一种新型空气源热泵除霜方式的实验研究.doc

一种新型空气源热泵除霜方式的实验研究( 付文成，郭宪民，陶祥成，汪伟华 （天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，300134，天津） （Tel：022E－mail：xmguo@tjcu.edu.cn） 摘 要：提出了一种新型空气源热泵除霜方式，其基本原理是在热汽旁通除霜循环的基础上将室外换热器分为前后两排，中间用毛细管节流，前后排换热管在除霜过程中分别作为蒸发器和冷凝器，利用四通阀换向分别对其进行除霜。对新循环除霜性能进行了实验研究，并与逆循环除霜方式进行了比较。实验结果表明，新型分组节流除霜方式合理地利用了除霜能量，因此除霜时间及除霜损失小于传统逆循环除霜方式，而且在除霜过程中不从室内吸收热量，对其温度波动影响较小。在除霜过程中，新除霜方式的四通阀换向次数与逆循环除霜方式相同，但系统压力的波动幅度远远小于逆循环除霜方式，因此对系统的机械冲击要小得多。 关键词：热工学；新除霜方法；除霜特性；空气源热泵 前言 空气源热泵系统将室外环境空气作为热源向空调空间提供热量，是环保、高效的供热方式之一，但在室外环境温度在0℃左右且相对湿度较大的工况下制热运行时，室外换热器表面结霜比较严重[1]，造成供热能力及机组平均COP的下降，需要对其进行周期性除霜，带来的损失超过10%，因此如何提高除霜效率具有重要意义。 目前广泛应用的除霜方式为逆循环除霜和热汽旁通除霜。逆循环除霜速度较快，但除霜过程中需要从室内侧吸收热量，同时四通阀频繁换向会影响其可靠性及寿命；热汽旁通除霜过程中不吸收室内侧热量，除霜能量主要来自压缩机耗功，因此除霜速度较慢，且容易造成除霜过程中压缩机吸气带液[2]。为了提高除霜效率，一些学者在除霜循环方式上进行了改进，提出了一些 新的除霜循环方法。Krakow K I 和 Lin S [3]（1996）提出在热汽旁通除霜循环中增加一个辅助蒸发器，其能量来自于压缩机排汽。实验结果表明，热泵系统可以稳定工作，避免了除霜过程中压缩机吸气带液。Mei V C[4]（2002）等人提出在低压汽液分离器内增加电加热器，有效地提高了除霜效率。梁彩华 [5]（2005）等人提出了一种新型的显热除霜方式，并进行了实验研究，结果表明该除霜方式所需的热量较少，可以较大程度缩短除霜时间。这些新型的除霜方式打开了提高除霜效率的新思路，但尚需更细致的研究，以发现可能存在的问题，并经受应用的考验。 本文在热气旁通除霜循环的基础上提出了一种新型除霜方式，可以更有效地利用除霜能量以减少除霜损失；同时，有效地解决热气旁通除霜压缩机吸汽带液问题，减小除霜过程中系统的压力波动幅度，提高机组的运行可靠性。 分组节流除霜循环及实验样机 新除霜循环系统如图1所示，在四通阀后和室外换热器进口间用旁通管连接，并用电磁阀1控制其通断；室外换热器前后排换热管被分为两部分，中间用并联的毛细管和电磁阀2联通。在正常制冷或制热运行时，电磁阀1关闭，电磁阀2开启；除霜时电磁阀1开启，电磁阀2关闭，制冷剂通过旁通管及前后排之间的毛细管，室外换热器前后排管分别充当冷凝器和蒸发器，构成一个完整的循环系统；通过四通阀改变制冷剂流向，可以对前后排进行顺序除霜。本文将该除霜方法称为分组节流除霜方式，对其除霜特性进行了实验研究。 实验样机由一台分体挂壁式热泵空调器改装而成，其压缩机为滚动转子式，额定输入功率为710。室外换热器风机在恒定转速下运转，无霜工况下的流量为610，室内机风机转速分为高、中、低三档，高转速运转时空气流量为500。室内外换热器均采用波纹翅片管式，室外换热器几何参数如表1所示。 实验装置及实验步骤 实验装置 实验在由室内外环境室组成的焓差法空调器性能实验台上进行，实验系统如图2所示。在内外侧环境室内分别配置了空气处理机组，通过降温除湿（由压缩冷凝机组提供冷源）、加热（由电加热管提供热源）和加湿（电加湿器提供蒸汽）实现对环境室内温、湿度的调节和控制。 通过测量喷嘴前后压差及换热器进出口干、湿球温度，可计算出室内机换热量，制冷系统的压力由压力变送器（精度±0.25%）测量，室外换热器壁面温度采用经过标定的T型铜－康铜热电偶（精度±0.1℃）测量，实验样机耗功由多功能综合电量变送器（精度±0.5%）测量，霜层厚度采用放大倍数90倍的显微镜测量。使用两部500万像素摄像头记录换热器前后排翅片表面霜层生长和融化过程，利用计算机内部时钟记录除霜时间。 实验工况及步骤 郭宪民[1]等人前期的实验研究工作证实，在室外环境温度为0℃左右时，空气源热泵室外换热器表面结霜速度最快，结霜对热泵系统性能影响最大。所以在本文的实验中室外环境温度分别设置为2℃、0℃、-3℃、-7℃，室外环境相对湿度分别为60%、70%、80%和90%。 除霜实验是在上述各工况下的结霜实验后进行，在同一个工况条