相變蓄熱器在空氣源熱泵除霜中的應(yīng)用

相變蓄熱器在空氣源熱泵除霜中的應(yīng)用

1蓄熱除霜原理空氣源熱泵通常采用逆循環(huán)去除霜凍。在輕和中度結(jié)霜條件下，除霜凍效果好，但抗凍性長(zhǎng)，可靠性差。空氣源熱泵逆循環(huán)除霜時(shí)的低溫?zé)嵩礊槭覂?nèi)空氣,為盡量降低對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響,除霜時(shí)室內(nèi)機(jī)的風(fēng)機(jī)關(guān)閉,但易造成低溫?zé)崃坎蛔?這成為制約除霜高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題,研究人員開(kāi)發(fā)出多種新型的蓄熱除霜系統(tǒng),將蓄熱器中儲(chǔ)存的熱量作為除霜時(shí)的主要低溫?zé)嵩?以提高空氣源熱泵的除霜性能。蓄能式空氣源熱泵除霜系統(tǒng)(已獲得中國(guó)專(zhuān)利)以相變材料作為相變蓄熱器的蓄熱材料,在空氣源熱泵正常制熱工況時(shí)蓄熱,除霜時(shí)相變蓄熱器作為主要低溫?zé)嵩?。相變材料采用以CaCl2·6H2O為主的水溶液,溶液中含有少量的Ba(HO)2、BaI2(作為成核劑、增稠劑)。該相變材料的相變溫度比較穩(wěn)定,基本維持在27～32℃,恰好處于冷凝溫度與蒸發(fā)溫度之間,并接近冷凝溫度,可充分利用其顯熱蓄熱量。本文對(duì)配備相變蓄熱器的空氣源熱泵,在中、重度結(jié)霜下的除霜性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。2空氣處理裝置實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于哈爾濱,實(shí)驗(yàn)時(shí)利用冬季室外冷空氣作為輔助冷源,對(duì)人工氣候小室(以下簡(jiǎn)稱小室)及小室周?chē)h(huán)境進(jìn)行預(yù)冷卻。小室內(nèi)通過(guò)空氣處理裝置,營(yíng)造空氣源熱泵運(yùn)行時(shí)的低溫、高濕環(huán)境。將空氣源熱泵的室外機(jī)置于小室內(nèi),通過(guò)調(diào)節(jié)小室內(nèi)溫度、濕度控制室外機(jī)換熱器的結(jié)霜程度。除霜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)由以下3部分組成:①小室及空氣處理裝置。小室具有良好的絕熱和保濕性能,空氣處理裝置包括空氣冷卻器、空氣加熱器、空氣加濕器?？諝饫鋮s器為一臺(tái)制冷量為5kW的制冷機(jī),空氣加熱器為一臺(tái)可調(diào)熱功率的2kW紅外線電加熱器,空氣加濕器為4臺(tái)加濕量為300g/h的超聲波加濕器。②配備相變蓄熱器的空氣源熱泵由一臺(tái)KFR-23GW/T型分體式空氣源熱泵改造而成,其額定制熱量為2500W。改造時(shí)引入相變蓄熱器,并設(shè)置7個(gè)閥門(mén)(閥門(mén)位置見(jiàn)圖1)。通過(guò)對(duì)閥門(mén)的開(kāi)閉組合可實(shí)現(xiàn)制熱工況以及除霜工況下相變蓄熱器與室內(nèi)機(jī)的串聯(lián)、并聯(lián)、相變蓄熱器的單獨(dú)運(yùn)行3種工作模式。閥門(mén)的開(kāi)閉組合見(jiàn)表1。③實(shí)驗(yàn)參數(shù)檢測(cè)記錄系統(tǒng)。小室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的測(cè)量由CHT-WI/B型壁掛式濕度變送器完成,測(cè)量相對(duì)誤差為±3%。各測(cè)點(diǎn)溫度由XSL/A-32LS2V0型多路數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量并記錄,采樣周期為3～30s,溫度傳感器為PT100熱電阻,測(cè)量誤差為±0.3℃。壓力測(cè)點(diǎn)共有4個(gè):壓縮機(jī)吸氣壓力、排氣壓力、節(jié)流前壓力、節(jié)流后壓力,采用壓力變送器測(cè)量。壓縮機(jī)功率由WT210型數(shù)字功率儀監(jiān)測(cè)記錄。為測(cè)量除霜工況下室外機(jī)換熱器(翅片管結(jié)構(gòu))表面溫度,在室外機(jī)換熱器不同位置共設(shè)置了11個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(T12～T22),見(jiàn)圖2,圖中制冷劑的流向?yàn)槌r。3除霜工況下室去霜溫度分布實(shí)驗(yàn)共涉及6種除霜工況,其中除霜工況1、2為中度結(jié)霜工況,化霜水質(zhì)量為260～285g;除霜工況3～6為重度結(jié)霜工況,化霜水質(zhì)量為360～510g。不同除霜工況下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及測(cè)試數(shù)據(jù)可知,在相對(duì)濕度較大時(shí),室外換熱器表面結(jié)霜速度很快,在45min內(nèi)霜層即可基本堵塞室外機(jī)換熱器的翅片管風(fēng)道,形成中、重度結(jié)霜,造成空氣源熱泵制熱性能顯著下降。筆者曾對(duì)中、重度結(jié)霜工況下空氣源熱泵逆循環(huán)除霜性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,逆循環(huán)除霜應(yīng)對(duì)中、重度結(jié)霜工況的能力不足,主要表現(xiàn)為:除霜時(shí)壓縮機(jī)吸排氣壓力較低,除霜熱量不足;除霜后室外機(jī)換熱器翅片管間殘留較多小水珠,容易在恢復(fù)制熱時(shí)結(jié)成小冰晶;除霜時(shí)間長(zhǎng),一般不短于8min;除霜后期室內(nèi)換熱器表面溫度下降至-20℃以下,恢復(fù)供熱時(shí)間長(zhǎng),有冷風(fēng)吹出。室外機(jī)換熱器表面溫度決定了霜層融化時(shí)間和隨后進(jìn)行的水分蒸發(fā)是否充分,是實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)之一。對(duì)除霜工況1、4、5、6下室外機(jī)換熱器各測(cè)點(diǎn)溫度隨除霜時(shí)間的變化分析可知,在4種除霜工況下,室外機(jī)換熱器各測(cè)點(diǎn)溫度變化類(lèi)似:在除霜初期120s內(nèi),由于霜層融化吸收大量熱量,各測(cè)點(diǎn)溫度上升緩慢,尤其是位于室外機(jī)換熱器出口位置的測(cè)點(diǎn)T12、T15,在重度結(jié)霜時(shí)(除霜工況5、6),除霜至210s時(shí)溫度仍然在5℃以下。而位于換熱器進(jìn)口位置的測(cè)點(diǎn)T22溫升最快,遠(yuǎn)高于其他測(cè)點(diǎn)溫度,霜層最先融化,表面滯留的水珠也很快蒸發(fā)完全,這是由于該測(cè)點(diǎn)為除霜工況下高溫制冷劑的入口點(diǎn)。4種除霜工況下,除霜終了時(shí)室外機(jī)換熱器表面平均溫度均可維持在25～35℃,或更高。由于相變蓄熱器工作模式不同,4種除霜工況下的室外機(jī)換熱器表面溫度變化也存在差異。對(duì)于除霜工況1、5,相變蓄熱器與室內(nèi)機(jī)串聯(lián),除霜后期室外機(jī)換熱器表面溫度均存在一個(gè)溫度平穩(wěn)期。對(duì)于除霜工況1,溫度平穩(wěn)期可達(dá)120s;對(duì)于除霜工況5,溫度平穩(wěn)期可達(dá)100s。對(duì)于除霜工況4、6,相變蓄熱器分別為并聯(lián)、單獨(dú)工作模式,室外機(jī)換熱器表面溫度會(huì)隨著除霜時(shí)間持續(xù)上升,不存在溫度平穩(wěn)期。分析認(rèn)為,除霜工況1、5溫度平穩(wěn)期的出現(xiàn)說(shuō)明低溫?zé)嵩垂崃己?室內(nèi)機(jī)仍然提供部分熱量),制冷劑蒸發(fā)充分。而工況4、6在除霜后期,低溫?zé)嵩垂崃坎蛔?制冷劑蒸發(fā)不完全,壓縮機(jī)吸氣量不足,導(dǎo)致排氣壓力和壓縮機(jī)功率也相應(yīng)增加。尤其當(dāng)除霜時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),增加了空氣源熱泵過(guò)壓危險(xiǎn)和能量損耗,這一點(diǎn)從壓縮機(jī)排氣壓力與功率的測(cè)試數(shù)據(jù)中也得到了驗(yàn)證。除霜工況時(shí)相變蓄熱器中已完成蓄熱的液態(tài)相變材料能否快速實(shí)現(xiàn)相變,是決定除霜高效穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一。除霜工況1、6下相變材料隨除霜時(shí)間的變化見(jiàn)圖3、4。由圖3、4可知,除霜終了時(shí)相變材料都發(fā)生了較完全的相變。除霜工況1、6下壓縮機(jī)吸排氣壓力的變化見(jiàn)圖5、6。由圖5、6可知,除霜工況1、6的壓縮機(jī)吸氣壓力基本保持在200～300kPa。除霜后期,除霜工況1的壓縮機(jī)排氣壓力穩(wěn)定在1400kPa左右,而除霜工況6的壓縮機(jī)排氣壓力升高到1600kPa以上。除霜工況1、5下室內(nèi)機(jī)換熱器進(jìn)出口表面溫度隨除霜時(shí)間的變化見(jiàn)圖7、8。實(shí)驗(yàn)表明,由于相變蓄熱器作為除霜的主要低溫?zé)嵩?與逆循環(huán)除霜相比,室內(nèi)機(jī)換熱器表面溫度有明顯改善,平均提高5～10℃。對(duì)于除霜工況5,除霜時(shí)室內(nèi)機(jī)換熱器表面溫度最低值也高于-15℃。這對(duì)快速恢復(fù)供熱以及提高供熱品質(zhì)很有幫助。4源熱泵除霜性能好①配備相變蓄熱器的空氣源熱泵利用相變材料蓄熱量作為除霜時(shí)的主要低溫?zé)嵩?解決了空氣源熱泵除霜時(shí)低溫?zé)嵩垂岵蛔愕膯?wèn)題。②中、