相变材料蓄能除霜系统实验研究

相变材料蓄能除霜系统实验研究

0空气源热泵蓄能除霜原理空气源热泵是一种节能的加热设备，在中国的商业和民用建筑中得到了广泛应用。但在相对湿度较高、温度较低的环境中运行时,空气源热泵的室外机翅片将会结霜。霜层的增长,导致室外机翅片管换热热阻增大,性能系数降低。为了保证良好的供热性能,空气源热泵需要定期除霜。逆循环除霜是目前应用最为广泛的除霜方式之一。PayneV等对采用转子压缩机和往复压缩机的空气源热泵机组的除霜进行了实验研究。结果显示应用转子压缩机可提高系统COP,降低排气过热度。O’NealDL等研究发现增大毛细管的尺寸可减少除霜时间。HuangD等实验发现除霜结束时室外风机提前开机可有效防止压缩机由于低压保护而造成的停机。另外,许多学者还对空气源热泵逆循环除霜的动态特性进行了研究。尽管对空气源热泵的除霜问题进行了众多研究,但除霜时缺少低位热源的本质问题仍未得到解决(为避免向室内吹冷风而关闭室内机风机,导致室内换热器无法提供充足的除霜热量)。由于除霜能量不足,除霜时压缩机吸气压力远低于供热时的平均水平,吸气比容变大,制冷剂循环质量流量变小,最终导致除霜时间拉长,严重时导致压缩机停机。为了解决空气源热泵除霜能量不足的问题,文献提出空气源热泵蓄能除霜方法,利用相变材料蓄存部分高温气态制冷剂的相变热,除霜时加热低温制冷剂。另一方面,在常规空调的设计中,常采用过冷器来提高系统性能系数。过冷器将冷凝器出口的制冷剂过冷热量传递给压缩机吸气,因此有时会导致压缩机吸气过热,从而降低系统性能。所以,采用过冷器并不是对所有的空调系统都适用。为了消除过冷器的缺点,设计了一种机械过冷的方式用来消除压缩机吸气过热的问题。但这种方法需要额外增加一台压缩机,从而增大了耗功,对系统性能提高的程度有限。此外,有些研究者通过利用热管和热电池蓄热的方式来实现制冷剂过冷。为提高系统供热性能系数,同时为除霜提供能量来源,本文提出利用相变材料蓄存供热过程中制冷剂的过冷热量、除霜时提供低位热源的思路。主要针对在供热过程中,实现制冷剂过冷蓄能的不同模式进行研究,并对不同过冷蓄热方式下的系统特性进行了对比研究,从而选择更佳的蓄能模式。1实验原理和设计1.1不同制冷剂的蒸发规律相对于传统的空气源热泵机组,本系统在室内机出口与毛细管之间增加了一个相变蓄热器。在正常供热时,打开阀门F2和F3,关闭阀门F1,室内机出口的高温液态制冷剂流到相变蓄热器中。在相变蓄热器内,高温制冷剂的热量通过管壁和翅片传递给相变材料,当相变材料的温度达到相变点时即发生相变。制冷剂的温降显热转换成相变材料的相变潜热。之后制冷剂流到毛细管前端节流。一方面实现了制冷剂过冷,提高了供热性能系数,另一方面,实现了相变材料的蓄热,为除霜储备能量。在除霜运行时,毛细管节流后的低温低压液态制冷剂首先流经相变蓄热器。在相变蓄热器内,相变材料蓄存的热量通过管壁和翅片传递给制冷剂。吸热后的制冷剂再流经室内机,回到压缩机。制冷剂蒸发所需的热量主要来自相变蓄热器。一方面完成了相变材料的相变放热过程,为下一次的过冷蓄热提供条件,另一方面,为除霜提供了充足的热量,解决了除霜能量来源不足的问题。1.2实验装置和传感器布置在相变蓄热器内充注质量比为2∶1的癸酸和十四酸的混合物作为相变材料。DSC测试曲线如图1所示。实验所用相变材料的相变温度为23.5℃,相变潜热为170.6kJ/kg。在本实验中相变蓄热器是一个重要设备。为了加强相变材料与制冷剂之间的换热,采用带有铝翅片的矩形相变蓄热器。尺寸如图2所示。正常供热兼蓄热过程中,制冷剂由相变蓄热器下部分三环路流入相变蓄热器。相变材料充注于矩形相变蓄热器与翅片管形成的空间。高温制冷剂由相变蓄热器下部向上流动的过程中,通过铜管和铝翅片与相变材料换热,制冷剂温度降低实现过冷,同时相变材料发生相变,完成蓄能过程。过冷后的制冷剂由相变蓄热器上部流出,之后被毛细管节流。实验在人工模拟环境房间内进行。实验中布置了压力传感器(量程为3.0MPa,精度为±0.0075MPa)、温度传感器(±0.1℃)、湿度传感器(±1.0%)和风速传感器(±0.2m/s)。其布置如图3所示。在系统压力、温度等参数稳定后,开启安捷伦34980A数据采集系统进行实验数据采集。实验过程中,通过控制人工小室的供热量、供冷量及加湿量,从而保证室外侧换热器所处环境温度为-1.0±0.1℃,相对湿度为85%±2%,室内侧换热器所处环境温度为20.1±0.1℃,相对湿度为50%。实验周期为150min。2过冷蓄能模式在模拟室内外环境条件下,本实验进行了正常供热和过冷蓄能供热的对比实验。其中,为了研究过冷蓄能对供热的影响,进行了开机即过冷蓄热和开机1h后过冷蓄热两种蓄热模式。实验结果分析如下:1)由图4可看出,在供热开始后,开机即过冷蓄能模式下的排气温度一直低于常规供热排气温度。在33min时,两模式下的排气温度达到相等为58.9℃。这主要是因为相变材料蓄热使得制冷剂过冷,从而使得压缩机进口制冷剂温度降低,进而导致出口温度较低。正常供热1h后再过冷蓄热时,由于相变材料蓄热使得制冷剂过冷度增大,压缩机的排气温度急剧下降,最低达到56.5℃,比蓄热前降低2.0℃。之后随着相变材料相变过程的完成,排气温度逐渐上升并维持在约60.2℃。2)由图5可看出,供热开始后,开机即过冷蓄能模式下的压缩机吸气温度一直低于常规供热的吸气温度,最大可低1.4℃。主要是由于相变材料蓄热导致制冷剂过冷,使得节流后温度降低。在36min时,两种模式下的吸气温度达到相同为-7.2℃。之后由于室外机壁面霜层的形成,导致换热性能下降,因此吸气温度逐渐降低。在开机1h后过冷蓄能模式下,压缩机的吸气温度突然由-7.6℃降低到-9.2℃。之后随着相变材料相变过程的完成,吸气温度又恢复到-7.7℃。3)由图6可看出,开机即过冷蓄能模式下的吸气压力低于常规供热的吸气压力。到33min时,两种模式下的吸气压力达到相等为1.65MPa,之后趋于稳定。在开机1h后过冷蓄能模式下,由于吸排气温度的降低,致使压缩机的排气压力由1.65MPa下降到1.53MPa。随着相变材料蓄热过程的完成,排气压力又恢复到正常水平。4)室内机进出风温差是影响供热效果的重要因素。如图7所示,在开机即过冷蓄热和常规供热两种模式下,室内机进出风温差变化规律与压缩机排气温度的变化相似。供热初期,开机即过冷蓄热模式下的进出风温差较低。在30min时,两种模式下的进出风温差均达到15.7℃。在开机1h后过冷蓄能模式下,进出风温差由15.9℃最大降低到14.2℃。之后温差逐渐上升并恢复到正常水平