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利用空气源热泵制冷剂过冷放热除霜的研究

2011年10月28 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：提出利用制冷剂过冷所放出的热量来解决空气源热泵冬季结霜问题的方法,并给出实现该方法的系统构成。通过计算证明,制冷剂过冷放出的热量远大于除霜需要的热量。

空气源热泵处于冬季制热工况,当热源侧换热器表面的温度低于空气露点温度且低于0℃时,换热器表面可能会结霜。不少学者对除霜进行了研究,如空气除霜、电热除霜和热气除霜等。笔者提出一种新的除霜方式以供选择。

1·原理

制热时,从冷凝器出来的制冷剂仍有较高的温度。对于冷热风机组来说,一般不低于32℃(20℃进风,40℃冷凝温度);对于冷热水机组来说,一般不低于40℃(热水进水40℃)。而结霜的蒸发温度低于0℃。制冷剂经冷凝器进入蒸发器这一段有较大的显热可以用来除霜。正常的制冷剂循环是1—2—3—4—1(见图1)。

如果使状态点3的制冷剂直接进入蒸发器的结霜部位,并过冷到点5,再节流到点6,进入蒸发器,蒸发到点1,进入压缩机压缩到点2,进入冷凝器冷凝到点3,这构成了附加过冷除霜的制热循环。

2·计算分析

先计算制冷剂过冷放出的热量能否满足化霜需要的热量。

R22制冷剂质量流量以1kg/s计算。

因空气结霜的可能范围为-12.8℃<ta<5·8℃[1],同样湿度条件下,ta越高,空气含湿量越大,结霜量也越大。为求得最大结霜量,设空气进蒸发器的温度为5.8℃,湿度为90%,出蒸发器的温度为0℃。设冷凝温度为40℃,制冷剂在冷凝器中过冷到32℃,除霜过冷到20℃。

按图1,用于除霜的热量为

qf=h3-h5(1)

式中:h3和h5分别为点3和点5对应的焓值(kJ/kg)。按照假设条件,点3和点5对应的温度分别为32℃和20℃。使用软件Solkane5.0计算得h3=239.35kJ/kg ,h5=224.29kJ/kg,因此

qf=239.35-224.29=15.06(2)

蒸发器中的蒸发热量为 qo=h1-h6(3) 式中:h1和h6分别为点1和点6对应的焓值(kJ/kg)。蒸发器中制冷剂和空气的平均对数温差按10℃计算,则计算制冷剂的蒸发温度为-7.4℃。设制冷剂的蒸发过热度为11℃,用Solkane5.0计算得h1=415.13kJ/kg。节流前后焓值不变:h5=h6,代入式(3)得

qo=145.13-224.29=190.84(4)

使用“天正暖通7.5”计算标准大气压下空气状态参数为:

hr=18.76kJ/kg干空气

dr=5.14g/kg干空气

hc=9.44kJ/kg干空气

dc=3.77g/kg干空气

式中:hr和dr分别为蒸发器入口处的焓值和含湿量;hc和dc分别为蒸发器出口处的焓值和含湿量。R22流量为1kg/s时所对应的蒸发器风量为：

蒸发器在0℃以上时,其中的水分就开始析出,但在往下流的过程中不断被冷却。设其在流到水盘之前已经结霜,结霜量为

m=g(dr-dc) (6)

&nb sp; 水的凝固热为qs=335kJ/kg[2],对应R22流量为1kg/s时所需的融霜热量为

qm=335m/1 000(7)

将相关数值代入式(5)~式(7)得

qm=9.397kJ/kg (8)

比较式(2)与式(8)得qf>qm,即制冷剂的过热量足以融化蒸发器表面的霜。

3·系统流程

图2为一个有4个流程的翅片式换热器除霜系统。

制热时,4个电磁阀(L,M,N和P)只打开一个,由换热器(此时为冷凝器)出来的液态制冷剂,从打开的电磁阀进入翅片换热器进行过冷放热除霜,再进入与打开电磁阀所对应的气液分离器(E,F,G或H)。从气液分离器出液口出来的制冷剂进入集液管J,再经节流阀R进入分配器K,经过单向阀进入余下的a,b,c和d中的3个管路进入蒸发器蒸发,气态制冷剂进入对应的气液分离器,然后从出气口汇集到集气管I。

如果电磁阀P打开,L,M和N关闭,则从换热器出来的液态制冷剂,从管路d进入翅片换热器的下部进行融霜,从p管路进入气液分离器H,从出液口出来经过单向阀由管路r进入集液管J,再经过节流阀R进入分配器K,因管路v中的单向阀关闭,故节流后的制冷剂经管路s,t和u流过单向阀,分别从管路a,b和c进入翅片换热器,蒸发后的气体分别从管路e,h和m进入气液分离器E,F和G,并从其出气口分别经管路g,k和o汇集到集气管I。

制冷时,4个电磁阀全部打开,高温气态制冷剂经气液分离器E,F,G和H,从管路e,h,m和p进入翅片换热器。冷凝后的液态制冷剂经管路a,b,c和d,电磁阀L,M,N和P进入节流阀S,减压后的制冷剂进入换热器,再经过四通换向阀回到压缩机。

制冷电磁阀的价格比较昂贵,可用价格比较便宜的四通换向阀与单向阀的组合来代替。图2中的气液分离器既要可靠工作,又不能太昂贵,可以按图3所示结构设计、制造。

制热时,处于过冷管路的气液分离器,过冷液体从混合管进入分离器。活塞在弹簧的弹力和浮力的双重作用下向上移动并密封气管,液体从底部液管流出;处于翅片换热器蒸发回路中的气液分离器,蒸发后的制冷剂气体从混合管进入,活塞的重力大于弹簧与气体浮力的合力,活塞下移并密封底部液管,气体从顶部气管流出。

制冷时,从压缩机出来的制冷剂气体从顶部气管进入,此时活塞处于底部并密封液管,气体从混合管流出进入翅片式换热器。

4·特点

与其他除霜型式相比,笔者所提出的系统有以下特点:

1)在正常制热的同时进行除霜,不影响采暖。

2)除霜时虽然蒸发器的蒸发换热面积有所减小,使制热量有降低的趋势,但过冷度的增加将减少节流后的气体闪发量,使液态制冷剂比重加大,增加吸热量,从而弥补换热面积的减小带来的制热量损失。

3)通过设置不同电磁阀开启时间的长短,可以更好地适应翅片换热器在不同环境、不同部位的除霜需求。

4)除霜不需要任何其他能量。

5)设置在微霜时,就将霜除掉,从而使机组在无霜状态下运行。

5·结束语