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使用条缝翅片管换热器的空气源热泵机组除霜特性研究点击：2035 日期：[ 2014-04-26 22:00:58 ] |
| 使用条缝翅片管换热器的空气源热泵机组除霜特性研究 刘川 郭宪民 杨宾 (天津商业大学,天津 300134) 摘要：对试验使用条缝翅片换热器及R410A工质的空气源热泵空调器的除霜特性进行了试验研究,测量了除霜过 程中热泵样机的制热量、输入功率、室外换热器进出口温度及压力等参数的动态变化,分析了不同工况下热泵样机的除 霜损失。试验结果表明:随着室外环境温度和相对湿度的降低,热泵机组在除霜过程中消耗的能量及从空调房间中吸收 的热量增大,尤其在环境温度低于0℃时,除霜过程中的损失增大更快。由于随着环境相对湿度的增大霜层增长速度加 快,除霜过程中的损失占结霜/除霜循环总耗能及总制热量的比例增加,因此热泵机组结霜/除霜循环的平均制热量及 COP迅速减小。与使用平翅片换热器的热泵机组除霜性能的比较表明,随环境相对湿度的增加,条缝片换热器热泵机组 的结霜/除霜循环平均性能衰减速度要快的多。 关键词：空气源热泵;除霜特性;条缝片换热器 中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A 1 前言 空气源热泵空调器在冬季某些气象条件下室 外换热器表面会产生结霜现象,引起热泵性能下 降,严重时会导致热泵不能正常工作,为了保证热 泵能正常而有效的运行,必须对热泵机组进行周期性除霜。在传统的逆循环除霜过程中不仅要消耗能量,同时还要从空调房间中吸收热量,降低了空调房间的舒适性。 国内外学者对逆循环除霜过程进行了大量的 理论和试验研究,KuwaharaE(1986)等人采取提 高压缩机的频率、利用压缩机的蓄热及翅片表面 处理减少除霜残留水等措施,把除霜时间缩短到 不足原来的1/2[1]。姜益强等(2000)提出了结霜 量指标和相对结霜量概念,得出了相应地区不同 使用情况下的平均结霜除霜损失系数[2]。Anand NK(1989)、黄东(2004)等人试验研究了风机提 前启动对逆循环除霜时间的影响[3、4]。 目前,欧盟对HCFC工质在小型制冷装置中的应用做出了严格限制,国内空调器厂家已开始 大量使用R410A制冷剂。同时,各种开缝型翅片已广泛应用于空调器换热,但工质及翅片形式对 热泵结霜及除霜性能的影响尚需进一步的研究。本文在GuoXM等人对R410A热泵结霜性 研究的基础上对使用单向条缝翅片换热器及 R410A工质热泵空调器的除霜特性进行了试验研究[5]。 2 试验装置及试验步骤 试验在由内、外侧环境室组成的焓差法空调 器性能试验台上进行,试验装置如图1所示。在内外环境室内分别安装了空气处理装置, 以控制其中的温、湿度保持在设定值。采用微压 差变送器(±1%FS)测量喷嘴进出口的压差计算 室内换热器风量,测量室内换热器进出口干湿球 温度计算其进出口的焓差,以获取室内换热器的换热量。采用显微照相法测量翅片表面霜层厚 度,显微镜放大倍数为90倍。环境室的干湿球温 度采用Pt100铂电阻温度传感器测量,其精度为 ±0.1℃。制冷剂压力由焓差室测控系统预留的 压力测点测量,测量精度为±0.25%FS。室外换 热器壁温采用敷设在换热器管端弯头上经标定的 热电偶测量。采用温度巡检仪(最大分辨率为 0.1℃)对热电偶信号进行自动检测与记录。 在不同的室外换热器入口空气温度及相对湿 度条件下对试验样机进行了试验,入口空气温度变化范围为-11~5℃、入口空气相对湿度变化范 围为60%~90%。样机为上海双菱空调器有限 公司生产的KFR-34GW分体式热泵空调器,其 额定制冷量3.5KW。采用滚动转子式压缩机,额 定输入功率为1.17KW。毛细管内径为1.4mm, 长度为500mm。室内、外换热器均采用条缝片管 式,具体几何参数见文献[5]。 除霜特性试验是在各个工况结霜试验完成后 进行。除霜方式采用四通阀换向逆循环除霜,试 验过程中当霜层厚度达到0.7mm时人工启动除 霜。除霜开始时关闭室外换热器风机及压缩机, 同时四通阀换向,延时约3min后压缩机启动,室 内换热器风机保持低速运转状态;除霜结束后开 启室外换热器风机,同时四通阀换向,延时约 3min后室内换热器风机转向高速运转状态,进行 下一个制热循环。 3 试验结果及讨论 3.1 除霜过程分析 图2、3给出了在ta,1=0℃、RH=80%工况下 热泵空调器除霜过程中压缩机吸排气压力、室外换热器进出口壁温随时间的变化,其中0时刻表 示除霜的开始时刻。图4、5为上述工况条件下除 霜过程中热泵机组耗功率变化及除霜过程中室内换热器热交换量。 由图2可见,四通阀换向后约120s系统高低 压达到平衡,压缩机运行后吸气压力迅速降低而 排气压力开始上升,经过约20s高低压达到稳定。随着除霜过程的进行,蒸发压力和冷凝压力均缓 慢升高,室外换热器进出口管壁温度也相应升高 (图3),在500s左右压缩机停机,吸排气压力迅 速平衡。除霜过程中压缩机耗功率随除霜时间略 有升高(图4)。 从图5中可以看出,由于除霜开始时换热器 的管壁、翅片和制冷剂的蓄热作用,除霜初始阶段 热泵制热量大于零,即室内换热器向空调房间放 出热量,随着压缩机的启动,大约在255s左右制 热量变成负值,即室内换热器从空调房间吸收热 量。在以后的分析中把除霜循环过程中从房间吸 收的热量与向空调房间放出的热量之差从结霜/ 除霜循环总制热量中扣除,作为分析循环性能的 依据。 3.2 不同工况条件下的除霜损失 试验中还发现,在除霜过程中从空调房间吸 收的总热量与总耗能的变化趋势是相同的,限于 篇幅,本文仅给出了热泵样机在不同工况条件下 除霜过程中的总耗能,如图6所示。 从图中可以看出,在固定相对湿度下,室外环境温度越低,热泵机组除霜过程中消耗的能量越 大,尤其在环境温度低于0℃时,其对除霜过程中 耗能的影响更为严重。其原因是虽然热泵机组蒸 发器的表面霜沉积量随着环境温度的降低而减 小[5],但在较低环境温度下压缩机排气压力较低, 使得霜层融化较慢。试验过程中发现,室外工况 在-12℃以下时,霜层甚至难以完全融化。在同 一温度工况,随着相对湿度的增大热泵机组在除 霜过程中消耗的能量逐渐减小。图中曲线的斜率 绝对值随着温度的减小越来越大,表明在低温工 况下相对湿度对除霜过程中耗能的影响更大。造成这种现象的原因主要有以下两个方面: (1)随着相对湿度的增加,结霜周期缩短,换热器表面的霜沉积量减小[5],因而减小了除霜过 程中的耗能。 (2)随着相对湿度的增大,换热器表面霜层 密度越来越小,对于高相对湿度工况,在除霜过程 中的大部分时段形成的霜晶为针状冰,试验发现, 这种形状的冰晶易于融化。试验中还发现,在除 霜过程中从空调房间吸收的总热量与总耗能的变 化趋势是相同的。实际上,除霜过程中的总耗能及从空调房间吸收的总热量的大小主要取决于除 霜过程持续时间的长短。 热泵机组在实际使用中经历的是周期性的结 霜和除霜过程,因而影响除霜损失的另一个重要参数是除霜频率,必须综合考虑热泵机组在结霜/ 除霜循环中的平均除霜损失才是有意义的。图 7、8分别给出了热泵机组除霜过程中的除霜耗能 占结霜/除霜循环总耗能的比例及吸热量占结霜/ 除霜循环总制热量的比例,并与平翅片管换热器 热泵机组试验结果进行了比较[6]。 从图7、8可以看出: (1)随着室外空气相对湿度的升高,除霜过 程中的耗能及吸热量占结霜/除霜循环总耗能及 总加热量的比例增大,且增大的速率随环境的温 度降低迅速增大。其主要原因是随着相对湿度的 增大,霜层的生长速度加快,造成结霜循环周期缩 短,而且相对湿度的影响对于环境温度低于0℃ 的工况更大[7、8]。 (2)将条缝片换热器热泵机组与平翅片换热 器热泵机组的试验数据相比较可以发现,条缝片 换热器热泵机组除霜耗能比例及从房间中吸收的 热量占总加热量的比例均高于相同工况下平翅片 换热器热泵机组的相应值。例如,对于环境温度 为0℃、相对湿度为80%的工况,条缝片换热器热 泵机组和平翅片换热器热泵机组在除霜循环中从 房间中吸收的热量占总加热量的比例分别为13. 5%和3%,二者相差了4.5倍。两台机组的除霜 耗能比例分别为8.5%和5.8%。产生这种差别 的原因是条缝片换热器表面结霜后空气流动阻力 迅速增大[5],导致在结霜初期其风量即开始迅速 下降,迎面风速的降低大大加快了霜层的生长,使 得结霜周期大大缩短,热泵机组除霜的频率大大 增加,而平翅片换热器的结霜对空气流动阻力的影响相对较小[7、8]。 3.3 结霜/除霜循环平均性能 图9给出了热泵样机在不同工况条件下的平 均COP,平均制热量与平均COP的变化趋势基本 一致。为了比较条缝片换热器热泵机组的平均 COP,在图9中同时给出了平翅片换热器热泵样机的平均COP试验结果[6]。 从图中可看出室外环境参数对两台热泵机组 不同的影响:(1)随着相对湿度的增大,热泵机组 的平均COP减小,且温度越低平均COP衰减速 度越快。(2)对于相同的温度工况,在低相对湿 度工况下,两台机组的平均COP差别不大,而在 高相对湿度工况下,条缝片换热器热泵机组的平 均COP要比平翅片换热器热泵机组的平均COP 低得多。例如,比较两个热泵机组在室外环境温 度为0℃时不同相对湿度工况下的COP,可以发 现,当室外湿空气相对湿度从60%增至85%时, 条缝片换热器热泵机组的平均COP下降幅度约 为平翅片换热器热泵机组的平均COP下降幅度 的4.3倍;对于室外环境温度为-3℃工况,相对 湿度对两个被试机组COP的影响差别更大。 使用条缝片换热器的空气源热泵机组在高湿 度工况下平均制热量和性能系数急剧下降的主要 原因是其室外换热器表面结霜速度过快,造成机 组频繁除霜,这不仅影响能量利用效率,对机组的 安全运行及空调房间的舒适性也是极为不利的, 实际上在上述高湿度工况下使用条缝型翅片换热 器空气源热泵机组已失去了意义。 4 结论 (1)在固定相对湿度下,室外环境温度越低, 热泵机组除霜过程中消耗的能量越大,尤其在环 境温度低于0℃时,室外环境温度对除霜过程中 耗能及从空调房间中吸收的热量的影响更为严 重。当室外工况在-12℃以下时,霜层甚至不能 完全融化。而随着环境相对湿度增大,系统的除霜耗能减小; (2)随着室外空气相对湿度的升高,热泵机 组在除霜过程中的耗能及吸热量占结霜/除霜循 环总耗能及总加热量的比例增大,且增大的速率 随环境的温度降低迅速增大; (3)条缝片换热器热泵机组结霜/除霜循环 的平均制热量及平均COP随室外空气相对湿度的增加而下降,其幅度远远大于使用平翅片管换 热器热泵机组的下降幅度,且温度越低下降越快。因此可以说,对于工作在结霜工况下的空气源热泵来说,条缝型翅片换热器仅适用于低相度湿度工况,在高湿度工况下其性能将迅速恶化,甚至不能正常工作,设计者应根据热泵系统使用条件谨慎选用开缝型翅片管换热器。 参考文献 [1] KuwaharaE,KawamuraT,YamazakiM.Shortingthe defrosttimeonaheat- pumpairconditioner[J]. 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