低?？紤]到上述問(wèn)題，在上述問(wèn)題上，提出了一種基于可變蓄能的新系統(tǒng)，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)空氣源熱泵系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了充滿(mǎn)變形材料的蓄熱裝置，以作為室外除霜的低溫氣候。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以有效地提高除霜時(shí)泵的吸熱量和壓力，從而減少除霜的持續(xù)時(shí)間，克服傳統(tǒng)除霜方法的不足。然而，添加了身份表r和pcm基礎(chǔ)表r的系統(tǒng)可能會(huì)有三種加熱模式，并且對(duì)三種運(yùn)行模式中冷熱系統(tǒng)的加熱性能會(huì)有不同程度的影響。因此，作者對(duì)三個(gè)性能模型的加熱影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和比較。1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由3部分構(gòu)成:被測(cè)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)、人工模擬環(huán)境室和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).1.1相變蓄熱器實(shí)驗(yàn)空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)原理如圖1所示.在本系統(tǒng)中,通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)1、2和3可實(shí)現(xiàn)相變蓄熱器單獨(dú)蓄熱、相變蓄熱器與室內(nèi)機(jī)串聯(lián)蓄熱以及相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī)并聯(lián)蓄熱3種運(yùn)行模式.當(dāng)系統(tǒng)需要除霜時(shí),關(guān)閉閥門(mén)2、3、5,保持閥門(mén)1與4打開(kāi),相變蓄熱器作室外機(jī)除霜低位熱源.在蓄熱完畢后,系統(tǒng)恢復(fù)正常供熱,理論上具有3種運(yùn)行模式:(1)串聯(lián)供熱模式.蓄熱完畢后始終保持閥門(mén)1和3開(kāi)啟,閥門(mén)2和4關(guān)閉.保持壓縮機(jī)排出高溫高壓氣體首先流經(jīng)相變蓄熱器然后流經(jīng)室內(nèi)機(jī).(2)連通供熱模式.蓄熱完畢后閥門(mén)1和3關(guān)閉,閥門(mén)2和4打開(kāi).壓縮機(jī)排出高溫高壓氣體直接流入室內(nèi)機(jī)供熱,但是保證相變蓄熱器通過(guò)閥門(mén)4打開(kāi)和室內(nèi)機(jī)保持連通,即兩部件內(nèi)壓力始終相等并可能存在制冷劑的物質(zhì)交換.(3)非連通供熱模式.蓄熱完畢后閥門(mén)1、3和4關(guān)閉,閥門(mén)2打開(kāi).此時(shí)壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體直接進(jìn)入室內(nèi)機(jī),相變蓄熱器則通過(guò)閥門(mén)1、3和4關(guān)閉與系統(tǒng)隔離.本實(shí)驗(yàn)中,該系統(tǒng)由一臺(tái)春蘭牌KFR-23GW/T型分體熱泵型房間空調(diào)器改造而成,空調(diào)器采用R22作為制冷劑,額定制熱量為2,500,W,額定功率860,W.在蓄熱階段,實(shí)驗(yàn)中均保持相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī)串聯(lián),串聯(lián)蓄熱時(shí)間為20,min,此時(shí)相變材料低溫測(cè)點(diǎn)T11的溫度約為45,℃,蓄熱效率已較低,此后由蓄熱模式人工轉(zhuǎn)向供熱模式.圖2為本實(shí)驗(yàn)相變蓄熱器結(jié)構(gòu)示意.將兩個(gè)不同直徑的螺旋盤(pán)管置于不同半徑的兩套筒之間,螺旋盤(pán)管和套筒之間充注相變材料.銅管管徑為Ф10×0.6,mm,內(nèi)盤(pán)管長(zhǎng)5.7,m,外盤(pán)管長(zhǎng)6.67,m.為了減小制冷劑在相變蓄熱器內(nèi)流動(dòng)阻力,兩螺旋盤(pán)管并聯(lián),蓄熱時(shí)高溫高壓的制冷劑從盤(pán)管的底部進(jìn)入蓄熱器.本實(shí)驗(yàn)的相變材料采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O作為添加劑的CaCl2·6H2O.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用設(shè)計(jì)蓄熱器的一半體積即可滿(mǎn)足除霜的需要,因此本文實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)蓄熱器的一半體積充注了相變材料.1.2超聲波加熱器wsf人工模擬環(huán)境室長(zhǎng)×寬×高為:3.2,m×3.0,m×2.4,m,保溫、隔濕性能良好.小室空氣處理系統(tǒng)由空氣冷卻、加熱系統(tǒng)和空氣加濕系統(tǒng)組成.冷卻系統(tǒng)的冷源可以由冷量為4,500,W的移動(dòng)冷水機(jī)組和自然冷源(哈爾濱地區(qū)冬季室外低溫空氣)提供.加熱系統(tǒng)的熱源是功率為4,000,W的加熱水箱和可調(diào)的紅外線(xiàn)加熱器(微調(diào)裝置).加濕系統(tǒng)主要由兩臺(tái)加濕量為300,g/h的超聲波加濕器組成.在本實(shí)驗(yàn)中,室外機(jī)空氣溫度控制在(1±0.25)℃,相對(duì)濕度為80%±2%,室內(nèi)機(jī)的入口平均空氣溫度控制在(19.5±0.5)℃.1.3溫度與壓力測(cè)點(diǎn)布置實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)按性質(zhì)分為溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、電壓和電流檢測(cè).本實(shí)驗(yàn)選用精度為±0.1,℃四線(xiàn)制鉑電阻來(lái)測(cè)量壓縮機(jī)排氣溫度、吸氣溫度(實(shí)驗(yàn)中為氣液分離器吸入溫度)、相變材料溫度以及空氣溫度.壓力傳感器精度為0.25級(jí).溫濕度傳感器相對(duì)濕度測(cè)量精度為±1.5%.風(fēng)速采用EE65系列風(fēng)速變送器,測(cè)量精度為±0.3,m/s.電流由量程0~20,A的電流互感器測(cè)得.電壓由優(yōu)利得UT70B數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量.所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由安捷倫34980A多功能數(shù)據(jù)采集儀采集.除霜實(shí)驗(yàn)熱泵系統(tǒng)各溫度與壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1,其中相變材料溫度的2個(gè)測(cè)點(diǎn)(T11和T10)分別布置在相變蓄熱器內(nèi)距離底部1.5,cm和距離相變材料頂部1.5,cm處.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析2.1連通供熱吸排氣溫度從圖3~圖5可以看出,20,min串聯(lián)蓄熱后,系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入正常供熱階段.比較連通供熱和串聯(lián)供熱的吸排氣溫度可以看出,在實(shí)驗(yàn)的1.5,h內(nèi),連通供熱吸排氣溫度基本上一直處于上升狀態(tài),在實(shí)驗(yàn)的末期排氣溫度達(dá)到了105,℃,比串聯(lián)供熱和非連通供熱高了近30,℃,明顯出現(xiàn)了制冷劑不足的特征.分析其原因?yàn)樵谛顭嵬戤吅?關(guān)閉入口閥門(mén)而保持出口閥門(mén)打開(kāi),部分制冷劑流向了蓄熱罐,導(dǎo)致了系統(tǒng)制冷劑的不足.非連通供熱的排氣溫度比串聯(lián)供熱高5~6,℃.分析原因?yàn)榉沁B通供熱時(shí)蓄熱結(jié)束后關(guān)閉了出入口閥門(mén),蓄熱罐內(nèi)積存了高溫高壓制冷劑,導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)制冷劑和串聯(lián)供熱相比偏少.2.2連通供熱模式從圖6~圖8可以看出,在系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段(即蓄熱階段),3種運(yùn)行模式的吸排氣壓力基本相等且穩(wěn)定,分別約為1.7,MPa和0.4,MPa,但是在20,min后,連通供熱模式的吸排氣壓力開(kāi)始與串聯(lián)供熱模式和非連通供熱模式相比出現(xiàn)明顯不同,而串聯(lián)供熱模式和非連通供熱模式相比變化并不大.當(dāng)蓄熱完畢關(guān)閉入口閥門(mén)后,連通供熱模式的制冷劑的排氣壓力逐漸降低至1.5,MPa,吸氣壓力也降低至0.3,MPa.證明了第2.1節(jié)中所分析在連通供熱模式時(shí)由于制冷劑的減少導(dǎo)致了壓縮機(jī)排氣溫度升高的正確性.2.3熱泵供電電流w蓄熱完畢后,空氣源熱泵恢復(fù)正常供熱狀態(tài),供熱量表達(dá)式為式中:Q為供熱量,kW;cp為空氣比定壓熱容,kJ/(kg·℃);tout為室內(nèi)機(jī)空氣出口溫度,℃;tin為室內(nèi)機(jī)空氣入口溫度,℃;ρa(bǔ)為空氣密度,kg/m3;v為空氣流速,m/s;S為室內(nèi)機(jī)空氣流通面積,m2.空氣源熱泵性能系數(shù)(EER)表達(dá)式為式中:WASHP為熱泵輸入功率,kW;φ為輸入功率因數(shù),取0.97~0.99;IASHP為熱泵供電電流,A;U為電壓,V.實(shí)驗(yàn)中,對(duì)式(1)和式(2)計(jì)算所需要的參數(shù)如風(fēng)速、溫度和電壓等采用安捷倫34980A數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行巡回檢測(cè).然后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)計(jì)算在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)向室內(nèi)的供熱量和性能系數(shù).通過(guò)誤差分析,3種供熱模式供熱量的相對(duì)誤差分別為7.4%、7.3%和7.6%,空氣源熱泵性能系數(shù)相對(duì)誤差分別為8.4%、8.5%和8.8%.由圖9可知連通供熱和串聯(lián)供熱兩者在供熱量和耗電量上幾乎相等,而非連通供熱模式供熱量最少但耗功最多.因此,串聯(lián)供熱和連通供熱的性能系數(shù)EER分別為2.77、2.73,而非連通供熱僅為2.41,較串聯(lián)和連通供熱模式降低了0.3.綜合其壓縮機(jī)的吸排氣壓力,分析認(rèn)為其原因正如前述,關(guān)閉相變蓄熱器入口閥門(mén)導(dǎo)致了系統(tǒng)制冷劑的減少,進(jìn)而減少了系統(tǒng)的性能系數(shù).比較串聯(lián)供熱模式和連通供熱的吸排氣壓力可知,連通供熱的性能系數(shù)理應(yīng)比串聯(lián)供熱要高,但是實(shí)驗(yàn)中卻比串聯(lián)供熱低了0.04.分析原因?yàn)?雖然熱泵系統(tǒng)排氣壓力有所降低,理論上性能系數(shù)應(yīng)當(dāng)升高,但是由于制冷劑的減少,使得性能系數(shù)有所降低.3聯(lián)供熱模式比較本文提出了基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,闡述了蓄熱完畢后3種運(yùn)行模式.為了研究3種運(yùn)行模式對(duì)系統(tǒng)制熱的影響搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論.(1)非連通供熱模式較串聯(lián)供熱模式排氣溫度有所上升,但是上升的幅度較小,而吸氣溫度基本沒(méi)有變化,其排氣壓力和吸氣壓力和串聯(lián)供熱相比,也基本上沒(méi)有變化.連通供熱模式和串聯(lián)供熱模式相比,由于制冷劑的減少導(dǎo)致了吸排氣溫度比串聯(lián)供