反循環除霜對熱泵用螺桿制冷壓縮機性能影響的實驗研究

吳華根 邢子文 束鵬程

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

風冷熱泵作為中央空調的冷熱源，自90年代以來在我國得到了廣泛的應用。風冷熱泵的優點在于一機二用，冬天可提供熱量，夏天可以提供冷量，提高了機組的利用率，并把空氣作為低溫熱源，這對低品位熱能的開發和利用具有重要的意義，可以說該類熱泵技術是一種節能技術，非常適合在我國的推廣應用。當然從風冷熱泵冷熱水機組實際運行的效果看，在氣溫偏低且相對濕度較高的地區，冬季制熱運行時性能不太理想，主要原因是蒸發器結霜及除霜造成風冷熱泵機組供熱能力下降。當環境溫度低于0℃時，霜就有可能在風側換熱器的翅片上形成，阻礙了通風量，降低換熱器的效率，這就需要進行周期性除霜［1］。因此除霜技術的發展對于風冷熱泵機組的推廣將有重大的推動作用。O’Neal等［2］研究了短管節流器孔徑尺寸對空氣源熱泵除霜性能的影響。Krakow等［3］提出了反循環除霜的理想模型，闡明了除霜基于以下四個階段:預熱階段，融霜階段，蒸發階段以及烘干階段。黃虎等［4］在對風冷熱泵冷熱水機組除霜過程內部狀態變化進行定性分析的基礎上，建立了機組除霜過程動態仿真數學模型。黃東等［5］研究了反循環除霜時風機預先啟動和正常啟動對機組性能的影響。劉志強等［6］在熱氣除霜實驗研究的基礎上，提出了風冷熱泵熱氣除霜過程的動態特性模型，重點模擬了這一過程中霜層側的傳熱傳質和制冷劑側壓力變化情況。梁彩華等［7］針對現有逆向除霜方式的不足，提出了一種新型的顯熱除霜方式。Huang等［8］通過實驗研究了環境參數對于除霜時帶有經濟器補氣壓縮機的空氣源熱泵的性能影響。湯曉亮等［9］利用時間－溫差法對風冷冰箱的除霜技術進行了研究，并取得了較好的效果。張杰等［10］對小型空氣源熱泵的幾種除霜方式進行了比較分析，認為相變蓄能除霜有較好的優勢。國內外的研究成果極大的推動了熱泵技術在我國的應用。

目前，常用的除霜方式有反循環除霜、熱氣旁通除霜、熱水除霜、相變蓄能除霜等。本文主要對反循環除霜對于螺桿壓縮機性能特性的影響進行研究，即當化霜開始時，將風冷熱泵的制熱工況轉變為制冷工況運行，把壓縮機排氣直接進入風側換熱器，使得風側換熱器盤管溫度升高，從而對翅片進行除霜時，螺桿壓縮機的壓力、溫度、功率等參數的瞬態變化情況進行實驗研究。這對在熱泵的實際運用中如何更好的保護壓縮機提供了實驗依據，對于提高熱泵的運行性能也富有指導意義。

1 實驗裝置

1.1 熱泵機組

為了達到本文實驗的目的，西安交通大學自己設計建成了風冷熱泵性能測試實驗平臺。該實驗平臺主要包括壓縮機、蒸發器、冷凝器以及膨脹閥，還包括其他的輔助器件，圖1顯示的是風冷熱泵實驗樣機的主件流程。該熱泵機組的名義制熱量為145 kW。系統中雙螺桿壓縮機設計轉速為2960 r/min，陰陽轉子齒數為5、6齒，名義排氣量為3.5 m3/min。

圖1風冷熱泵流程圖Fig．1 Schematic diagram of air-source heat pump

1.2 實驗及測試裝置

熱泵系統運行時，當蒸發器翅片的溫度低于0℃，環境相對濕度大于60%時，翅片表面就可能有結霜現象發生。本實驗中，翅片結霜現象如圖2所示。隨著霜層的增厚，整個換熱器的性能下降，導致系統的整體性能不斷下滑，這就需要進行反循環除霜來使熱泵系統能夠恢復正常的運行。依靠此實驗平臺，螺桿壓縮機在反循環除霜過程中的吸、排氣壓力，吸、排氣溫度，功率進行了動態測試，經由壓力和溫度傳感器探測，并有數據采集卡采集，然后輸入電腦進行整理和分析。

圖2風側換熱器結霜圖Fig．2 Frost on heat exchanger

2 實驗結果及分析

為了研究反循環除霜對壓縮機性能的影響，在風冷熱泵結霜工況下人為延長結霜時間，再進行反循環除霜，并對壓縮機的吸、排氣壓力和溫度，壓縮機功率，制熱量進行了測試。

圖3所示為反循環除霜時，壓縮機的吸、排氣壓力的變化情況。圖中橫坐標是時間，在橫坐標是395 s時，四通閥切換風冷熱泵由制熱工況轉為制冷工況運行，壓縮機的排氣直接噴入風側換熱器(蒸發器)進行除霜，除霜時間為5 min。

在結霜過程中，壓縮機的吸氣壓力有所下降，下降幅度不大，這是因為隨著霜層的增厚，制冷劑在蒸發器內獲得的熱量越來越少，導致吸氣壓力緩慢的下降。當四通閥切換時，壓縮機吸氣管道和排氣管道就會發生壓力平衡現象，壓縮機的排氣壓力有了急劇的下降，在短短的30 s內從1.845 MPa迅速降到0.638 MPa，吸氣壓力則先急劇的上升，緊接著快速下降，甚至到了0.1 MPa，接近于真空吸氣。這是因為四通閥切換時，剛排出的高溫高壓制冷劑準備進入冷凝器的氣體被壓縮機抽回，導致吸氣壓力上升，但是在系統壓力的平衡前，汽液分離器中的液體都被蒸發完，而系統壓力尚未平衡，壓縮機吸氣量越來越少，導致吸氣壓力進一步下降。這種狀況對于壓縮機來說是極其不利的，在吸氣壓力和吸氣量如此低的情況下，排氣壓力必然隨之下降，由于吸、排壓力之間的壓差下降過快，就會引起壓縮機的供油量減少，壓縮機轉子的溫度會升高的很快，轉子變形量增大，提高了壓縮機噪聲，并且壓縮機的軸承的潤滑效果也會下降，降低了軸承的壽命，這對壓縮機性能來說是極為有害的。在反循環除霜過了2 min后，壓縮機的吸排氣壓力都出現了較大的震蕩，尤其是排氣壓力，這種吸排氣壓力的劇烈變化對壓縮機的工作非常不利。

圖3除霜過程中壓力的變化Fig．3 Pressure variation during defrost process

除霜時壓縮機吸、排氣溫度的變化如圖4所示。從圖上可以看出，在反循環除霜開始時，由于溫度平衡的時間要比壓力平衡長，所以沒有馬上出現溫度的大幅度變化，過了幾十秒后，壓縮機的排氣溫度開始下降，吸氣溫度開始上升。而且吸、排氣溫度的變化程度與壓力相比則緩和許多，排氣溫度先是由90℃下降到75℃，然后逐漸上高，最高至100℃左右，然后下降并逐漸趨于穩定，而吸氣溫度先升高到37℃并保持一段時間，然后逐漸下降。

圖4除霜過程中溫度的變化Fig．4 Temperature variation during defrost process

圖5除霜過程中壓縮機功率變化Fig．5 Compressor power variation during defrost process

圖6除霜過程中壓縮機制熱量變化Fig．6 Heat capacity variation during defrost process

反循環除霜過程中壓縮機的功率變化如圖5所示。在結霜階段，壓縮機功率出現了輕微的減小。當反循環除霜開始時，壓縮機功率就有明顯的下降，當吸、排氣壓力達到最小值的同時壓縮機功率值也為最小。這主要是由于壓縮機的質量流量有了大幅度的下降引起的，壓縮機流量減少，所消耗的壓縮機功也隨之減少。隨著制冷工況的進一步延續，吸、排氣壓力回升，壓縮機的流量逐步上升，壓縮機功率也隨著上升。

圖6給出了制熱量在除霜過程中的變化情況。隨著霜層增厚，制熱量逐步下降，當制熱量大約只有名義制熱量的一半時，除霜開始。從圖中可以看出，由于溫度的平衡要比壓力平衡的時間長，因此除霜開始一段時間以后制熱量才有了明顯的下降。隨著除霜過程的進行，熱泵系統由向外界提供熱量逐步轉為提供冷量。除霜過程中，由于風側換熱器的翅片上的霜導致冷凝效果加強，因此大大增加了機組的制冷量。由此可見，反循環除霜將會導致房間在較長的時間內得不到熱量的供應，反而會被提供冷量，極大的降低了房間的溫度，并不利于房間舒適性要求，這也是眾多研究者們探索其他除霜方式的原因之一。

針對大中型螺桿型風冷熱泵而言，在反循環除霜切換四通閥時，螺桿壓縮機的吸、排氣壓力有劇烈的變化，并在后續的除霜過程中有較大的波動，因此針對該特性進行研究尋找適合大中型風冷熱泵用螺桿制冷壓縮機的除霜方式將顯得非常重要。文獻［11］提出了在小型空氣源熱泵中利用串聯蓄熱除霜模式可以提高吸氣壓力，降低壓力的波動。而且從已有的相關研究文獻來看相變蓄能除霜方式可緩解反循環除霜時吸氣壓力過低和熱氣旁通除霜時間較長的問題。因此研制合適的相變材料作為蓄能介質(具有良好的蓄熱特性和放熱速度)和研究其控制特性，將有可能較好的降低除霜過程中多壓縮機的沖擊，使該方法成為大中型空氣源熱泵的除霜應用中的重點。

3 結論

總的來說，反循環除霜方式有利于風側換熱器的霜層被迅速除去并被烘干，但是該方式對于螺桿壓縮機的沖擊較大，壓縮機的吸排氣壓力將會產生很大的波動，吸氣壓力甚至降到了0.1 MPa，而排氣壓力也會迅速下降，最低點只有正常工況下的三分之一左右，這會極大影響壓縮機運行時的供油量，引起供油量的不足，嚴重時可能造成壓縮機及其軸承的損傷。另外，由于反循環除霜，會導致房間供熱量不足，舒適性降低。因此探索柔和、高效的除霜方式必然成為熱泵技術中的研究熱點。

［1］Takao Nishimura．Heat pumps—status and trends in Asia and the Pacific［J］．International Journal of Refrigeration，2002，25(4):405-413．

［2］O’Neal Dennis L，Peterson Kurt，Anand NK．Effect of short-tube orifice size on the performance of an air source heat pump during the reverse-cycle defrost［J］．International Journal of Refrigeration，1991，14(1):52-57．

［3］K I Krakow，S Lin，L Yan．An idealized model of reversed-cycle hot gas defrosting ［J］．ASHRAE Trans．，1993，99(2):317-338．

［4］黃虎，李志浩，虞維平．風冷熱泵冷熱水機組除霜過程仿真［J］．東南大學學報，2001，31(1):52-56．(Huang Hu，Li Zhihao，Yu Weiping．Dynamic Simulation of Air Cooled Heat Pump/Chiller under Defrosting Condition［J］．Journal of Southeast University(Natural Science Edition)，2001，31(1):52-56．)

［5］Huang Dong，Yuan Xiuling，Zhang Xingqun．Effects of fan-starting methods on the reverse-cycle defrost performance of an air-to-water heat pump［J］．International Journal of Refrigeration，2004，27(8):869-875．

［6］劉志強，湯廣發，趙福云．風冷熱泵除霜過程動態特性模擬和實驗研究［J］．制冷學報，2003，24(3):1-5．(Liu Zhiqiang，Tang Guangfa，Zhao Fuyun．Investigation and Simulation of Air-source Heat Pump during Reverse Cycle Defrost［J］．Journal of Refrigeration，2003，24(3):1-5．)

［7］梁彩華，張小松，巢龍兆，等．顯熱除霜方式與逆向除霜方式的對比試驗研究［J］．制冷學報，2005，26(4):20-24．(Liang Caihua，Zhang Xiaosong，Chao Longzhao，et al．Experimental Comparison of Sensible Heat Defrost and the Conventional Reverse Cycle Defrost［J］．Journal of Refrigeration，2005，26(4):20-24．)

［8］M J Huang，N J Hewitt．The experimental analysis of the effect of ambient factors on the defrosting of economised vapour injection compressor air source heat pump in marine climates［J］．International Journal of Refrigeration，2013，36(3):820-827．

［9］湯曉亮，王鐵軍，楊帆，等．風冷冰箱除霜控制技術研究與應用［J］．制冷學報，2013，34(2):49-54．(Tang Xiaoliang，Wang Tiejun，Yang Fan，et al．Study on Defrosting Control technology of Air Cooled Refrigerator［J］．Journal of Refrigeration，2013，34(2):49-54．)

［10］張杰，蘭菁，杜瑞環，等．幾種空氣源熱泵除霜方式的性能比較［J］．制冷學報，2012，33(2):47-49．(Zhang Jie，Lan Jing，Du Ruihuan，et al．The Performance Comparison of Several Defrosting Modes for Air-source Heat Pump［J］．Journal of Refrigeration，2012，33(2):47-49．)

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