基于相變蓄熱的空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的研究

基于相變蓄熱的空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的研究

1催化霜除霜系統(tǒng)通常，空氣源熱泵的除霜方法主要有兩種：逆循環(huán)除霜凍和空氣側(cè)破霜凍，國內(nèi)外對該問題進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)~建立了基于實(shí)驗(yàn)的空氣源熱泵除霜數(shù)學(xué)模型,文獻(xiàn)~針對除霜過程、節(jié)流結(jié)構(gòu)對除霜的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,文獻(xiàn)研究了結(jié)霜除霜對熱泵供熱量的影響。然而,除霜時為了避免向室內(nèi)吹冷風(fēng)而必須關(guān)閉室內(nèi)機(jī)所導(dǎo)致的除霜缺少低位熱源的本質(zhì)問題仍沒有得到解決。常規(guī)除霜時壓縮機(jī)吸氣壓力平均只有0.2MPa,導(dǎo)致蒸發(fā)壓力變低,吸氣比容變大,系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)質(zhì)量流量隨之變小,供給除霜用的熱量變少。供熱量減少又引起除霜時間延長,室外換熱器表面溫度低。尤其在重度結(jié)霜情況下,還會出現(xiàn)除霜不完全、不徹底等問題。針對上述問題,文獻(xiàn)提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統(tǒng),試驗(yàn)表明其具有良好的除霜性能,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)在現(xiàn)有熱泵系統(tǒng)部件的基礎(chǔ)上增加了1個充有相變材料的相變蓄熱器作為除霜時的低位熱源,通過調(diào)節(jié)閥門1、2和3可實(shí)現(xiàn)各種蓄熱和除霜運(yùn)行模式。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和條件實(shí)驗(yàn)臺主要由3大部分構(gòu)成:人工模擬環(huán)境室、被測熱泵樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)檢測系統(tǒng)。2.1冷卻系統(tǒng)的冷源設(shè)計人工模擬環(huán)境室長×寬×高為3.2m×3.0m×2.4m,保溫隔濕性能良好。小室空氣處理系統(tǒng)由空氣冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)組成。冷卻系統(tǒng)的冷源可由冷量為4500W的移動冷水機(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)的熱源由加熱功率為4000W的加熱水箱和可調(diào)功率的紅外線加熱器(加熱微調(diào)裝置)提供;加濕系統(tǒng)主要由2臺加濕量為300g/h的超聲波加濕器組成,可通過對電壓的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加濕速率的調(diào)節(jié)。2.2相變材料的篩選該系統(tǒng)由1臺分體熱泵型房間空調(diào)器改造而成,空調(diào)器額定制熱量為2500W,制冷量為2300W,額定功率為860W,采用R22作為制冷劑,毛細(xì)管作為節(jié)流部件。在標(biāo)準(zhǔn)制熱工況下COP為2.98,制熱性能良好。本實(shí)驗(yàn)只針對串聯(lián)蓄熱模式進(jìn)行試驗(yàn)。圖2為相變蓄熱器結(jié)構(gòu)示意圖。相變蓄熱器由內(nèi)套筒和外套筒組成,將2個不同直徑的螺旋盤管放置在2個套筒之間,螺旋盤管和套筒之間充注相變材料。為了減小制冷劑在相變蓄熱器內(nèi)的流動阻力,2個螺旋盤管并聯(lián)。蓄熱時,高溫高壓制冷劑從盤管的底層進(jìn)入蓄熱盤管,由下而上逐層加熱管外相變材料。除霜時,低溫低壓的制冷劑從盤管上部沿螺旋盤管向下流動。內(nèi)、外套筒分別為Φ250×8mm和Φ160×5mm的硬質(zhì)塑料桶。內(nèi)、外套筒盤管選用Ф10×0.6mm的紫銅管,盤管長度分別為5.70m和6.67m。相變蓄熱器的容積為1869ml。選擇合適的相變材料對蓄能除霜性能具有重要影響,必須考慮以下因素:1)合適的相變溫度。相變材料的相變溫度必須介于熱泵供熱或除霜時的冷凝溫度Tc和蒸發(fā)溫度Te之間,且不能太靠近Tc或Te,介于二者之間偏上為宜。2)較大的相變潛熱。選擇潛熱值大的相變材料可以有效減少蓄熱換熱器的體積。3)較高的導(dǎo)熱系數(shù)。熱量必須在短時間內(nèi)取出以滿足除霜的需要,因此要求相變材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。另外相變材料應(yīng)無毒、無腐蝕性等。經(jīng)過篩選,蓄熱材料定為CaCl2·6H2O,同時采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O作為添加劑。經(jīng)多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)利用設(shè)計相變蓄熱器的一半體積即可滿足除霜的需要,因此本文實(shí)驗(yàn)中只充注了1000ml的相變材料。2.3實(shí)驗(yàn)儀器和測點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測點(diǎn)按性質(zhì)分為溫度檢測、濕度檢測、壓力檢測、風(fēng)速檢測、供電電壓和電流檢測。本實(shí)驗(yàn)選用四線制鉑電阻測量壓縮機(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,測溫精度為±0.1℃。壓力傳感器由中國電子科技集團(tuán)公司制造,精度為0.25級。溫濕度傳感器為瑞士羅卓尼克(Rotronic)生產(chǎn)的Hygroclip溫濕度傳感器,濕度的測量精度為±1.5%RH,溫度的測量精度為±0.3℃。由于該溫濕度傳感器的溫度測量精度不高,本實(shí)驗(yàn)利用鉑電阻溫度傳感器測量室外機(jī)進(jìn)、出口空氣溫度。電流由保定霍爾電子有限公司生產(chǎn)的量程為0~20A、輸出信號為4~20mA的電流互感器測得;電壓由優(yōu)利得UT70B數(shù)字萬用表測量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由安捷倫34980A多功能數(shù)據(jù)采集儀完成。空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)各溫度與壓力測點(diǎn)布置見圖1,其中相變材料溫度的2個測點(diǎn)(A和B)分別布置在相變蓄熱器相變材料距離底部1.5cm和距離相變材料頂部1.5cm處。2.4串聯(lián)蓄熱模式相變蓄熱器單獨(dú)蓄熱、與室內(nèi)機(jī)串聯(lián)蓄熱以及與室內(nèi)機(jī)并聯(lián)蓄熱3種運(yùn)行模式流程如下:1)單獨(dú)蓄熱:1→2→F1→3→F4→5→6→2→7→1;2)串聯(lián)蓄熱:1→2→F1→3→F3→4→F5→5→6→2→7→1;3)并聯(lián)蓄熱:試驗(yàn)時,保證室內(nèi)機(jī)入口空氣溫度為(19.5±0.5)℃,室外空氣溫度為(1±0.25)℃,相對濕度為80%±2%,蓄熱時間為90min。在串聯(lián)蓄熱完畢后,通過切換四通閥,將串聯(lián)蓄熱模式切換為串聯(lián)除霜模式。為了比較相變蓄能除霜系統(tǒng)與傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的差異,本實(shí)驗(yàn)還開展了關(guān)于傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,其中的結(jié)霜時間和環(huán)境工況與相變蓄能除霜系統(tǒng)的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)工況相同。3試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析3.1加熱模式3.1.1不同蓄熱模式下排氣溫度的變化圖3為串聯(lián)蓄熱、由單獨(dú)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱時空氣源熱泵吸、排氣溫度隨時間的變化。由圖可知,當(dāng)初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,熱泵在10min后穩(wěn)定運(yùn)行,排氣溫度和吸氣溫度分別為75℃和-6.5℃;當(dāng)初始采用單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,2種運(yùn)行模式的排氣溫度在20min內(nèi)逐漸上升至100℃,吸氣溫度分別為19℃和15℃,出現(xiàn)了制冷劑不足的癥狀,將其改為串聯(lián)蓄熱模式后,雖然兩者的排氣溫度仍升高,但吸氣溫度緩慢降低。在40min和50min后,排氣溫度和吸氣溫度迅速降低至初始選擇串聯(lián)蓄熱模式的吸、排氣溫度,之后系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。3.1.2壓力比較圖4為串聯(lián)蓄熱、由單獨(dú)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱時空氣源熱泵吸、排氣壓力隨時間的變化。由圖可知,當(dāng)初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)穩(wěn)定后其吸、排氣壓力分別為0.4MPa和1.7MPa;當(dāng)初始采用單獨(dú)蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式時,2種運(yùn)行模式的系統(tǒng)排氣壓力遠(yuǎn)低于串聯(lián)蓄熱排氣壓力,分別為1.2MPa和1.1MPa,吸氣壓力分別為0.13MPa和0.11MPa(已經(jīng)非常接近大氣壓)。極低的吸氣壓力反映了熱泵機(jī)組的壓縮機(jī)沒有正常工作。在此工況下,為了研究系統(tǒng)單獨(dú)蓄熱和并聯(lián)蓄熱特性,強(qiáng)行持續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)20min。但是為了防止燒毀壓縮機(jī),將單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式改為了串聯(lián)蓄熱模式。改為串聯(lián)蓄熱后,兩者的排氣壓力升高幅度較小,而吸氣壓力升至0.21MPa。此工況下運(yùn)行了40~50min后,壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力分別迅速升高至初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時的吸氣壓力和排氣壓力。從單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式與串聯(lián)蓄熱模式的吸、排氣壓力比較可以看出,該系統(tǒng)串聯(lián)蓄熱模式可以較好地運(yùn)行且安全穩(wěn)定,而單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式都不能實(shí)現(xiàn),有關(guān)原因?qū)⒃?.1.4節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)分析。3.1.3初始蓄熱模式對相變材料溫度的影響圖5為串聯(lián)蓄熱、由單獨(dú)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉(zhuǎn)為串聯(lián)蓄熱時相變材料溫度隨時間的變化。其中A、B兩測點(diǎn)位于兩盤管中間,A點(diǎn)距離蓄熱器底部1.5cm,B點(diǎn)距離蓄熱器頂部1.5cm。由圖可知,當(dāng)初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,相變蓄熱器在20min內(nèi)基本上完成蓄熱,蓄熱速度較快:在蓄熱初始5min內(nèi),相變材料溫度變化比較迅速;5~10min由于發(fā)生相變,蓄熱材料的溫度變化比較緩慢,之后溫度迅速升高。當(dāng)系統(tǒng)初始采用單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,兩者在運(yùn)行的20min內(nèi)相變材料溫度變化非常緩慢,甚至在并聯(lián)蓄熱時相變材料溫度還有所降低,這充分說明了單獨(dú)蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式在本實(shí)驗(yàn)條件下不能有效實(shí)施。而將其改為串聯(lián)蓄熱模式后,相變材料溫度逐漸上升。另外,在蓄熱過程中,有時底部測點(diǎn)溫度(高溫制冷劑從底部進(jìn)入相變蓄熱器)低于上部測點(diǎn)溫度,這是由于在蓄熱過程中上部相變材料融化后從蓄熱盤管剝落而導(dǎo)致的。3.1.4不同蓄熱模式下,各行其是一個前提,單由圖3~5可知,當(dāng)系統(tǒng)采用串聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,蓄熱速度較快,而采用單獨(dú)蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。但是此2種運(yùn)行模式在改為串聯(lián)蓄熱模式后,經(jīng)過一段時間熱泵內(nèi)制冷劑自我調(diào)整后,系統(tǒng)可正常運(yùn)行。主要原因是串聯(lián)蓄熱模式時,制冷劑先流經(jīng)相變蓄熱器再流經(jīng)室內(nèi)換熱器,在毛細(xì)管前達(dá)到過冷,在此狀態(tài)下,通過毛細(xì)管的制冷劑質(zhì)量流量足夠大,能夠滿足壓縮機(jī)的吸氣制冷劑質(zhì)量流量,從而其蒸發(fā)壓力較高。當(dāng)采用單獨(dú)蓄熱模式時,由于相變蓄熱器換熱面積有限,制冷劑流經(jīng)相變蓄熱器時沒有過冷,保持兩相甚至過熱狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致在毛細(xì)管內(nèi)形成氣塞,使得流經(jīng)毛細(xì)管制冷劑的流量非常小,蒸發(fā)器側(cè)的制冷劑逐漸被壓縮機(jī)吸走,其內(nèi)部制冷劑的量越來越少,而大多數(shù)制冷劑在閥門切換時滯留在或者遷移至冷凝器內(nèi),最終導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入口的制冷劑壓力偏低。同理,在采用并聯(lián)蓄熱模式時,來至壓縮機(jī)的制冷劑分別流經(jīng)相變蓄熱器和室內(nèi)機(jī),之后兩路制冷劑混合,但是混合點(diǎn)落在兩相或者過熱區(qū),從而形成氣塞使得流經(jīng)毛細(xì)管的制冷劑流量非常少,隨著蒸發(fā)器側(cè)的制冷劑逐漸被壓縮機(jī)吸走,其內(nèi)部制冷劑的量越來越少,最終導(dǎo)致壓縮機(jī)吸入口的制冷劑壓力偏低。因此,雖然并聯(lián)蓄熱模式和單獨(dú)蓄熱模式在理論上存在可能,但是需要相變蓄熱器和系統(tǒng)良好的匹配和在蓄熱過程中對系統(tǒng)的精確控制,在目前階段比較難以實(shí)現(xiàn)。綜上所述,在文中給定的工況下,采用串聯(lián)蓄熱模式能夠保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,且達(dá)到了高效蓄熱的目的,而采用并聯(lián)和單獨(dú)蓄熱模式,不能達(dá)到蓄熱的目的,且系統(tǒng)的可靠性較差。故從系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和蓄熱效果來看,串聯(lián)蓄熱模式比較適宜。3.2關(guān)于除霜特性的研究3.2.1變滲透膜下的tp/gc/ms系統(tǒng)圖6為2種除霜模式下壓縮機(jī)吸氣壓力隨時間的變化。由圖可知,采用相變蓄能除霜系統(tǒng)時,在初始的30s內(nèi),吸氣壓力迅速上升至約0.8MPa,之后迅速下降至最低點(diǎn),然后又經(jīng)歷了回升和再降低的過程。在傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)中,壓縮機(jī)的吸氣壓力經(jīng)歷一次回升至最大值后逐漸下降,維持在0.2MPa,此時容易引起壓縮機(jī)的吸氣低壓保護(hù)性停機(jī)。當(dāng)采用了相變蓄能除霜系統(tǒng)后,壓縮機(jī)的吸氣壓力提高至0.5MPa,較傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)升高了約0.3MPa。因此,相變蓄熱器可以有效提高壓縮機(jī)的吸氣壓力,避免保護(hù)性停機(jī)。3.2.2相變潛熱釋放至結(jié)霜期a、b點(diǎn)圖7為采用相變蓄能除霜系統(tǒng)4min內(nèi),蓄熱器內(nèi)相變材料2個測點(diǎn)A和B的溫度隨時間的變化。由圖可知,除霜開始后,距離螺旋盤管較遠(yuǎn)的A、B兩點(diǎn)的溫度變化緩慢,但隨著釋熱的繼續(xù),溫度迅速下降。當(dāng)釋熱至160s時,相變材料溫度變化逐漸變緩,表明A、B兩點(diǎn)進(jìn)入了潛熱釋熱階段。至220s時,相變潛熱釋放完畢,相變材料的溫度再次開始迅速下降。在除霜過程結(jié)束時,A點(diǎn)溫度約為22℃,B點(diǎn)溫度約為25℃。從除霜啟動至180s是相變材料發(fā)生相變釋放潛熱的主要過程,也是室外換熱器融霜的關(guān)鍵時段。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在相變材料相變釋熱的過程中,盤管內(nèi)制冷劑與管外相變材料熱交換充分,除霜結(jié)束時液相相變材料基本全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔唷?.2.3室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度下降圖8為除霜后熱泵機(jī)組再次啟動時,室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度隨時間的變化。由圖可知,當(dāng)系統(tǒng)由制熱模式轉(zhuǎn)向除霜模式后,室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度迅速下降。在傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)中,室內(nèi)機(jī)出風(fēng)溫度降低至12℃,低于室內(nèi)溫度。采用相變蓄能除霜系統(tǒng)時,當(dāng)系統(tǒng)從除霜模式轉(zhuǎn)換至供熱模式時,除霜幾乎沒有影響到向室內(nèi)供熱,出風(fēng)溫度升高速度比傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的升高速度快很多,因此不會給人以吹冷風(fēng)的感覺,更有利于供熱房間的舒適性。4不同模式運(yùn)行的蓄熱防霜性能本文介紹了基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,提出了相變蓄熱的3種運(yùn)行模式。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較認(rèn)為:串聯(lián)蓄熱模式時,相變蓄熱器有較快的蓄熱速度,能夠在較短時間內(nèi)完成蓄熱;當(dāng)采取單獨(dú)蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,壓縮機(jī)的吸、排氣溫度偏高,而吸、排氣壓力偏低,相變材料蓄熱速度非常慢。在該實(shí)