閃發器型準二級壓縮空氣源熱泵加速除霜實驗*

徐林彤 林木森 倪 龍△ 宋一平 吳林濤

(1.哈爾濱工業大學,哈爾濱;2.寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室,哈爾濱;3.海信空調有限公司,青島)

0 引言

空氣源熱泵的結霜一方面增大了室外換熱器表面導熱熱阻,降低了室外換熱器的傳熱系數;另一方面,霜層的存在增大了空氣流過室外換熱器的阻力,減少了空氣流量,從而降低了機組供熱性能[1]。特別在高濕地區,為了使空氣源熱泵保持較高的運行效率,需要適時對其進行除霜[2]。而對于熱泵結除霜的研究則經歷了從結霜/除霜機理研究、除霜方法、蓄熱除霜到無霜運行的轉變[3]。在應用最多的逆循環除霜方式中,除霜時室內換熱器作為蒸發器不再向室內供暖,而是需要吸收熱量,極大地影響了室內熱舒適性。為了提高室內熱舒適性并降低除霜能耗,應該盡可能縮短除霜時間。

縮短除霜時間的主要方式是增大除霜期間壓縮機的排氣熱量。一些學者采用蓄熱的方式增加除霜期間的冷凝器放熱量,Zhang等人在壓縮機周圍安裝了相變蓄能裝置,該裝置在制熱模式下儲存熱量,并在除霜時釋放熱量,大幅提升了冷凝器放熱量,將除霜時間縮短了65%[4]。Wang等人提出在四通閥與室外換熱器之間增設1個制冷劑補償器,制熱時室內換熱器中的部分制冷劑流入補償器內,除霜時這部分制冷劑再流入室內換熱器,從而增加了除霜時循環制冷劑的流量[5]。另一些學者則通過改造氣液分離器等儲液裝置來改善熱泵除霜性能,如在氣液分離器內設置電加熱器[6]。而馬龍霞等人提出了一種耦合儲液氣液分離器的空氣源熱泵除霜系統,最多可縮短除霜時間75 s[7]。

補氣技術在低溫制熱時被廣泛采用,其可以有效提升壓縮機的排氣量,降低壓縮機的熵增[8],從而增強熱泵機組的制熱效果。面對逆循環除霜熱量不足的難題,針對經濟器型準二級壓縮空氣源熱泵系統的特殊結構,倪龍等人提出了補氣除霜技術,在除霜期間打開準二級壓縮的補氣節流閥,通過向壓縮機補入中壓制冷劑來增大壓縮機的排氣量和輸入功[9]。魏文哲等人在此基礎上進行了可行性實驗,結果表明,當電子膨脹閥在最佳開度時,經濟器型準二級壓縮空氣源熱泵的除霜時間縮短了20.61%,除霜效率提升了6.22%[10]。該研究針對的是經濟器型準二級壓縮空氣-水熱泵,完成補氣操作的是電子膨脹閥,主要研究同一室外環境下電子膨脹閥開度對補氣除霜的影響。而本文針對的是閃發器型準二級壓縮空氣源熱泵熱風機,完成補氣操作的是電磁閥,不具備節流和調節功能,研究內容側重于室外環境對于補氣除霜的影響,探究補氣除霜在不同工況下的應用規律及除霜效果的改善機理,有助于推動該技術的理論發展和實踐。

1 實驗方案

1.1 實驗樣機

實驗樣機為閃發器型準二級壓縮空氣源熱泵熱風機,由準二級壓縮機、室外盤管、毛細管、閃發器、氣液分離器、主電子膨脹閥、補氣電磁閥和四通換向閥組成,結構見圖1。制熱運行工況下,當室外溫度較低時,開啟補氣電磁閥,構成準二級壓縮循環。補氣電磁閥為通斷型閥門,不具備主動調節功能,其補氣量由主路電子膨脹閥控制。常規除霜模式下,補氣電磁閥關閉。在補氣加速除霜技術中,壓縮機排氣口的高溫氣態制冷劑進入室外盤管放熱融霜,再經過毛細管節流后進入閃發器。在閃發器中,制冷劑通過下出口進入主環路,在室內盤管吸熱蒸發;閃發器中另一部分制冷劑蒸氣則通過上出口進入補氣環路,補入壓縮機內與經過一級壓縮的制冷劑混合,在進一步壓縮后制冷劑從排氣孔排出,完成整個除霜循環。該實驗采用機組的出廠額定參數,如表1所示。

圖1 熱泵機組系統結構及測點布置

表1 實驗熱泵機組參數

1.2 實驗條件

實驗地點位于青島某焓差室,由2個房間(室內側A室和室外側B室)組成,室內側A室包含風洞測試系統。室內、外側均采用平衡調溫調濕方式進行空氣干、濕球溫度的調節,即制冷系統持續運轉降溫除濕,干、濕球溫度控制表分別控制加熱器和加濕器功率輸出,調節投入空氣的熱量和水分。

主要測試儀表的布置如圖1所示,測試參數包括銅管壁面溫度、制冷劑壓力、機組功率、霜層兩側壓差、化霜水質量等,其中,熱電偶的測量精度校準后為±0.1 ℃,壓力傳感器的測量精度為±0.3%,機組功率的測量精度為±0.5%,電子天平的測量精度為±0.1 g,室內、外側干球溫度的控制精度為±0.1 ℃,焓差室溫度均勻性良好,工況穩定時房間內同一層面有效測試區域溫度偏差小于1.5 ℃。實驗中,儀表每次采集并記錄參數的時間間隔為5 s。

1.3 實驗工況

實驗采用單臺熱泵機組,利用焓差室精確模擬相同的室內、外氣象條件,并通過更改機組除霜控制邏輯,對比同一機組在補氣除霜與常規除霜時的性能表現。由于焓差實驗室在-12 ℃以下時濕度控制困難,該實驗選擇室外溫度高于-10 ℃的3個工況進行。具體工況參數見表2。

表2 不同實驗工況設置參數

實驗時,在焓差室溫度剛趨于穩定或熱泵機組啟動運行的前幾個除霜周期內,機組的結霜量和性能不穩定,因此每個工況均進行了3次以上的重復實驗,并保留機組運行穩定后的實驗結果。實驗中,除霜起始和終止條件的判斷參數是室外環境與室外盤管制冷劑支路出口處的溫差。在每次除霜過程中,記錄機組的各項運行參數和室內、外環境參數,放置容器收集機組的化霜水并稱重。同時,利用高清攝像頭記錄室外盤管表面的霜層生長與化霜過程。

為了保持房間熱負荷恒定,并使機組不停機運行,室內機的制熱設定溫度保持在26 ℃,房間的回風溫度控制在20 ℃,以使壓縮機保持最高轉速運行。為了避免其他參數的波動對機組結霜量產生影響,實驗期間的壓縮機轉速和主電子膨脹閥開度分別固定為80 r/s和62.5%。同時,機組制熱時補氣電磁閥的開啟條件較多,難以保持機組運行參數一致,因此在供熱期間始終關閉補氣電磁閥。

2 實驗結果分析

2.1 補氣除霜效果

在除霜過程中,霜層融化為化霜水,少部分化霜水會繼續蒸發,由于水蒸氣質量的測量難度和誤差比較大,本文只對化霜水質量進行計量。圖2顯示了3種工況下收集到的化霜水質量,空氣中的含水量隨環境溫度下降而減小,因此結霜量也顯著減小。但在不同工況下,補氣除霜與常規除霜的化霜水質量之差不大于3.5%,因此可以忽略結霜量對于除霜性能的影響。表3給出了補氣除霜與常規除霜效果的對比,其中的除霜時間是指機組進入除霜狀態后壓縮機的運行時間。

圖2 3種工況下的化霜水質量

表3 補氣除霜與常規除霜效果的對比

從表3可以看出,補氣除霜技術在3種工況下均能顯著縮短除霜時間,提高除霜期間的平均功率,機組總耗功量明顯減少。相較于常規除霜,補氣除霜的除霜時間平均縮短了73.33 s,機組總耗功量平均減少了42.27 kJ。圖3直觀地顯示了補氣除霜的效果與室外溫度之間的關系。在2、-5、-10 ℃ 3種室外溫度工況下,補氣除霜時間縮短比例分別為23.73%、28.30%和35.71%,耗功量減少比例分別為17.75%、26.15%和35.06%。與文獻[10]比較,相近工況(本文為2 ℃/83.8%,文獻[10]為1 ℃/91%)下除霜時間縮短和耗功量減少比例基本一致(文獻[10]中補氣除霜的用時可以縮短20.61%,耗功量可以減少17.98%)。這說明,補氣對經濟器型和閃蒸器型準二級壓縮循環均有效。而且,對于閃發器型準二級壓縮循環來說,補氣帶來的除霜時間縮短和除霜期間耗功量減少與室外溫度呈負相關關系,即室外溫度越低,補氣除霜效果越好。

圖3 補氣除霜的性能提升規律

除霜期間的熱量分配研究表明,排氣熱量并非都用于融化霜層,很大部分熱量會逸散到環境中,其導致的熱量損失與除霜時長成正比,因此縮短除霜時間便可顯著減少熱量損失[11]。圖4給出了2 ℃工況下除霜期間機組功率的實測結果。由于除霜期間室內機與室外機的風扇均停止轉動,此時的機組功率近似于壓縮機的輸入功率。由圖4可以看出,壓縮機功率隨著時間延長迅速增大,且補氣除霜的功率增大更快,功率峰值更大,但由于除霜時間的縮短,整體能耗顯著下降。另外,從圖3還可以看出,室外溫度變化時,耗功量的減少更為顯著,這是因為環境溫度越低,相同時間內向低溫環境散失的熱量越多,而開啟補氣除霜后,可以大幅減少這部分熱量損失。

圖4 除霜期間2種除霜方式的功率對比

事實上,補氣除霜的實質是通過提高壓縮機的排氣量,來提高制冷劑攜帶的熱量,彌補除霜過程中熱量來源不足的問題,從而縮短除霜時間。這與準二級壓縮在制熱模式時通過補氣提升壓縮機的排氣量,進而提升機組制熱量[12]的原理相同。當在除霜過程中進行補氣時,如圖1所示,壓縮機的高溫排氣流入室外盤管進行融霜,并在盤管內進行冷凝。流出室外盤管的液態制冷劑經毛細管節流,進入閃蒸器后分為兩部分,即主環路部分和補氣環路部分。主環路內的制冷劑被電子膨脹閥節流,在室內換熱器中吸熱氣化后被壓縮機吸入;同時補氣環路的氣態制冷劑經補氣電磁閥進入壓縮機的補氣口,與經過一級壓縮的制冷劑進行混合;經過進一步壓縮后,制冷劑從排氣孔排出,完成整個除霜循環。因此,補氣除霜技術提升了壓縮機排氣量,從而縮短了除霜時間。根據2 ℃工況的實驗結果,計算除霜過程中壓縮機吸氣和排氣的狀態參數,結果見表4。補氣除霜與常規除霜壓焓圖的定性比較見圖5(狀態點編號與圖1中溫度傳感器編號一致)。相比于常規除霜循環,補氣除霜循環的吸氣點壓力略高、比焓略小,排氣點壓力及比焓亦略小,排氣溫度也更低,且這些參數的差距隨著除霜過程的進行而放大。

表4 不同階段補氣除霜和常規除霜制冷劑狀態參數

圖5 補氣除霜與常規除霜壓焓圖的定性比較

為進一步驗證補氣除霜能夠提升制冷劑質量流量,圖6給出了2 ℃工況下除霜期間壓縮機排氣溫度的實測結果,可以看出補氣除霜的排氣溫度總是低于常規除霜,且下降速度較快。其原因是壓縮機中間補氣混合過程降低了出口制冷劑的比焓,從而降低了排氣溫度。圖5也表明補氣除霜中制冷劑進入冷凝器前的比焓更小。然而從制冷劑與霜層傳熱的角度來看,一方面補氣除霜的排氣溫度較低,其換熱溫差小于常規除霜;另一方面補氣除霜時間縮短明顯(見表3),在霜量基本一致的情況下,冷凝器在單位時間內與霜層的換熱量更大,其原因只能是補氣時制冷劑流量提升使得對流換熱系數顯著增加。因測試困難,本研究并未直接測量制冷劑質量流量,只能通過相關制冷劑參數驗證,這是不足之處。

圖6 除霜期間的壓縮機排氣溫度對比

2.2 除霜過程分析

為進一步分析補氣對除霜過程的影響,圖7給出了2 ℃工況下室外盤管底端支路出口溫度變化,該溫度也是機組判斷除霜進入或退出的參考溫度點。根據該點的溫度變化將機組的除霜過程分為3個階段,即停機階段(AB)、融霜階段(BC)和蒸干階段(CD)。

其中停機階段(AB)為考慮切換安全,在機組由制熱工況切換為除霜工況前固定停機60 s。此時壓縮機尚未啟動,但室外盤管不再承擔蒸發器的功能,因此其表面溫度快速回升至與周圍環境相近的水平。在融霜階段(BC),霜層處于固液兩相態,由于融化潛熱較大,盤管表面溫度約為0 ℃,波動范圍很小,此時壓縮機的排氣熱量主要用于融化霜層,所以融霜階段對應圖7中的平直段,可以看出除霜過程的大部分時間都處在融霜階段。而在蒸干階段(CD),絕大多數固態霜層已經融化,盤管表面只剩下殘留的化霜水,此時壓縮機的排氣熱量主要用于蒸干化霜水并干燥盤管表面。

在補氣除霜和常規除霜2種模式下,停機階段的持續時間在同一控制邏輯下均為60 s,融霜階段的持續時間分別為175、255 s,蒸干階段的持續時間分別為50、40 s。因此,補氣除霜的效果體現在融霜階段,用時相比于常規除霜減少了31.37%。而在蒸干階段,補氣除霜的用時反而小幅度增加。

根據除霜過程的階段劃分結果,圖8給出了3種工況下補氣除霜與常規除霜的融霜階段和蒸干階段耗時對比。不同工況下,融霜階段總是占據了除霜過程的絕大部分時間,且補氣對于縮短除霜時間的效果均體現在融霜階段。在蒸干階段,一方面盤管溫度快速升高(見圖7),而壓縮機排氣溫度在除霜后期逐漸降低,特別是補氣除霜,排氣溫度更低,且降幅變得平緩(見圖6),放熱量也減少,此時大流量不足以彌補小溫差放熱的劣勢;另一方面,補氣除霜的融霜時間大幅縮短,化霜水自然流出的時間較短,盤管表面可能附著較多化霜水,為此需要更多熱量用于蒸干,蒸干時間延長。

圖8 不同實驗工況下的除霜階段耗時

3 結論

1) 補氣除霜技術能適用于閃發器型準二級壓縮循環結構,能顯著縮短除霜時間,降低除霜耗功量,而且室外溫度越低,補氣除霜效果越顯著。

2) 在-10～2 ℃的實驗環境中,使用補氣除霜模式時,機組的除霜時間縮短了23.73%～35.71%,除霜期間機組耗功量減少了17.75%～35.06%。

3) 閃發器型準二級壓縮空氣源熱泵補氣除霜效果主要體現在融霜階段。如2 ℃工況下融霜階段用時縮短了31.37%。