改進熱泵式空調器除霜的研究及教學應用

何寧芝

熱泵式空調器作為一種環保、節能的冷熱兩用空調器,能有效地實現夏天制冷和冬天制熱,目前已被推廣使用,并有著廣泛的市場。但其自身特點導致在使用中具有局限性,主要問題就是,在冬季氣溫較低且相對濕度較大的地區制熱運行時,蒸發器會結霜。霜層不僅會形成附加熱阻,而且會增加空氣流動阻力,導致風機流量減少,使熱泵系統性能惡化,甚至影響其正常工作,嚴重時還會引起壓縮機燒毀等故障。因此,為了保證熱泵式空調器可靠、高效地工作,必須對其進行周期性除霜。然而由于目前市面上各種除霜方法都存在缺陷,在制冷與空調行業當中關于熱泵式空調器的除霜問題依然是一個熱門的研究課題。

筆者十多年擔任技工學校制冷與空調專業教師,在教學過程中對熱泵式空調器的除霜方法進行了深入研究和不斷試驗,通過反復研究、試用,終于探索出一種簡易的除霜方法。這種方法具有明顯的實效性,為技工學校制冷專業的學生提供了一個更廣闊的知識空間,同時也拓展了他們的創造性思維。

一、常用的除霜方法

熱泵式空調器除霜的方法有多種,目前常用的一種方法是利用關停風扇原理,在需要除霜時將空調系統轉為制冷模式運行,依靠制冷劑冷凝時釋放出的熱量為室外側換熱器融霜。這種除霜方法存在以下幾方面的弊端:

第一,換熱器與霜層熱量傳遞的方式主要為導熱和輻射,然而疏松的霜層是熱的不良導體。一方面外層的霜不能及時融化導致除霜過程緩慢;另一方面,制冷劑冷凝過程中產生的熱量不能被充分吸收,可能導致冷凝壓力過高,影響空調系統的正常工作。

第二,當霜層較厚時,一旦附著在換熱器表面的霜融化,與換熱器間形成空隙,換熱器就無法通過導熱的方式向霜層傳熱,最終可能形成難以去除的空鼓霜殼。

第三,室外側換熱器初期只在進風側結霜,只有在反復除霜不盡、霜層越積越厚時,才有可能在換熱器出風側結霜。所以通常除霜時室外側換熱器非結霜側的溫度較高,非結霜側附近的空氣被加熱后溫度上升而未用于結霜側的除霜。

第四,霜層融化后的水滲入換熱片的縫隙,在換熱片表面被加熱蒸發,帶走熱量的結果是降低了換熱器表面的溫度,浪費能源的同時影響了除霜效果。

第五,這種除霜方法在除霜過程中空調系統實際已轉換成制冷模式,除霜時間越長則熱量損失越多,導致熱泵制熱效率下降。

二、改進除霜方法

1.方法簡介

為了對上述除霜方法進行有效的改進,筆者通過與學校制冷教研組專業老師的共同深入研究和多次試驗,發現在不改變熱泵結構的基礎上加裝接觸器、中間繼電器、時間繼電器和壓力開關,在除霜過程中啟動風扇反轉按原風扇相反的方向送風,強制使空氣由非結霜側進入室外側換熱器并向結霜側流動,將被加熱的空氣吹向霜層。實踐證明,這種方式不但能快速有效地除霜,對因長期除霜不盡最終結成的冰殼也能迅速去除,因而提高了熱泵的制熱效率,節約了能源。

這種除霜方式充分利用室外側換熱器的熱量,依靠對流、導熱、輻射三種方式同時融霜,而對流傳熱融霜的效率明顯優于導熱和輻射,因而除霜迅速徹底,同時解決了除霜過程中可能產生的冷凝壓力過高的問題。反向送風產生的氣流還能阻止融霜產生的水向換熱片縫隙中滲透,減少水在換熱片表面蒸發帶走熱量產生的不良影響。如果附著在換熱器表面的霜被融化,與換熱器間形成空隙,導熱傳熱雖然停止,但對流和輻射傳熱仍在進行,風壓還能促使霜殼瓦解脫離換熱器表面。

2.具體試驗方法

在熱泵內安裝啟動(或停止)風扇正、反轉的電路,如圖1和圖2所示。

圖1為普通三相異步電動機通過交流接觸器的切換,調換兩相電源啟動或停止時正、反轉風扇的電路原理圖。當風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K斷開,風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K閉合時,風扇電動機3得電正轉;當風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K斷開,風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K閉合時,風扇電動機3得電反轉;當觸點1K和觸點2K同時斷開時,風扇電動機3失電停轉。

圖2為單向電動機通過交流接觸器的切換改變相電源的接入方式啟動或停止時正、反轉風扇的電路原理圖。當風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K斷開,風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K閉合時,風扇電動機3得電正轉;當風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K斷開,風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K閉合時,風扇電動機3得電反轉;當觸點1K和觸點2K同時斷開時,風扇電動機3失電停轉。

在空調機內加裝經過改裝的控制風扇正反轉的電路,參見圖3。

熱泵制熱運行時,其控制電路輸出原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常開觸點4K閉合,時間繼電器5得電,延時后時間繼電器5的常開觸點5K閉合,此時風扇電動機交流接觸器2的常閉觸點2b閉合,風扇電動機交流接觸器1得電,其常開觸點1K閉合,風扇電動機3得電正轉(參見圖1和圖2)。

熱泵的除霜過程是由以下方式實現控制的:

在室外側換熱器上加裝壓力開關,當冷凝壓力上升到設定壓力的上限時,其常閉觸點7斷開;而當冷凝壓力下降到設定壓力的下限時,其常閉觸點7閉合,因而該觸點可用作控制除霜過程的信號開關。

熱泵開始除霜時按原程序要關停風扇,原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V變為0,中間繼電器4失電,其常開觸點4K斷開,時間繼電器5失電,風扇電動機交流接觸器1因時間繼電器5的常開觸點5K斷開而失電,其常開觸點1K斷開,正轉的風扇電動機3失電逐漸停轉。

此時由于壓縮機仍在工作,壓縮機交流接觸器的輔助常開觸點8處于接通狀態,時間繼電器6因中間繼電器4的常閉觸點4b閉合而得電,延時后時間繼電器6的常開觸點6K閉合,此時若壓力沒有達到設定條件,信號觸點7不閉合,風扇電動機交流接觸器2不得電,其常開觸點2K不閉合,風扇仍維持停轉狀態(見圖1和圖2),室外側換熱器依靠導熱和輻射兩種方式融霜。當系統冷凝壓力逐漸升高達到設定壓力的上限時,信號觸點7接通。由于此時風扇電動機交流接觸器1的常閉觸點1b閉合,風扇電動機交流接觸器2得電,其常開觸點2K閉合,風扇電動機3得電反轉(參見圖1和圖2),將被加熱的空氣吹向霜層,依靠對流、導熱和輻射三種傳熱方式融霜。在此過程中,當系統內的壓力逐漸下降至設定壓力的下限時,信號觸點7又會斷開,風扇逐漸停止轉動。若系統冷凝壓力逐漸升高重新達到設定壓力的上限時,風扇又啟動按原風扇相反的方向送風,再次依靠對流、導熱和輻射三種傳熱方式融霜,如此反復進行,直至除霜結束。

除霜結束時,熱泵控制電路重新輸出原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常閉觸點4b斷開,時間繼電器6失電,其常開觸點6K斷開,風扇電動機交流接觸器2失電,其常開觸點2K斷開,反轉的風扇電動機失電逐漸停轉(參見圖1和圖2)。此時中間繼電器4的常開觸點4K閉合,時間繼電器5得電,延時后其常開觸點5K閉合,此時交流接觸器2的常閉觸點2b閉合,風扇電動機交流接觸器1得電,其常開觸點1K閉合,風扇電動機3得電重新正轉(參見圖1和圖2),系統恢復制熱。

電路中的時間繼電器5和6保證風扇電動機3不會在高速運轉時瞬間反轉。電路中還串聯了壓縮機交流接觸器輔助常開觸點8,在空調器不工作時常開觸點8斷開,避免熱泵不工作時時間繼電器6處于常有電狀態。

此項關于熱泵式空調器除霜方法的研究,經過試驗證明改良效果明顯。在研究過程中還發現可以利用溫度控制代替壓力控制,取消中間繼電器、時間繼電器和壓力開關。即在除霜過程中,當室外側換熱器的溫度逐漸升高達到設定溫度的上限時,啟動風扇反轉;此過程中如果換熱器的溫度逐漸下降至設定溫度的下限時風扇停轉,中間繼電器和時間繼電器的功能由控制器完成。也可以考慮用時間控制風扇的反轉與停轉,但由于外界環境變化影響除霜的因素較多,控制時間的設定相對比較困難。

三、改進除霜方法在教學中的應用

對熱泵式空調器除霜方法進行改進的試驗,既可以應用于技校制冷專業理論教學,也可以作為實操教學的演示、實習(試驗)。有助于教學中由淺入深地引入制冷機除霜知識和操作技能,充實教學內容,提高學生專業操作技能水平與能力,培養適應市場需求的實用型人才。

1.適應市場需求的新變化,把除霜改進技術引入教學

隨著新技術在生產中的廣泛應用,技工教育也要適應目前市場的要求,大量培養一專多能、復合型中級技工和高級技工,甚至技師和高級技師。許多技工學校都開設了制冷與空調專業,而制冷技術在開發新技術方面還有比較大的空間,改進熱泵式空調器的除霜技術,并且滲透到教學過程當中,使之成為制冷專業教學中生動、形象、直觀的教材。

2.形象、直觀、多用,易激發學生的學習欲望

改進后的除霜試驗模型,演示起來形象、直觀,可以激發學生的興趣,同時還培養了學生的觀察能力,增強感性認識,擴大了學生的思維空間,有利于對知識的理解。在教學中也可聯系就業市場的要求,如較多用人單位提出“懂得新技術、新知識者優先”,激發學生的學習欲望。

通過對熱泵式空調器的除霜技術的改進試驗,把試驗過程成功地滲透到教學過程當中,不但能培養學生理論知識的應用能力、實際操作能力以及分析和解決問題的能力,而且可以引發學生對未來事物的創新、思考,樹立起未來對工作的信心。

通過對熱泵式空調器兩種除霜方法的分析比較,明確了利用反轉風扇原理除霜的多方面優點,特別是其安全、節能、環保的優勢,確實能解決常用除霜方法存在的缺陷。然而要真正推廣到實際中,還要聯系空調系統的實際工況加以深入研究,才能促進該項除霜技術研究更趨成熟,從而達到實用化的水平。在教學過程中除了要積極研究,大膽探索新技術、新知識,還要注重一點一滴地運用到教學實踐當中,才能達到教與學相長的目的。

(作者單位:廣東省肇慶市第二技工學校)