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1、空气源热泵除霜性能的实验研究 空气源热泵除霜性能的实验研究 热泵是典型的节能产品，这的工作原理与制冷机组相同，只不过热泵利用冷凝器放出的冷凝热来为室内供热。热泵在工作时，利用蒸发器从低温环境中吸热，然后由冷凝器向需要热量的环境放热。根据蒸发器的吸热环境不同，热泵又可分为空气源热泵、水源热泵地源热泵等。空气源热泵目前应用十分广泛，但是冬季热泵翅片管式蒸发器表面结霜会对其性能造成很大危害，使蒸发器正常工作，必须采用融霜措施，而蒸发器的融霜则需要消耗能量。因此除霜性能是影响热泵整体性能的重要因素之一。因此，对热泵蒸发器的结霜过程的研究一直很多。天津商学院的张哲、田津津老师的论文空气源热泵除霜性能的实
2、验研究为了解决热泵除霜问题,实验测量了风冷热泵除霜的性能,研究了热泵除霜时各主要部件的性能变化,研究结论对热泵系统除霜研究具有重要的参考价值。本文的阅读应与教材第8章地源热泵系统及设计方法相结合。低温与超导第36卷 第6期制冷技术RefrigerationCryo.&Supercond.Vol.36No.6收稿日期:2008-03-11作者简介:张哲(1975-),男,博士,副教授,主要从事热泵蒸发器结霜方面的研究。空气源热泵除霜性能的实验研究张哲,田津津(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室,天津300134)摘要:空气源热泵目前应用十分广泛,但是冬季热泵翅片管式蒸发器表面结霜会对其性能造成
3、很大危害。因此除霜性能是影响热泵整体性能的重要因素之一。为了解决热泵除霜问题,实验测量了风冷热泵除霜的性能,研究了热泵除霜时各主要部件的性能变化,研究结论对热泵系统除霜研究具有重要的参考价值。关键词:热泵;除霜;蒸发器Experi mental study on the defrosting performance of a ir-source heat pumpZhang Zhe,Tian Jinjin(Tianjin KeyLaboratory of Refrigeration Technology,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134
4、,China)Abstract:Air-source heat pump becomes increasingly popular.However,the frosting on finned-tube evaporator surfacein wintermay adversely affect the perfor mance of heat hump.The defrosting performance is an important factor that influences theheat pump performance.The defrosting performance wa
5、s experi mentally studied for the defrosting problem of air-source heatpumps.The performances ofmain partsof heatpump were researched under defrosting conditions.The conclusion isof great sig2nificance on the defrosting research of heat pump in industry.Keywords:Heat pump,Defrosting,Evaporator1 前言我国
6、长江流域及以南地区冬季风冷热泵蒸发器很容易结霜。霜在换热器表面的沉积增加了制冷剂与空气之间的传热热阻增大,恶化了传热效果;同时,霜层的增长产生的阻塞作用大大增加了空气流过换热器的阻力,造成气流流量下降,风机功耗增加;使得空气源热泵系统制热量下降12,工作状况恶化同时也有可能发生事故。因此有必要对热泵除霜进行仔细的研究。国内外学者对热泵除霜的研究比较广泛,文献3 对空气温度和压缩机运行时间结合控制法进行了研究,并以90分钟的温度-时间控制法对热泵的除霜能量、除霜损失、不必要除霜次数和除霜时间进行了测试。文献4 对不同的控制除霜方法进行了比较,发现按需除霜法比以时间-温度除霜法有更好的热经济效率。
7、文献5 提出了一种新型的热泵除霜控制方法。其通过测量室内盘管空气进出口的最大温差,并当实际温差与最大温差之比达到预设定值时开始除霜是最佳进入除霜的时机。文献6 研究发现可根据空气流量来控制何时除霜最好,当空气流量降低到盘管性能受到较大破坏点之前开始除霜效果最好。另外其通过实验发现,在制冷量相同的前提下,尺寸较大的盘管比尺寸较小的盘管所允许的制冷剂的温度要高,因而在除霜之前运行的时间更长,从而延长了除霜周期。以上对除霜的研究大多集中在结霜的基础上,很少研究热泵除霜时各主要部件的性能变化。2 实验系统2.1 试验装置实验台如图1所示,室内外温湿度用空气处理机组进行调解,其中安装有冷却盘管、加热器和
8、加湿器,用计算机调节加热器和加湿器的功率以控制室内空气稳定在所要求的工况。焓差法空调器性能实验台环境温度的控制范围为-2050,控制精度 0.2,相对湿度控制范围30%90%,控制精度 2%,风量测量装置测量精度为 1.5%,温度测量精度 0.1,压力及压差传感器精度0.08%FS,可提供实验所需的稳定工作环境及高精度的数据采集。图2为热泵系统图,热泵为一般家用热泵机组,系统图分为室内和室外部分,并且标明制冷、制热和除霜循环方向。2.2 实验条件室外干球温度为2,湿球温度为1,室内干球温度为20,湿球温度为12。2.3 实验内容实验研究热泵除霜状况时系统的性能。实验参数为管温、吸排气压力、功率
9、和除霜时间。76第6期 制冷技术 Refrigeration3 实验结果及其分析图3表示了压缩机吸气压力和排气压力在除霜过程中随时间变化的情况,当除霜启动后,四通换向阀换向,在01分钟的除霜启动阶段内,由于除霜前室内换热器是压力较高的冷凝器,室外换热器是压力较低的蒸发器,除霜时情况恰恰相反,因此可以看到系统内有一个明显的压力平衡过程,而且存在一定的波动,但波动幅度不同。在除霜启动阶段内,排气压力从1.35MPa左右降低到0.86MPa左右,而吸气压力从0.43MPa左右上升到0.63MPa左右,但是进入融霜阶段后,吸排气压力波动不大。图3 除霜过程中吸排气压力变化情况Fig.3The suct
10、ion and discharge in the defrosting process图4表示的是室外盘管温度在除霜过程中的变化情况。从图中可以发现盘管温度不断升高,说明室外盘管已经开始进入热蒸气。随着室外盘管温度的变化,盘管上的霜层状态开始发生变化,盘管表面的霜层开始融化。在1-2分钟间温度上升比较迅速,而2-4分钟间盘管温度上升较为平缓,这因为盘管内刚进入热蒸气,温度变化较大,迅速上升,而后盘管表面霜层不断吸收热量,开始融化。4-7分钟间温度又迅速上升,霜层基本已经融化,进入了附着水分的蒸发和干加热过程阶段。从图4还可以发现,在除霜5分钟时盘管温度达到36.7,说明霜层已经融化,开始进入排
11、水阶段。因此,热泵除霜应根据蒸发器的温度来决定除霜时间。图4 除霜过程中室外盘管温度的变化情况Fig.4The heat exchanger temperature in the defrostingprocess图5表示的是热泵在除霜过程中功耗的变化情况,从图中可以看到除霜所消耗的功率在不同的除霜阶段也发生不同的变化。除霜功率消耗在启动阶段先有下降的趋势,而后不断上升。图5 除霜过程中热泵功耗的变化情况Fig.5The heat pump power in the defrosting process4 结论实验研究了风冷热泵在除霜过程中,热泵系统的各个部件的参数,研究发现热泵在除霜启动时刻
12、吸排气压力存在较为明显的波动,并且具有一定的平衡阶段。在除霜过程中热泵室外侧盘管温度在不同的阶段具有不同的特性。除霜应根据盘管温度来进行时间设定。提高风冷热泵除霜效率的关键问题是了解热泵蒸发器除霜特性,本文研究结论对热泵系统设计与开发具有重要现实意义。86制冷技术 Refrigeration第6期参考文献1ONeal D L,Tree D R.A review of frost formation insimple geometriesJ.ASHRAE Transactions,1985,91(2A):267-281.2Rite R W.The effect of frost accumula
13、tion on the per2for mance of domestic Refrigerator freezer finned-tube e2vaporator coils J.ASHRAE Transactions,1991,97(2):428-437.3BaxterV D,Moyers J C.Field-measure cycling,frost2ing and defrosting losses for a high-efficiency air-source heat pumpJ.ASHRAE Transactions,1985,91(2B):537-554.4MillerW A
14、.Laboratory examination and seasonal analy2sis of frosting and defrosting for an air-to-air heatpumpJ.ASHRAE Transactions,1987,93(1):1474-1489.5 I maiida T,Kojima S.Development of demand defrostcontrol system for residential heat pumpsJ.ASHRAETransactions,1985,91(2B):1527-1540.6StorckerW F.How frost
15、 for mation on coils affects refrig2eration systemsJ.Refrigerating Engineering,1957,65(2):42-46.(上接第32页)随移能电阻增大而降低。由表可知计算值符合热点温度变化规律,并且计算结果优于Quench程序。由于计算模型假定超导体的发热全部沉淀在导体中,导致温度升高,所以计算结果高于实验值。3.3 移能电阻计算根据公式,利用实验采集的数据,对外接移能电阻进行计算,所得结果与实验前的测量值进行了比较,见表6。表6 移能电阻计算结果Tab.6Values of dump resistor实验次数第一次第二次
16、第三次测量值0.51.02.8计算值0.51.02.3 由表可知,在实验前移能电阻的测量有少许的误差。4 结论通过对GSI收集环二极磁体的加热器阻值的计算,可以为实验提供理论依据,选择合适的加热器,不会损坏磁体并且能够保证测量结果的准确性。通过对磁体热点温度的计算,可知磁体最高温升不会太高,即使失超对整个磁体也不会有更大的影响。但是由于整个计算过程假设局部绝热,计算结果与实际情况有偏差,要修正计算结果,需要对实验过程进行更细致的分析,这会在以后的工作中进行。参考文献1Floch E.Protection scheme of the CR dipoleM.GSI in2ternal note:MT-I NT-ErF-2007-002,March,2007.2 MARTI N N,W I LSON.Superconducting magnetsM.1983,200-231.3林良真,张金龙,等.超导电性及其应用M.北京:北京工业大学出版社,284-294.96第6期 制冷技术 Refrigeration