改进风冷热泵冷热水机组除霜性能的实验研究

1999年第6期总第112期低温工程CRYOGENICSNo.61999SumNo.112改进风冷热泵冷热水机组除霜性能的实验研究黄虎束鹏程李志浩(东南大学动力系南京210018)(西安交通大学能动学院西安710049)()摘要连通机组高低压侧的对比实验,,提出1前言风冷热泵冷热水机组作为中央空调的冷热源有不少优点[1]。但当风侧换热器翅片表面温度低于0℃且低于大气露点温度时,风侧换热器(制热运行时为蒸发器)表面即要结霜。在大气温度较低而相对湿度较大的情况下这种现象尤为严重。当翅片管表面的霜层达到一定厚度时,将对风冷热泵机组的运行产生不利影响,一方面霜层增加了从大气向风侧换热器的传热热阻,更为严重的是由于霜层的增厚,使风侧阻力增加,空气流量减少,风侧换热量降低。文献[2]对一台气—气式热泵的实验表明,当室外换热器空气流量由无霜时的74m3min降到20m3min(即下降75%)时,空气侧换热量下降20%。当霜层增长到一定厚度时,风机电流也迅速上升[3],风机性能衰减,导致机组保护。为此,当风侧换热器霜层发展到一定程度时必须除霜。目前,风冷热泵采用较多的除霜方式为反循环除霜,除霜时四通换向阀动作,风侧换热器与水侧换热器的功能对调,风侧换热器作为冷凝器,水侧换热器作为蒸发器,用压缩机排气除霜。除霜时机组停止向供热对象供热,对于冷热水机组,除霜时不能象气—气式热泵可以停止室内风机的运转,而仍要维持循环水的流动,循环水通过蒸发器,水温下降的幅度较大,对空调的舒适性影响较大,机组的供热COP也下降。因此,有必要缩短除霜时间。除霜性能的改进与许多因素有关,如风侧换热器结构与表面处理、压缩机性能、除霜控制方式[4～6]等。本文对除霜运行时用热力膨胀阀为节流元件和用短管直接连通高低压侧的风冷热泵冷热水机组除霜运行时的性能进行了实验研究,结果表明,后者的除霜性能优于前者,主要表现在压缩机吸气压力衰减小、除霜时间短等。除霜时用短管直接连通高低压侧,装置简本文于1999年4月18日收到。黄虎,男,37岁,博士后。第6期改进风冷热泵冷热水机组除霜性能的实验研究53单、易于控制,可作为改进风冷热泵冷热水机组除霜性能的一个办法。2风冷热泵冷热水机组除霜运行时制冷系统状态变化过程分析风冷热泵冷热水机组制热运行与除霜(制冷)运行时的流程图,如图1、图2所示,图3是节流装置为热力膨胀阀和除霜时用短管(内径为314mm)直接连通高低压侧时的风冷热泵冷热水机组吸、排气压力随时间的变化图。图中““A”线、B”线分别为使用热力膨胀阀除霜时机组吸气压力与排气压力的变化;““C”线、D”线分别为使用短管直接连通高低压侧除霜时吸气压力与排气压力的变化。由图3可看出,当四通阀动作后,系统由正常制热循环方式切换到除霜循环后,系统中各点的制冷剂状态是一个动态变化过程,与制冷系统在平衡状态下启动的动态变化过程不同,制冷系统正常启动时,系统中从压缩机排气口到膨胀阀进口(包括冷凝器、高压储液器)的高压侧压力是均衡的;包括蒸发器、气液分离器)的低压侧压力也是均衡的。,与低压侧压力分别向不同的方向一致变化[7]。,排气压力有一个短时间的迅速下降过程,;吸气压力也有,但由于水侧换热器的内容积与吸气管路(含汽液分离器)的内容积没有前者那么大的差别,因此,吸气压力的冲高幅度较小。对于图1、图2所示的制冷系统,制冷剂通过储液器及膨胀阀的流向由四个单向阀控制,在除霜开始的一段时间内,高压储液器的压力比风侧换热器内的压力高,所以无制冷剂流入储液器,只有当高压侧压力平衡后,高压侧压力回升而大于储液器压力,才有制冷剂流入储液器,制冷系统中的制冷剂流动才逐渐趋于正常。对于低压侧,由于水侧换热器与低压管路连通,水侧换热器内压力迅速下降,其内的制冷剂液体汽化,在液体完全汽化后,由于压缩机的抽吸作用,低压侧压力继续走低,其最低值可接近表压0,从而低于热泵运行时的低压保护值。吸气压力低使得吸气过热度大[8],此时膨胀阀应具有最大开度。与除霜后压力变化相对应,制冷系统中的制冷剂流量经历了由图1制热循环流程图图2除霜循环流程图54低温工程1999年原来制热运行时的流量值下降到接近于0(该点与吸气压力最低点对应)再升高的过程,当制冷剂流量达到最大值后,由于吸、排气压力差的加大而下降[2]。为缩短除霜时间,必须在一定的时间内保证系统中有较多的制冷剂循环量,为此,节流装置的选择若能尽量减少吸气压力的衰减量并保证系统有尽可能大的制冷剂循环量,则可改善机组除霜循环的性能。图3不同节流装置除霜时吸排气压力的变化3,针对一台10RT的机组分E型热力膨胀阀和内径为314mm的短管连通高低压侧进行了除霜对比实验由于没有人工环境室,实验在室外大气环境中进行。大气条件为:大气干球温度为(-015±014)℃,大气压力01103MPa,大气相对湿度为95%±015%。图3为吸排气压力的变化,图4为翅片管外壁温度的变化。从图3可看出,两种节流装置下,制冷系统吸排气压力的变化趋势相同,而其差别在于:就吸气压力而言,热力膨胀阀系统的压力衰减时间长,幅度大。从除霜后的第5秒到第50秒,最低吸气压力仅为0108MPa,而短管系统的压力衰减时间短为5s～30s,衰减幅度小,最低吸气压力为01145MPa,并且短管系统排气压力回升较前者快。在除霜的大部分时间内,短管系统的吸气压力、排气压力均高于热力膨胀阀系统,由此反映出短管系统的优点为:由于吸气压力衰减小,不会出现吸气压力低于风冷热泵冷热水机组低压保护值的情况,而相对较高的吸气压力保证了制冷系统能维持相对高的制冷剂质量流量,在风侧换热器外表面结霜程度相同的条件下,化霜速度快。图4所示的翅片温度随时间的变化过程就是这个现象的反映,由于两次实验的除霜起始点略有差异,短管系统除霜时,翅片温度还略低于热力膨胀阀系统。当除霜时间为90s时,热力膨胀阀系统的翅片温度为0℃,而短管系统的翅片温度为5℃;时间为120s时,前者翅片温度为3℃,后者翅片温度为15℃;时间为14s时,前者的翅片温度为16℃,后者翅片温度为28℃。因此,短管节流的除霜时间短。文献[8]对一台3RT气—气热泵也进行了不同孔板孔径节流装置及短管对除霜性能影响的实验,其实验结果与上述结果类似。主要参数见表1。由表1可看出,随着节流孔径从1150mm增大到2157mm,制热循环总COP(从制热运行开始到除霜结束)提高了1313%。最低吸气压力也不断提高,制冷剂质量流量提高了68%(与内径为7162mm的直管相比),除霜时间缩短了5414%。文献[8]的研究发现,对于大的节流孔径(2157mm)及直管在除霜过程中出现了短时间的湿压缩,表现为压缩机排气过热度为0。对于风冷热泵冷热水机组,由于大多配有气液分离器,一般不会出现这种现象。第6期改进风冷热泵冷热水机组除霜性能的实验研究55表1节流孔板孔径与除霜性能的关系孔径mm1.501.781.932.22.577.62(直管)总COP2.082.302.30(kg最低吸气压力MPa最大制冷剂流量min)0.0740.0910.1020.1300.1530.1983.084.004.314.775.085.18除霜时间s14.539.719.337.837.336.614总结径有利于提高机组的除霜性能。文献[8]也反映了类似的问题。参考文献1黄虎等.中央空调中热泵的应用与节能.能源技术,1998,(6)2DarinWNatter,etal.Impactofthesuctionlineaccumulatoronthefrostdefrostperformanceofanair2sourceheatpumpwithascrollcompressor.ASRRAETrans,1990,96:113黄虎等.风冷热泵冷热水机组结霜工况下运行特性的实验研究.流体机械,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(下转第58页)58低温工程1999年不仅仅是O2含量的变化,同时也包含了大气压力变化带来的影响;并且是大气压力变化的5倍。而大气压力的变化,目前还无法控制。顺便要说一下的是磁氧分析器目前已有三种结构形式的商品:即40年代问世的热磁式,60年代研究成功的磁力机械式,以及80年代登场的磁压力式。这三种磁氧分析器中,磁力机械式受大气压力变化的影响最大,热磁式次之,磁压力式由于它采用了参比气,将被分析气样与参比气同时排入大气,因而消除了大气压力变化的影响。如川仪九厂生产的CY101型O2分析器,就是利用磁压力式原理。即使量程是98%～100%O2,也不会受大气压力变化的影响。如果Ar馏份中O2分析采用磁压力式氧分析器,那么就不会有大气压力变化的影响。但价格要比热导仪器贵好几倍。采用压力补偿,可改善大气压力变化的影响。如德国H&B公司的AdvanceOptima系统,可补偿到≤0102%O2。综上所述,若采用磁氧分析器测量Ar馏份中O2,但价格大于热导仪器;,通的热导式仪器测量Ar馏份中Ar,,,H&B公司的AdvanceOptimCaldos17,价格比同系统中s,Magnos16还快。据此,应该选用Ad2vanceCaldos17来分析Ar馏份中Ar。参考文献1程守洙,江之永主编.普通物理学.北京:人民教育出版社,1982.DISCUS