熱泵機(jī)組充注補(bǔ)償對(duì)化霜的改進(jìn)

1、熱泵機(jī)組充注補(bǔ)償對(duì)化霜的改進(jìn)唐黎明 董志明 摘要：分析了熱泵機(jī)組化霜效果差的主要原因是充注量不足，計(jì)算了化霜時(shí)所需的充注量，提出使用制冷劑補(bǔ)償器代替高壓儲(chǔ)液器，更能提高吸排氣壓力，縮短化霜時(shí)間。并通過(guò)試驗(yàn)證明效果明顯。關(guān)鍵詞：除霜；充注量；補(bǔ)償器；熱泵（浙江盾安人工環(huán)境設(shè)備股份有限公司 杭州 310002 ）1. 引言熱泵機(jī)組在冬季制熱運(yùn)行時(shí)，由于室外溫度低，蒸發(fā)器表面會(huì)逐漸結(jié)霜，當(dāng)霜層加厚到一定程度就需要除霜，除霜是否徹底是必須要關(guān)注的問(wèn)題。如果除霜不徹底，進(jìn)入制熱后，未除掉的霜層和除霜水將會(huì)凍結(jié)成密度較大的霜或冰，很難再在下一次化掉，影響制熱效果，造成低壓保護(hù)，排氣溫度過(guò)高，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)

2、損壞。目前熱泵機(jī)組常用逆向除霜法進(jìn)行除霜，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，化霜時(shí)間不能超過(guò)總制熱時(shí)間的20%，在長(zhǎng)江流域等結(jié)霜嚴(yán)重的地區(qū)，由于化霜頻繁，研究如何縮短化霜時(shí)間，使其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)化霜徹底，顯得尤為重要。2. 試驗(yàn)和現(xiàn)象我們以HLRS25機(jī)組為例，進(jìn)行化霜試驗(yàn)。該機(jī)組水側(cè)換熱器為板式換熱器，單個(gè)熱力膨脹閥節(jié)流，制冷劑充注量為 7 kg，化霜時(shí)間最長(zhǎng)為6分鐘。圖（1）為實(shí)驗(yàn)時(shí)化霜過(guò)程中高低壓力和壓縮機(jī)功率曲線圖。從圖1可以看出，與額定制冷工況相比，化霜開(kāi)始時(shí)180秒內(nèi)，系統(tǒng)吸排氣壓力很低，制冷劑循環(huán)量和壓縮機(jī)輸入功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定制冷工況，因此蒸發(fā)器從水路系統(tǒng)吸熱也很少。180秒內(nèi)以后，雖然系統(tǒng)的高低壓有

3、所升高，但是與額定工況相比還是有較大差距。由于化霜的熱量主要來(lái)源于壓縮機(jī)輸入功率和通過(guò)蒸發(fā)器從水路系統(tǒng)吸熱，因此，通過(guò)以上分析，我們就可以判斷，HLRS25機(jī)組的化霜能力不足。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們也注意到，化霜開(kāi)始后前三分鐘，霜層變化很少，到了后三分鐘化霜速度明顯加快。到6分鐘時(shí)，退出化霜，但是仍有近1/4結(jié)霜面積沒(méi)有化完，證明HLRS25機(jī)組確實(shí)化霜能力不足。圖（1）化霜過(guò)程系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)曲線圖3. 分析和計(jì)算通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的分析，我們可以得出如下結(jié)論：1） 在HLRS25機(jī)組的一個(gè)化霜周期（6分鐘）內(nèi)，前3分鐘系統(tǒng)基本不具備除霜能力，真正用于除霜的時(shí)間只有化霜周期的一半左右。因

4、此，增加有效的化霜時(shí)間是增加機(jī)組化霜能力的重要途徑。2） 在化霜周期的后三分鐘時(shí)間內(nèi)，由于高低壓沒(méi)有完全建立起來(lái)，制冷劑循環(huán)量較小，化霜能力不足。因此，提高化霜時(shí)壓縮機(jī)的輸入功率和增加制冷劑循環(huán)量是縮短化霜時(shí)間的重要途徑。文獻(xiàn)1提出熱泵系統(tǒng)使用雙膨脹閥，化霜時(shí)的吸排氣壓力比單膨脹閥高。文獻(xiàn)2提出采用高低壓旁通的方法和增大電子膨脹閥開(kāi)度。上述兩種方案，都是通過(guò)增大節(jié)流元件流通量來(lái)加大制冷劑流量，減少除霜?jiǎng)幼髟缙谖鼩鈮毫芭艢鈮毫Φ乃p量，可以減少化霜時(shí)間。但是，上述兩種方案都沒(méi)有從提高除霜時(shí)制冷劑供應(yīng)量的角度提高制冷劑流量，在提高制冷劑流量的同時(shí)，使高低壓壓差迅速減少，不利于提高壓縮機(jī)輸入功率。

5、因此，除霜時(shí)需要考慮提高制冷劑供應(yīng)量，這樣不僅能有效的提高除霜時(shí)制冷劑循環(huán)量，而且同樣有助于快速建立高低壓，提高壓縮機(jī)的輸入功率，從而加速化霜的進(jìn)程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)充注量的分析可以發(fā)現(xiàn)，除霜早期吸氣壓力低最主要的原因在于制冷劑充注量遠(yuǎn)低于化霜時(shí)系統(tǒng)所需。因?yàn)槌渥⒘渴前凑罩评涿x工況下的要求充注的，化霜條件下由于冷凝效果的大幅提高，冷凝器和儲(chǔ)液器內(nèi)積聚了大量的制冷劑液體，要使系統(tǒng)保持較高的高吸排氣壓力，就需要較大的充注量。以HLRS25機(jī)組為例做一個(gè)估算：機(jī)組參數(shù)：板式蒸發(fā)器型號(hào)：CB52-48HX,48片，氟側(cè)內(nèi)容積2.25；套片式冷凝器：3排，9.52×0.35，40孔，長(zhǎng)度1830。

6、要使維持系統(tǒng)能在高壓壓力沖霜前達(dá)到0.7MPa以上，通過(guò)以下計(jì)算需要充注的制冷劑：1. 冷水機(jī)組在化霜時(shí)，冷媒水仍處于流動(dòng)狀態(tài)，制冷劑仍能夠蒸發(fā)，如要維持足夠的制冷劑用于蒸發(fā)，制冷劑頁(yè)：2按照濕蒸氣干度法進(jìn)行計(jì)算，忽略過(guò)熱蒸氣段，可以粗略估計(jì)蒸發(fā)器所需充注量。 （1）式中和分別表示蒸發(fā)溫度下，制冷劑飽和液體和飽和蒸氣的密度，kg/m3；表示干度。為板式換熱器氟側(cè)內(nèi)容積。假定干度沿體積方向均勻變化，即 （2）其中為蒸發(fā)器入口處的制冷劑干度，代入（1）式，可得： （3）2. 冷凝器按照三段計(jì)算，即過(guò)熱蒸氣段0；兩相段；和過(guò)冷段。按照冷凝負(fù)荷和化霜工況循環(huán)壓焓圖，再根據(jù)沿程干度和密度計(jì)算充注量。設(shè)冷

7、凝器分路數(shù)為，每路管長(zhǎng)為，冷凝器傳熱管內(nèi)半徑為。 （4）式中和分別表示冷凝溫度下，制冷劑飽和液體和飽和蒸氣的密度，kg/m3；。為了對(duì)上式進(jìn)行積分計(jì)算，需要確定和，并確定干度x的表達(dá)式，為此需要建立過(guò)熱段和飽和段的熱平衡方程。a) 過(guò)熱段：0 （5）式中：為冷凝熱流密度，kW/m2;（假設(shè)沿程不變，翅片外表面為0的水），為單位長(zhǎng)度冷凝器各分路總外表面積，m2/m；為冷凝器入口處制冷劑的焓,kj/kg;為在制冷劑變?yōu)楦娠柡驼魵馓幍撵剩琸j/kg。所以 （6）b) 飽和段 （7）表示冷凝壓力下制冷劑的汽化潛熱。積分得 （8）在干度變?yōu)?處，即長(zhǎng)度 （9）代入方程可得： （10）而 （11） （12

8、）式中：和分別為冷凝器中制冷劑進(jìn)出口焓，kj/kg；為冷凝器熱負(fù)荷，kW；為冷凝器總外表面積，m2;所以 （13）3. 壓縮機(jī)和管路、氣液分離器內(nèi)的制冷劑，按照有效容積和密度分別計(jì)算： （14）式中：為上述部件中制冷劑在工況下的密度， 為有效容積。4. 制冷劑總充注量： （15）按以上方法計(jì)算，HLRS25機(jī)組化霜工況下（設(shè)冷凝壓力為0.7Mpa,蒸發(fā)壓力為0.15 Mpa），要求充注量約為10kg。由此可見(jiàn)，化霜時(shí)對(duì)制冷劑的實(shí)際需求非常大，因此增加充注量對(duì)化霜是十分必要的。機(jī)組原有充注量?jī)H為7kg。另外，系統(tǒng)中有一個(gè)高壓儲(chǔ)液器容積為3l （因?yàn)橐紤]制熱最大壓差運(yùn)行時(shí)制冷劑的存儲(chǔ)），化霜時(shí)高

9、壓儲(chǔ)液器內(nèi)充滿液體，因此最后投入系統(tǒng)的循環(huán)制冷劑僅為3.4kg。高壓儲(chǔ)液器的存在實(shí)際嚴(yán)重影響了化霜的效果。但是要減小或取消高壓儲(chǔ)液器必須要考慮制冷和制熱制冷劑不平衡的問(wèn)題，對(duì)板換機(jī)組，兩者的差異是很大的，如果取消高壓儲(chǔ)液器，必然引起制熱時(shí)高壓保護(hù)。4. 結(jié)構(gòu)改進(jìn)為了解決這一矛盾，筆者在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)制冷劑補(bǔ)償器，見(jiàn)圖（2）。 圖（2）帶補(bǔ)償器的風(fēng)冷熱泵機(jī)組系統(tǒng)示意圖補(bǔ)償器接在四通閥和風(fēng)側(cè)換熱器之間，補(bǔ)償器中間是銅管，銅管外是一個(gè)容器，通過(guò)一根9mm的銅管與膨脹閥前相連。制冷時(shí)，補(bǔ)償器內(nèi)管流過(guò)高溫氣體，殼體內(nèi)沒(méi)有液體存在，制冷劑全部投入制冷循環(huán)。制熱時(shí)，補(bǔ)償器內(nèi)管流過(guò)低溫氣體，殼體內(nèi)高壓制冷劑

10、會(huì)逐漸凝結(jié)下來(lái)，最終充滿液體。這樣就能夠平衡制冷和制熱兩種狀態(tài)下對(duì)制冷劑充注量的不同要求?；_(kāi)始后，補(bǔ)償器內(nèi)管流過(guò)高溫氣體，殼體儲(chǔ)存的制冷劑液體部分蒸發(fā)后，將其他液體從殼體內(nèi)排出進(jìn)入循環(huán)。用補(bǔ)償器代替高壓儲(chǔ)液器后，不僅制冷制熱的制冷劑不平衡得到解決，更重要的是，化霜時(shí)制冷劑全部能投入循環(huán)，從而使高低壓力迅速提高，加快了化霜速度。補(bǔ)償器的容積通過(guò)對(duì)制冷和制熱兩種工況下制冷劑充注量差異的計(jì)算或試驗(yàn)得到，計(jì)算時(shí)要考慮到制熱極限工況（如最大壓差工況）的運(yùn)行需要，防止出現(xiàn)運(yùn)行壓力過(guò)高。5. 試驗(yàn)我們將HLRS25機(jī)組按照?qǐng)D2結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將高壓儲(chǔ)液器改為2.5補(bǔ)償器，充注量仍為7kg。首先我們進(jìn)行額

11、定制冷和制熱工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明制冷和制熱性能與改造前基本相同。隨后進(jìn)行了化霜試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，85秒鐘后霜層開(kāi)始變色，120秒鐘時(shí)開(kāi)始滴水，4分鐘時(shí)只剩下部分殘霜，5分鐘時(shí)霜層已經(jīng)完全化干凈，退出化霜。與采用補(bǔ)償器之前相比，不僅化霜速度明顯加快，而且化霜更徹底，化霜時(shí)間可以減少1分鐘，提高了熱泵機(jī)組冬季制熱性能。圖（3）帶補(bǔ)償器的熱泵機(jī)組化霜過(guò)程運(yùn)行參數(shù)曲線化霜過(guò)程中我們同時(shí)對(duì)高、低壓壓力以及壓縮機(jī)輸入功率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如圖3所示。與圖1相比，化霜時(shí)高低壓和壓縮機(jī)功率上升速度明顯加快，三分鐘時(shí)，高低壓壓力分別達(dá)到了6bar和2bar左右，明顯高于沒(méi)有采用補(bǔ)償器時(shí)的4bar和1bar。

12、同時(shí)，壓縮機(jī)的輸入功率也有了明顯的提高?？梢?jiàn)，采用補(bǔ)償器的風(fēng)冷熱泵機(jī)組，在提高了制冷劑循環(huán)量的同時(shí)，明顯的提高了系統(tǒng)高低壓壓力，化霜能力提高顯著。6. 總結(jié)通過(guò)以上的理論和實(shí)驗(yàn)研究，我們可以得出如下結(jié)論：（1） 化霜運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)吸排氣壓力過(guò)低是造成化霜速度慢、化霜不徹底的重要原因。（2） 要維持化霜初期高壓在一定的水平，需要較大的制冷劑充注量。（3） 高壓儲(chǔ)液器的存在影響了化霜時(shí)系統(tǒng)循環(huán)量，使吸排氣壓力降低。（4） 使用制冷劑補(bǔ)償器后，增加了系統(tǒng)循環(huán)量，可以使化霜效果得到改善。參考文獻(xiàn)1 史劍春. 兩種不同的節(jié)流系統(tǒng)對(duì)融霜的影響J. 流體機(jī)械，1994；22（7）2 黃虎，等. 提高風(fēng)冷熱泵冷

13、水機(jī)組結(jié)霜工況下性能的途徑J. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2000；（1）3 羅南春. 空調(diào)器制冷劑充注量的計(jì)算J. 山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1998；13（4）4 石文星，等. 房間空調(diào)器熱氣旁通法除霜分析及實(shí)驗(yàn)研究J. 制冷學(xué)報(bào)，2000；（2）Improvements on Defrosting due to Charge Compensating for Heat Pump UnitsTANG Liming ， DONG Zhiming（Zhejiang Dunan Artificial Environmental Equipment Co.,LTD.，Hangzhou 310002,China

14、）Abstract： This paper analyses the major causes of poor defrosting effect for heat pump units, that is insufficient refrigerant charging, calculates the needing refrigerant charging while defrosting, puts forward replacing the high pressure receiver by refrigerant charge compensator, this can increase discharging and suction pressure, cut down the time for de