基于相變蓄熱的空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的研究

基于相變蓄熱的空氣源熱泵蓄能除霜系統(tǒng)的研究

1催化霜除霜系統(tǒng)通常，空氣源熱泵的除霜方法主要有兩種：逆循環(huán)除霜凍和空氣側破霜凍，國內外對該問題進行了大量研究。文獻~建立了基于實驗的空氣源熱泵除霜數學模型,文獻~針對除霜過程、節(jié)流結構對除霜的影響進行了實驗研究,文獻研究了結霜除霜對熱泵供熱量的影響。然而,除霜時為了避免向室內吹冷風而必須關閉室內機所導致的除霜缺少低位熱源的本質問題仍沒有得到解決。常規(guī)除霜時壓縮機吸氣壓力平均只有0.2MPa,導致蒸發(fā)壓力變低,吸氣比容變大,系統(tǒng)中制冷劑循環(huán)質量流量隨之變小,供給除霜用的熱量變少。供熱量減少又引起除霜時間延長,室外換熱器表面溫度低。尤其在重度結霜情況下,還會出現除霜不完全、不徹底等問題。針對上述問題,文獻提出了基于相變蓄能的熱氣除霜新系統(tǒng),試驗表明其具有良好的除霜性能,系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)在現有熱泵系統(tǒng)部件的基礎上增加了1個充有相變材料的相變蓄熱器作為除霜時的低位熱源,通過調節(jié)閥門1、2和3可實現各種蓄熱和除霜運行模式。2實驗設備和條件實驗臺主要由3大部分構成:人工模擬環(huán)境室、被測熱泵樣機和實驗參數檢測系統(tǒng)。2.1冷卻系統(tǒng)的冷源設計人工模擬環(huán)境室長×寬×高為3.2m×3.0m×2.4m,保溫隔濕性能良好。小室空氣處理系統(tǒng)由空氣冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)組成。冷卻系統(tǒng)的冷源可由冷量為4500W的移動冷水機組和自然冷源(哈爾濱地區(qū)冬季室外低溫空氣)提供;加熱系統(tǒng)的熱源由加熱功率為4000W的加熱水箱和可調功率的紅外線加熱器(加熱微調裝置)提供;加濕系統(tǒng)主要由2臺加濕量為300g/h的超聲波加濕器組成,可通過對電壓的調節(jié)實現加濕速率的調節(jié)。2.2相變材料的篩選該系統(tǒng)由1臺分體熱泵型房間空調器改造而成,空調器額定制熱量為2500W,制冷量為2300W,額定功率為860W,采用R22作為制冷劑,毛細管作為節(jié)流部件。在標準制熱工況下COP為2.98,制熱性能良好。本實驗只針對串聯(lián)蓄熱模式進行試驗。圖2為相變蓄熱器結構示意圖。相變蓄熱器由內套筒和外套筒組成,將2個不同直徑的螺旋盤管放置在2個套筒之間,螺旋盤管和套筒之間充注相變材料。為了減小制冷劑在相變蓄熱器內的流動阻力,2個螺旋盤管并聯(lián)。蓄熱時,高溫高壓制冷劑從盤管的底層進入蓄熱盤管,由下而上逐層加熱管外相變材料。除霜時,低溫低壓的制冷劑從盤管上部沿螺旋盤管向下流動。內、外套筒分別為Φ250×8mm和Φ160×5mm的硬質塑料桶。內、外套筒盤管選用Ф10×0.6mm的紫銅管,盤管長度分別為5.70m和6.67m。相變蓄熱器的容積為1869ml。選擇合適的相變材料對蓄能除霜性能具有重要影響,必須考慮以下因素:1)合適的相變溫度。相變材料的相變溫度必須介于熱泵供熱或除霜時的冷凝溫度Tc和蒸發(fā)溫度Te之間,且不能太靠近Tc或Te,介于二者之間偏上為宜。2)較大的相變潛熱。選擇潛熱值大的相變材料可以有效減少蓄熱換熱器的體積。3)較高的導熱系數。熱量必須在短時間內取出以滿足除霜的需要,因此要求相變材料具有較高的導熱系數。另外相變材料應無毒、無腐蝕性等。經過篩選,蓄熱材料定為CaCl2·6H2O,同時采用質量分數為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O作為添加劑。經多次試驗,發(fā)現利用設計相變蓄熱器的一半體積即可滿足除霜的需要,因此本文實驗中只充注了1000ml的相變材料。2.3實驗儀器和測點實驗測點按性質分為溫度檢測、濕度檢測、壓力檢測、風速檢測、供電電壓和電流檢測。本實驗選用四線制鉑電阻測量壓縮機排氣溫度、吸氣溫度(實驗中為氣液分離器吸入溫度)、相變材料溫度以及空氣溫度,測溫精度為±0.1℃。壓力傳感器由中國電子科技集團公司制造,精度為0.25級。溫濕度傳感器為瑞士羅卓尼克(Rotronic)生產的Hygroclip溫濕度傳感器,濕度的測量精度為±1.5%RH,溫度的測量精度為±0.3℃。由于該溫濕度傳感器的溫度測量精度不高,本實驗利用鉑電阻溫度傳感器測量室外機進、出口空氣溫度。電流由保定霍爾電子有限公司生產的量程為0~20A、輸出信號為4~20mA的電流互感器測得;電壓由優(yōu)利得UT70B數字萬用表測量。實驗數據的采集由安捷倫34980A多功能數據采集儀完成?？諝庠礋岜眯钅艹到y(tǒng)各溫度與壓力測點布置見圖1,其中相變材料溫度的2個測點(A和B)分別布置在相變蓄熱器相變材料距離底部1.5cm和距離相變材料頂部1.5cm處。2.4串聯(lián)蓄熱模式相變蓄熱器單獨蓄熱、與室內機串聯(lián)蓄熱以及與室內機并聯(lián)蓄熱3種運行模式流程如下:1)單獨蓄熱:1→2→F1→3→F4→5→6→2→7→1;2)串聯(lián)蓄熱:1→2→F1→3→F3→4→F5→5→6→2→7→1;3)并聯(lián)蓄熱:試驗時,保證室內機入口空氣溫度為(19.5±0.5)℃,室外空氣溫度為(1±0.25)℃,相對濕度為80%±2%,蓄熱時間為90min。在串聯(lián)蓄熱完畢后,通過切換四通閥,將串聯(lián)蓄熱模式切換為串聯(lián)除霜模式。為了比較相變蓄能除霜系統(tǒng)與傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的差異,本實驗還開展了關于傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的實驗研究,其中的結霜時間和環(huán)境工況與相變蓄能除霜系統(tǒng)的結霜實驗工況相同。3試驗數據和分析3.1加熱模式3.1.1不同蓄熱模式下排氣溫度的變化圖3為串聯(lián)蓄熱、由單獨蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱時空氣源熱泵吸、排氣溫度隨時間的變化。由圖可知,當初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,熱泵在10min后穩(wěn)定運行,排氣溫度和吸氣溫度分別為75℃和-6.5℃;當初始采用單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,2種運行模式的排氣溫度在20min內逐漸上升至100℃,吸氣溫度分別為19℃和15℃,出現了制冷劑不足的癥狀,將其改為串聯(lián)蓄熱模式后,雖然兩者的排氣溫度仍升高,但吸氣溫度緩慢降低。在40min和50min后,排氣溫度和吸氣溫度迅速降低至初始選擇串聯(lián)蓄熱模式的吸、排氣溫度,之后系統(tǒng)穩(wěn)定運行。3.1.2壓力比較圖4為串聯(lián)蓄熱、由單獨蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱時空氣源熱泵吸、排氣壓力隨時間的變化。由圖可知,當初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)穩(wěn)定后其吸、排氣壓力分別為0.4MPa和1.7MPa;當初始采用單獨蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式時,2種運行模式的系統(tǒng)排氣壓力遠低于串聯(lián)蓄熱排氣壓力,分別為1.2MPa和1.1MPa,吸氣壓力分別為0.13MPa和0.11MPa(已經非常接近大氣壓)。極低的吸氣壓力反映了熱泵機組的壓縮機沒有正常工作。在此工況下,為了研究系統(tǒng)單獨蓄熱和并聯(lián)蓄熱特性,強行持續(xù)運行系統(tǒng)20min。但是為了防止燒毀壓縮機,將單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式改為了串聯(lián)蓄熱模式。改為串聯(lián)蓄熱后,兩者的排氣壓力升高幅度較小,而吸氣壓力升至0.21MPa。此工況下運行了40~50min后,壓縮機吸氣壓力和排氣壓力分別迅速升高至初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時的吸氣壓力和排氣壓力。從單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式與串聯(lián)蓄熱模式的吸、排氣壓力比較可以看出,該系統(tǒng)串聯(lián)蓄熱模式可以較好地運行且安全穩(wěn)定,而單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式都不能實現,有關原因將在3.1.4節(jié)中進行詳細分析。3.1.3初始蓄熱模式對相變材料溫度的影響圖5為串聯(lián)蓄熱、由單獨蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱和由并聯(lián)蓄熱轉為串聯(lián)蓄熱時相變材料溫度隨時間的變化。其中A、B兩測點位于兩盤管中間,A點距離蓄熱器底部1.5cm,B點距離蓄熱器頂部1.5cm。由圖可知,當初始選擇串聯(lián)蓄熱模式時,相變蓄熱器在20min內基本上完成蓄熱,蓄熱速度較快:在蓄熱初始5min內,相變材料溫度變化比較迅速;5~10min由于發(fā)生相變,蓄熱材料的溫度變化比較緩慢,之后溫度迅速升高。當系統(tǒng)初始采用單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,兩者在運行的20min內相變材料溫度變化非常緩慢,甚至在并聯(lián)蓄熱時相變材料溫度還有所降低,這充分說明了單獨蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式在本實驗條件下不能有效實施。而將其改為串聯(lián)蓄熱模式后,相變材料溫度逐漸上升。另外,在蓄熱過程中,有時底部測點溫度(高溫制冷劑從底部進入相變蓄熱器)低于上部測點溫度,這是由于在蓄熱過程中上部相變材料融化后從蓄熱盤管剝落而導致的。3.1.4不同蓄熱模式下,各行其是一個前提,單由圖3~5可知,當系統(tǒng)采用串聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)能夠正常運行,蓄熱速度較快,而采用單獨蓄熱和并聯(lián)蓄熱模式時,系統(tǒng)不能正常運行。但是此2種運行模式在改為串聯(lián)蓄熱模式后,經過一段時間熱泵內制冷劑自我調整后,系統(tǒng)可正常運行。主要原因是串聯(lián)蓄熱模式時,制冷劑先流經相變蓄熱器再流經室內換熱器,在毛細管前達到過冷,在此狀態(tài)下,通過毛細管的制冷劑質量流量足夠大,能夠滿足壓縮機的吸氣制冷劑質量流量,從而其蒸發(fā)壓力較高。當采用單獨蓄熱模式時,由于相變蓄熱器換熱面積有限,制冷劑流經相變蓄熱器時沒有過冷,保持兩相甚至過熱狀態(tài),進而導致在毛細管內形成氣塞,使得流經毛細管制冷劑的流量非常小,蒸發(fā)器側的制冷劑逐漸被壓縮機吸走,其內部制冷劑的量越來越少,而大多數制冷劑在閥門切換時滯留在或者遷移至冷凝器內,最終導致壓縮機吸入口的制冷劑壓力偏低。同理,在采用并聯(lián)蓄熱模式時,來至壓縮機的制冷劑分別流經相變蓄熱器和室內機,之后兩路制冷劑混合,但是混合點落在兩相或者過熱區(qū),從而形成氣塞使得流經毛細管的制冷劑流量非常少,隨著蒸發(fā)器側的制冷劑逐漸被壓縮機吸走,其內部制冷劑的量越來越少,最終導致壓縮機吸入口的制冷劑壓力偏低。因此,雖然并聯(lián)蓄熱模式和單獨蓄熱模式在理論上存在可能,但是需要相變蓄熱器和系統(tǒng)良好的匹配和在蓄熱過程中對系統(tǒng)的精確控制,在目前階段比較難以實現。綜上所述,在文中給定的工況下,采用串聯(lián)蓄熱模式能夠保證系統(tǒng)正常運行,且達到了高效蓄熱的目的,而采用并聯(lián)和單獨蓄熱模式,不能達到蓄熱的目的,且系統(tǒng)的可靠性較差。故從系統(tǒng)運行的可靠性和蓄熱效果來看,串聯(lián)蓄熱模式比較適宜。3.2關于除霜特性的研究3.2.1變滲透膜下的tp/gc/ms系統(tǒng)圖6為2種除霜模式下壓縮機吸氣壓力隨時間的變化。由圖可知,采用相變蓄能除霜系統(tǒng)時,在初始的30s內,吸氣壓力迅速上升至約0.8MPa,之后迅速下降至最低點,然后又經歷了回升和再降低的過程。在傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)中,壓縮機的吸氣壓力經歷一次回升至最大值后逐漸下降,維持在0.2MPa,此時容易引起壓縮機的吸氣低壓保護性停機。當采用了相變蓄能除霜系統(tǒng)后,壓縮機的吸氣壓力提高至0.5MPa,較傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)升高了約0.3MPa。因此,相變蓄熱器可以有效提高壓縮機的吸氣壓力,避免保護性停機。3.2.2相變潛熱釋放至結霜期a、b點圖7為采用相變蓄能除霜系統(tǒng)4min內,蓄熱器內相變材料2個測點A和B的溫度隨時間的變化。由圖可知,除霜開始后,距離螺旋盤管較遠的A、B兩點的溫度變化緩慢,但隨著釋熱的繼續(xù),溫度迅速下降。當釋熱至160s時,相變材料溫度變化逐漸變緩,表明A、B兩點進入了潛熱釋熱階段。至220s時,相變潛熱釋放完畢,相變材料的溫度再次開始迅速下降。在除霜過程結束時,A點溫度約為22℃,B點溫度約為25℃。從除霜啟動至180s是相變材料發(fā)生相變釋放潛熱的主要過程,也是室外換熱器融霜的關鍵時段。從實驗結果可以看出,在相變材料相變釋熱的過程中,盤管內制冷劑與管外相變材料熱交換充分,除霜結束時液相相變材料基本全部轉變?yōu)楣滔唷?.2.3室內機出風溫度下降圖8為除霜后熱泵機組再次啟動時,室內機出風溫度隨時間的變化。由圖可知,當系統(tǒng)由制熱模式轉向除霜模式后,室內機出風溫度迅速下降。在傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)中,室內機出風溫度降低至12℃,低于室內溫度。采用相變蓄能除霜系統(tǒng)時,當系統(tǒng)從除霜模式轉換至供熱模式時,除霜幾乎沒有影響到向室內供熱,出風溫度升高速度比傳統(tǒng)除霜系統(tǒng)的升高速度快很多,因此不會給人以吹冷風的感覺,更有利于供熱房間的舒適性。4不同模式運行的蓄熱防霜性能本文介紹了基于相變蓄能的空氣源熱泵除霜新方法,提出了相變蓄熱的3種運行模式。通過對實驗數據進行分析比較認為:串聯(lián)蓄熱模式時,相變蓄熱器有較快的蓄熱速度,能夠在較短時間內完成蓄熱;當采取單獨蓄熱模式和并聯(lián)蓄熱模式時,壓縮機的吸、排氣溫度偏高,而吸、排氣壓力偏低,相變材料蓄熱速度非常慢。在該實