利用空氣源熱泵制冷劑過冷放熱除霜的研究

　　摘　要：提出利用制冷劑過冷所放出的熱量來解決空氣源熱泵冬季結霜問題的方法,并給出實現該方法的系統構成。通過計算證明,制冷劑過冷放出的熱量遠大于除霜需要的熱量。

　　空氣源熱泵處于冬季制熱工況,當熱源側換熱器表面的溫度低于空氣露點溫度且低于0℃時,換熱器表面可能會結霜。不少學者對除霜進行了研究,如空氣除霜、電熱除霜和熱氣除霜等。筆者提出一種新的除霜方式以供選擇。

　　1·原理

　　制熱時,從冷凝器出來的制冷劑仍有較高的溫度。對于冷熱風機組來說,一般不低于32℃(20℃進風,40℃冷凝溫度);對于冷熱水機組來說,一般不低于40℃(熱水進水40℃)。而結霜的蒸發溫度低于0℃。制冷劑經冷凝器進入蒸發器這一段有較大的顯熱可以用來除霜。正常的制冷劑循環是1—2—3—4—1(見圖1)。

　　如果使狀態點3的制冷劑直接進入蒸發器的結霜部位,并過冷到點5,再節流到點6,進入蒸發器,蒸發到點1,進入壓縮機壓縮到點2,進入冷凝器冷凝到點3,這構成了附加過冷除霜的制熱循環。

　　2·計算分析

　　先計算制冷劑過冷放出的熱量能否滿足化霜需要的熱量。

　　R22制冷劑質量流量以1kg/s計算。

　　因空氣結霜的可能范圍為-12.8℃

　　按圖1,用于除霜的熱量為

　　qf=h3-h5(1)

　　式中:h3和h5分別為點3和點5對應的焓值(kJ/kg)。按照假設條件,點3和點5對應的溫度分別為32℃和20℃。使用軟件Solkane5.0計算得h3=239.35kJ/kg ,h5=224.29kJ/kg,因此

　　qf=239.35-224.29=15.06(2)

　　蒸發器中的蒸發熱量為 qo=h1-h6(3) 式中:h1和h6分別為點1和點6對應的焓值(kJ/kg)。蒸發器中制冷劑和空氣的平均對數溫差按10℃計算,則計算制冷劑的蒸發溫度為-7.4℃。設制冷劑的蒸發過熱度為11℃,用Solkane5.0計算得h1=415.13kJ/kg。節流前后焓值不變:h5=h6,代入式(3)得

　　qo=145.13-224.29=190.84(4)

　　使用“天正暖通7.5”計算標準大氣壓下空氣狀態參數為:

　　hr=18.76kJ/kg干空氣

　　dr=5.14g/kg干空氣

　　hc=9.44kJ/kg干空氣

　　dc=3.77g/kg干空氣

　　式中:hr和dr分別為蒸發器入口處的焓值和含濕量;hc和dc分別為蒸發器出口處的焓值和含濕量。R22流量為1kg/s時所對應的蒸發器風量為：

　　蒸發器在0℃以上時,其中的水分就開始析出,但在往下流的過程中不斷被冷卻。設其在流到水盤之前已經結霜,結霜量為

　　m=g(dr-dc) (6)

　　  水的凝固熱為qs=335kJ/kg[2],對應R22流量為1kg/s時所需的融霜熱量為

　　qm=335m/1 000(7)

　　將相關數值代入式(5)~式(7)得

　　qm=9.397kJ/kg (8)

　　比較式(2)與式(8)得qf>qm,即制冷劑的過熱量足以融化蒸發器表面的霜。

　　3·系統流程

　　圖2為一個有4個流程的翅片式換熱器除霜系統。

　　制熱時,4個電磁閥(L,M,N和P)只打開一個,由換熱器(此時為冷凝器)出來的液態制冷劑,從打開的電磁閥進入翅片換熱器進行過冷放熱除霜,再進入與打開電磁閥所對應的氣液分離器(E,F,G或H)。從氣液分離器出液口出來的制冷劑進入集液管J,再經節流閥R進入分配器K,經過單向閥進入余下的a,b,c和d中的3個管路進入蒸發器蒸發,氣態制冷劑進入對應的氣液分離器,然后從出氣口匯集到集氣管I。

　　如果電磁閥P打開,L,M和N關閉,則從換熱器出來的液態制冷劑,從管路d進入翅片換熱器的下部進行融霜,從p管路進入氣液分離器H,從出液口出來經過單向閥由管路r進入集液管J,再經過節流閥R進入分配器K,因管路v中的單向閥關閉,故節流后的制冷劑經管路s,t和u流過單向閥,分別從管路a,b和c進入翅片換熱器,蒸發后的氣體分別從管路e,h和m進入氣液分離器E,F和G,并從其出氣口分別經管路g,k和o匯集到集氣管I。

　　制冷時,4個電磁閥全部打開,高溫氣態制冷劑經氣液分離器E,F,G和H,從管路e,h,m和p進入翅片換熱器。冷凝后的液態制冷劑經管路a,b,c和d,電磁閥L,M,N和P進入節流閥S,減壓后的制冷劑進入換熱器,再經過四通換向閥回到壓縮機。

　　制冷電磁閥的價格比較昂貴,可用價格比較便宜的四通換向閥與單向閥的組合來代替。圖2中的氣液分離器既要可靠工作,又不能太昂貴,可以按圖3所示結構設計、制造。

　　制熱時,處于過冷管路的氣液分離器,過冷液體從混合管進入分離器。活塞在彈簧的彈力和浮力的雙重作用下向上移動并密封氣管,液體從底部液管流出;處于翅片換熱器蒸發回路中的氣液分離器,蒸發后的制冷劑氣體從混合管進入,活塞的重力大于彈簧與氣體浮力的合力,活塞下移并密封底部液管,氣體從頂部氣管流出。

　　制冷時,從壓縮機出來的制冷劑氣體從頂部氣管進入,此時活塞處于底部并密封液管,氣體從混合管流出進入翅片式換熱器。

　　4·特點

　　與其他除霜型式相比,筆者所提出的系統有以下特點:

　　1)在正常制熱的同時進行除霜,不影響采暖。

　　2)除霜時雖然蒸發器的蒸發換熱面積有所減小,使制熱量有降低的趨勢,但過冷度的增加將減少節流后的氣體閃發量,使液態制冷劑比重加大,增加吸熱量,從而彌補換熱面積的減小帶來的制熱量損失。

　　3)通過設置不同電磁閥開啟時間的長短,可以更好地適應翅片換熱器在不同環境、不同部位的除霜需求。

　　4)除霜不需要任何其他能量。

　　5)設置在微霜時,就將霜除掉,從而使機組在無霜狀態下運行。

　　5·結束語

　　制冷劑過冷所放出的熱量遠大于除霜需要的熱量,制冷劑過冷除霜過程具有其自身的特點,是一種可選用的新的除霜方式。

　　參考文獻

　　[1]鄭爽,崔榕健,陳兆濤,等.高濕地區空氣源熱泵除霜技術.機電信息,2008(22):46-49.

　　[2]化學工程手冊.1版.北京:化學工業出版社,1989:1-244.