CO2作為制冷劑的熱氣除霜

1、采用天然制冷劑的低溫蒸發(fā)器熱氣除霜發(fā)布日期：2013-6-3 15:53:27 工業(yè)制冷領(lǐng)域中廣泛采用天然工質(zhì)作為制冷劑，首先是氨，近期則越來越多地采用二氧化碳。對(duì)于制冷系統(tǒng)的操作人員而言，如何實(shí)現(xiàn)能源的高效利用以及操作的有效性變得至關(guān)重要。此白皮書從熱氣和沖霜排液方面對(duì)不同的熱氣融霜控制方式進(jìn)行了比較，包括融霜效率和融霜速度主要參數(shù)等的分析，其中融霜速度是影響制冷系統(tǒng)生產(chǎn)效率的一個(gè)關(guān)鍵因素。作者對(duì)改進(jìn)熱氣融霜系統(tǒng)的幾種控制方式給出了建議。本文主要針對(duì)的是氨制冷系統(tǒng)的熱氣融霜，同時(shí)也對(duì)第十屆國際制冷學(xué)會(huì)Gustav Lorentzen會(huì)議中關(guān)于天然工質(zhì)的相關(guān)報(bào)告整理而成。作者為Anatolii

2、 Mikhailov(a) 和 Joris Kortstee(b)(a) Danfoss A/S, Albuen 29, Kolding, Denmark, (b) Danfoss A/S, Admiraal Lucashof 3, Schiedam, the Netherlands, 一、介紹就冷風(fēng)機(jī)而言，融霜是件不可避免的麻煩事。在冷風(fēng)機(jī)上凝結(jié)的霜會(huì)對(duì)其效率造成很大的影響，甚至可以完全阻隔空氣流動(dòng)，造成冷風(fēng)機(jī)失效。熱氣除霜對(duì)系統(tǒng)具 有一些負(fù)面的影響，例如需要壓縮機(jī)做額外的功來融化 在蒸發(fā)器翅片和管路中凝結(jié)的霜/冰層。這些額外的能 耗有一部分轉(zhuǎn)化為熱量加熱了冷風(fēng)機(jī)并且進(jìn)一步散發(fā)到 冷藏室中使

3、室溫上升，這些熱量都需要在后續(xù)的制冷中加以去除。此外，用于除霜的時(shí)間將占用系統(tǒng)可以用于制冷的時(shí)間，這對(duì)像食品加工行業(yè)這樣其生產(chǎn)率易受除 霜時(shí)間限制的行業(yè)具有很大的影響。另外，其他的影響 雖然并不明顯，但也值得我們知曉和關(guān)注。例如制冷部件將因此承受相應(yīng)的機(jī)械應(yīng)力。實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)在蒸發(fā)器附近許多的閥件和控制產(chǎn)品都出現(xiàn)了不同程度的 損壞，其原因可以歸咎為閥件選型及設(shè)置的不正確。機(jī)械應(yīng)力主要來源于冷凝器側(cè)的高制冷劑壓力，高排氣溫度以及高壓差。當(dāng)以上因素綜合起來的時(shí)候，所造成的破壞力是十分嚴(yán)重的。今天我們可以很普遍地看到采 用二氧化碳作為低溫側(cè)的冷媒，同時(shí)采用二氧化碳熱氣 進(jìn)行融霜。這時(shí)的工況相比氨

4、而言要更加復(fù)雜，因?yàn)槠?壓力等級(jí)及壓差都要比氨系統(tǒng)高的多，因此一些用戶會(huì)避免選擇二氧化碳的熱氣融霜，而是采用電融霜或鹽水 融霜等其他方式。熱氣融霜是一種最高效的蒸發(fā)器融霜方式(Pearson， 2006)。由于目前對(duì)于節(jié)能的關(guān)注愈發(fā)明顯，采用一種 快捷、高效的融霜方式對(duì)于制冷系統(tǒng)的總體能耗水平而言至關(guān)重要。在絕大多數(shù)的案例中，可以明顯的看出 熱氣融霜較其他融霜方式(如鹽水融霜)的效果要好得 多。本文則是主要介紹熱氣融霜系統(tǒng)中的閥件選用及控 制方式的優(yōu)化。二、融霜效率的考慮這里有一些關(guān)于制冷系統(tǒng)熱氣融霜機(jī)理和效率的研究內(nèi)容，其關(guān)鍵點(diǎn)大致可以匯總為：1、熱氣融霜壓力。一個(gè)普遍的誤解是較高的融霜溫度

5、帶來較好的融霜效果。但實(shí)際上一些研究表明(Stoecker，1983)低壓及低溫氣體一樣可以實(shí)現(xiàn)較好的融霜效果。這里可以歸結(jié)為最合適的壓力及溫度帶來最佳的融霜效率(Hoenbecker，2005)。2、熱氣融霜的時(shí)間。在工業(yè)制冷領(lǐng)域，典型的融霜時(shí)間設(shè)置是根據(jù)系統(tǒng)初始調(diào)試/運(yùn)行時(shí)的情況來設(shè)定的。這就帶來一個(gè)問題：是否有足夠的除霜時(shí)間?這就可能帶來融霜效果不良的問題。另一個(gè)嚴(yán)重影響熱氣融霜效率的問題就是融霜時(shí)未冷凝的蒸氣直接流過融霜壓力調(diào)節(jié)閥。這里產(chǎn)生的蒸氣需要被再次 壓縮，同時(shí)這也造成熱氣融霜時(shí)向蒸發(fā)器提供 過多的熱氣。流過的蒸氣數(shù)量取決于沖霜排液管路上的控制方式，壓力控制或液位控制。3、研究表

6、明，熱氣融霜實(shí)際的能量消耗大致是融霜所需熱量的兩倍(Stoeker，1983)，多余出的熱量將被用于加熱冷藏室、蒸發(fā)器、管路以及水盤。4、最后，需注意融 霜的過程大 致如下：冰層首先在盤管上融化，然后落到水盤內(nèi)，最后完全融化掉。這里的關(guān)鍵點(diǎn)是融霜的過程是按照相應(yīng)順序進(jìn)行的，剛開始盤管上的融霜所需熱量較高，隨后在水盤上的熱量需求將上升。5、當(dāng)熱氣融霜開始時(shí)，制冷劑的涌入可能會(huì)造成液錘現(xiàn)象，特別是當(dāng)蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑未被排凈時(shí)。這一問題也會(huì)出現(xiàn)在熱氣供應(yīng)管路中存在積液的地方，這時(shí)積液在熱氣的推動(dòng)下具有液錘的危險(xiǎn)或者氣體制冷劑具有發(fā)生內(nèi)爆的風(fēng)險(xiǎn)。三. 熱氣融霜控制閥組圖示1展示了一個(gè)典型的采用熱氣

7、除霜的工業(yè)制 冷蒸發(fā)器。其中的控制閥件可以分為四組：1. 蒸發(fā)器采用泵供液方式。閥組按順序包括：截止閥、過濾器、電磁閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥和截止閥。2. 熱氣供應(yīng)管路。典型配置有：截止閥、過濾器、另一個(gè)電磁閥及截止閥。3. 沖霜排液管路。這里我們既可以采用壓力控制閥也可以采用浮球閥進(jìn)行排液。我們將在稍后介紹這兩種完全不同的排液方案。4. 濕回氣管路。此管路上需要一個(gè)電磁閥以及截止閥。融霜的過程可以分為四個(gè)步驟。首先，關(guān)閉蒸發(fā)器的供液。但蒸發(fā)器的風(fēng)機(jī)還將工作一段時(shí)間，吸氣管路的閥門將保持打開狀態(tài)以確保剩余的液態(tài)制冷劑繼續(xù)蒸發(fā)完畢。第二步，關(guān)閉吸氣管路的閥門和蒸發(fā)器的風(fēng)機(jī)，將熱氣電磁閥打開，對(duì)蒸發(fā)器供

8、應(yīng)熱氣。第三步，當(dāng)融霜結(jié)束時(shí)，熱氣電磁閥關(guān)閉，開啟吸氣管路的閥門。最后，再次打開供液管路，等待蒸發(fā)器翅片上的水珠凝固后，再打開風(fēng)機(jī)。需要高度注意的是熱氣融霜過程中應(yīng)避免壓力/溫度對(duì)系統(tǒng)的不利影響，以及在融霜開始時(shí)由于蒸發(fā)器中壓力上升緩慢或者除霜 結(jié)束時(shí)壓力下降緩慢 所帶來的系統(tǒng)效率較低。故上述提及的熱氣電磁閥和主吸氣管路閥門的選擇對(duì)系統(tǒng)安全和效率至關(guān)重要?？紤]到上述融霜中的效率問題，讓我們來回顧一下傳統(tǒng)的閥組設(shè) 置。同時(shí)還需要注意的是，二氧化碳的融霜難度更大，因此在二氧化碳系統(tǒng)中熱氣 融霜時(shí)需 要采用更加保守的配置方式。四、傳統(tǒng)的熱氣融霜控制閥組A.供液管路供液管路對(duì)熱氣融霜的影響最小。這里應(yīng)

9、考慮到有多少液體制 冷劑被 供應(yīng) 到了 蒸發(fā)器中。一旦采用PWM(脈沖調(diào)節(jié))的控制策略，制冷劑的供 液量將相應(yīng)下降，使得除去蒸發(fā)器中殘存液體制冷劑所需的時(shí)間降低，預(yù)期的結(jié)冰量也將相應(yīng)減少。該現(xiàn)象是由于采用脈 沖開關(guān)控制后蒸發(fā)器后表面的換熱溫差下降了。(見圖示2)上述的供 液控制策略 在不少的二氧化碳泵循環(huán) 系統(tǒng)中成功應(yīng)用，但在氨系統(tǒng)還進(jìn)行未廣泛推行。B.熱氣管路最常見的對(duì)蒸發(fā)器 供應(yīng) 熱氣的方式為采 用常 規(guī)的電磁閥。對(duì)于二氧化碳系 統(tǒng)而言，也可以采用電動(dòng)閥和電動(dòng)球閥。在高壓 力和高壓差的系統(tǒng) 環(huán)境下，二氧化碳系統(tǒng)較氨系統(tǒng)更易出現(xiàn)液錘 風(fēng)險(xiǎn)。很 顯然，采用電動(dòng)閥的缺點(diǎn)是設(shè) 置的復(fù)雜性上升，同時(shí)

10、包含電動(dòng)閥的閥組成本較常規(guī)方案也要高一些。另外，對(duì)于電動(dòng)球閥來講，至 關(guān)重要的是其開啟的速 度應(yīng)設(shè)定在 相應(yīng)較 慢的水平。采用兩個(gè)電磁閥的解決 方案，其中一個(gè)可提供熱氣融霜的全部容量，另一 個(gè)的容量則是第一個(gè)的10-20%，二者采用并聯(lián)方式(圖示3)，這是一種成本和效率上更 好的解決方案。小電磁閥先對(duì)蒸發(fā)器 供應(yīng)熱氣，提升蒸發(fā)器及供氣管路中的壓力。然 后大電磁閥啟動(dòng)，開始進(jìn)行融霜。此方案已在許 多融霜系統(tǒng)中成功應(yīng)用。在熱氣融 霜系統(tǒng)中采用電動(dòng)閥的 優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn) 熱氣供應(yīng)的智能控制。這里包括融霜系統(tǒng)開啟和關(guān)閉的緩慢操作(或?qū)㈤]速 度進(jìn)行 調(diào)節(jié))。在某些不以時(shí)間來 進(jìn)行控制而是采用其他控制方

11、式(例如表面溫度控制)的除霜操作中，采用電動(dòng)閥進(jìn)行熱氣供 應(yīng)是很好的選擇。最后，為了限制熱氣壓力/融霜 溫度并實(shí)現(xiàn)最 佳的融霜效率，可以安裝一 個(gè)出口壓力調(diào)節(jié)閥。對(duì)于一組蒸發(fā)器而言，如果它們共用一根熱氣管路，那么只需要在該熱氣管路上安裝一個(gè)出口壓力調(diào)節(jié)閥即可。在選 型上，必須確保該出口壓力調(diào)節(jié)閥能夠保證同時(shí)進(jìn)行除霜的所有蒸發(fā)器具有足夠的熱氣供應(yīng)。C.排液管路在采用熱氣融霜方案的蒸發(fā)器沖霜排液管路上，可以采用多種不同的控制方式。壓差調(diào)節(jié)閥在這里應(yīng)用是很常見的，此外也可以用壓力調(diào)節(jié)閥或浮球閥來實(shí)現(xiàn)排液功能。如我們所討論，浮球閥用于熱氣融霜排液控制的效率最高效。在沖霜排液管中，浮球閥與熱氣管路上的出

12、口壓力調(diào)節(jié)閥匹配是最值得推薦的，此解決方案可保證融霜壓力一直處于最佳水平。當(dāng)然，在沖霜排 液管上安裝浮球閥也有一定的缺 點(diǎn)。首先，成本會(huì)相應(yīng)較高。此時(shí)可考慮在多個(gè)蒸發(fā)器共用的沖霜排液管上設(shè)置一個(gè)共同的浮球閥。其次，對(duì)于諸如二氧化碳 這樣 的高壓制冷 劑，相應(yīng)的浮球閥很難采購到，這樣就會(huì)給設(shè)計(jì)和選用帶來不小的難度。這里的替代方案可選用蒸汽疏水閥，這是應(yīng)用于其他行業(yè)的控制元件，可以承受較高的壓力。雖然這一解決方案的應(yīng)用在逐步增加，但本文將不對(duì)這一元件做過多的闡述。需要注意的是在選用浮球閥時(shí)的各個(gè)注意事項(xiàng)同樣也適用于疏液閥。D.濕回氣管路在濕回供液管路上的控制閥類型為電磁閥，氣動(dòng)電磁閥(此二類閥件必須配置一個(gè)旁通閥來避免融霜后可能產(chǎn)生的液擊現(xiàn)象)，兩步開啟式氣動(dòng)電磁閥，電動(dòng)閥或是電動(dòng)球閥。在此種應(yīng)用中推薦選用兩步開啟式氣動(dòng)電磁閥或者電動(dòng)閥。一方面它們可有效防護(hù)液擊，這得益于它們的兩步式開啟功能，可實(shí)現(xiàn)操作過程中緩慢的開啟。另一方面則是它們?cè)谥评溲h(huán)過程中所帶來的壓降相對(duì)