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1、结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证 结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证 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。西安交通大学能源
2、与动力工程学院的郭宪民、王成生、汪伟华、陈纯正等老师的论文结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证对结霜工况下空气源热泵的动态特性进行了数值模拟，并在室外环境空气温度及相对湿度分别为-153和50%90%范围内对一台空气源热泵空调器的动态性能进行了实验研究，测量了不同结霜工况条件下热泵空调器的动态性能参数、室外换热器结霜量及壁面温度分布。在此基础上分析了进风温、湿度对空气源热泵空调器性能的影响。实验结果表明：在室外换热器表面结霜的初始阶段，热泵系统的制热量及性能系数均有所提高，但在结霜的后期,热泵性能迅速衰减，与数值预测结果一致；对于相对湿度不同的进口空气，其温度为03时室外换热器表面
3、结霜速度最快，在此温度范围内结霜对热泵性能影响最大。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。第40卷 第5期2006年5月 西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XIAN J IAOTONG UNIVERSITYVol.405May 2006结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证郭宪民1,2,王成生2,汪伟华2,陈纯正1(11 西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;21 天津商学院制冷与空调工程系,300134,天津)摘要:对结霜工况下空气源热泵的动态特性进行了数值模拟,并在室外环境空气温度及相对湿度分别为-153 和50%90%范围内对一台
4、空气源热泵空调器的动态性能进行了实验研究,测量了不同结霜工况条件下热泵空调器的动态性能参数、室外换热器结霜量及壁面温度分布.在此基础上分析了进风温、湿度对空气源热泵空调器性能的影响.实验结果表明:在室外换热器表面结霜的初始阶段,热泵系统的制热量及性能系数均有所提高,但在结霜的后期,热泵性能迅速衰减,与数值预测结果一致;对于相对湿度不同的进口空气,其温度为03 时室外换热器表面结霜速度最快,在此温度范围内结霜对热泵性能影响最大.关键词:空气源热泵;结霜工况;动态特性中图分类号:TB65 文献标识码:A 文章编号:0253987X(2006)05054405Numerical Simulation
5、 and Experimental Verification on Dynamic Performanceof Air Source Heat Pump under Frosting ConditionsGuo Xianmin1,2,Wang Chengsheng2,Wang Weihua2,Chen Chunzheng1(11School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;21Department of Refrigeration&Air Conditioning Engine
6、ering,Tianjin University of Commerce,Tianjing 300134,China)Abstract:Regarding the frost accumulation on the outdoor coils as a quasi2dynamic process,thedynamic performances of an air source heat pump(ASHP)system under frosting conditions weresimulated.A series of experiments on the dynamic performan
7、ce of the ASHP unit under frostingconditions were conducted to verify the present simulation model.The experimental outdoor airtemperature ranged from-15to 7,and the relative humidity from 50%to 90%.The dy2namic performance parameters of the ASHP system under frosting conditions,the frost mass ac2cu
8、mulation on the outdoor coils,and the wall temperature distribution along the heat exchangetubes were measured.Based on the experimental results,the effects of the outdoor air tempera2ture and the relative humidity on the performance of ASHP unit were analyzed.The experimentalresults indicate that t
9、he heating capacity and coefficient of performance of the ASHP unit increasein the initial frosting stage and decrease rapidly in the later frosting stage.These experimental re2sults are in good agreement with the corresponding simulation ones.In addition,it is found thatthe frost formation rate is
10、greatest when the outdoor air temperature is about 03at differentoutdoor air relative humidities.Keywords:air source heat pump;frosting condition;dynamic characteristics收稿日期:20050929.作者简介:郭宪民(1962),男,教授.符号表Q 热流量,Wda含湿量,kg/kgm质量流量,kg/s温度,M质量,kg时间,s相对湿度P功率,W下标fr霜层a空气r制冷剂c冷凝e蒸发1、2进、出口 空气源热泵空调器在冬季某些气象条件
11、下室外换热器表面会产生结霜现象,霜层增加了导热热阻,同时堵塞翅片通道引起风机风量下降,导致热泵性能下降,严重时会导致热泵不能正常工作.因此,研究室外换热器结霜对热泵空调器性能的影响是解决热泵空调器稳定高效工作的关键问题.国内外学者对换热器表面结霜规律及其对换热性能的影响进行了大量的数值模拟及实验研究,但实验或计算大多是在假定结霜过程中制冷剂温度和空气流量不变的条件下进行的,只有文献13在其模型中考虑了结霜引起的风机流量下降.有关结霜工况下空气源热泵机组整体性能的研究资料非常有限49.对于使用风机驱动的空气源热泵空调器室外换热器来说,这种常风量的假定是不合理的.同时,空气源热泵空调器室外换热器表
12、面结霜会引起热泵系统循环参数(如冷凝压力、蒸发压力)发生变化,这又反过来影响换热器的结霜性能.因此,必须把结霜过程与热泵系统的工作过程作为一个整体来考虑.1 动态性能数值模拟热泵系统是由蒸发器、冷凝器、毛细管、压缩机和高压储液器等几个部分组成,为了模拟结霜工况下整个热泵系统的动态性能,分别对系统各个部件建立了数学模型.由于压缩机属于压力调节部件,其时间常数小,因此本文采用参数拟合法建立压缩机的制冷量、质量流量及耗功与蒸发温度和冷凝温度的关系式.毛细管采用均相流模型,并考虑了“闪点延迟”和“壅塞流”现象的影响.冷凝器、蒸发器采用分布参数模型,在两相区中采用分相流模型,将气、液相看作各自分开的流动
13、,每相有其独立的流动特性参数,并分别对每一相流动建立各自的控制方程8,9.在结霜工况下,考虑了霜层对导热热阻、肋片效率及风机风量的影响.数值计算的思想是将结霜过程分为时间微段,在每个时间微段内认为系统是处于稳态工况,霜层在上个时刻的稳态模拟结果作为下一个时刻的入口参数,这样逐个时段进行稳态模拟.各个时段稳态模拟的数值计算方法则是将压缩机、冷凝器、蒸发器和毛细管通过质量、能量的耦合关系联立起来求解.先假设系统的冷凝压力和蒸发压力,由此计算出压缩机的质量流量以及其出口参数,然后将其作为冷凝器的入口参数进行数值计算,将计算出的冷凝器出口参数作为毛细管的入口参数,再计算毛细管的质量流量并与压缩机的质量
14、流量相比较,对冷凝压力进行修正.满足精度要求后进行蒸发器的数值计算,然后以蒸发器的出口参数计算压缩机的质量流量,修正蒸发压力直到收敛.2 实验介绍211 实验样机参数热泵样机为某公司生产的TSD50CRA型风冷管道机组,其额定制冷量为1211 kW;节流元件为毛细管,内径为2196 mm,管长为700 mm.涡旋压缩机的制冷量、耗功率及制冷剂质量流量可分别拟合成Qe=-01152c-118157c+61221 42e+621143e-3144ce+17 722(1)P=01929 172c-71079 8c-01169 052e+31314 3e+01098 571ce+2 256(2)mr=
15、-715e-72c-11087 9e-4c+31428 6e-52e+21625 5e-3e+31514 3e-6ce+01082 624(3)室外换热器管排数为2,分8路供液,室内换热器管排数为4,分6路供液,图1所示分别为室外换热器和室内换热器中的一路管排布置示意图,换热器结构参数和模拟工况参数如表1所示.212 实验装置实验在焓差法空调器实验室内进行,实验系统如图2所示.焓差室内外侧环境温、湿度由计算机控制,热泵系统循环参数及室外换热器进出口温度、湿度、风速及换热器壁面温度采用计算机数据采集和处理.21211 结霜量测量 结霜量是通过测量换热器空545 第5期 郭宪民,等:结霜工况下空气
16、源热泵动态特性的数值模拟与实验验证表1 热泵空调器的换热器参数换热器管径/mm肋厚/mm肋间距/mm管间距/mm室内9152011511952514室外9152011511952514换热器单根管长/mm管排数管列数迎面风速/ms-1室内5721842110室外9204821165图1 室内、外换热器结构示意图1:空气处理机组;2:取样装置;3:蒸发器;4:毛细管;5:压缩机;6:稳压室;7:调频风机;8:喷嘴;9:冷凝器;p:压力;T:温度;:相对湿度图2 热泵测量系统示意图气的流量及进出口含湿量来间接测量的:在室外换热器进口均匀布置了12个风速传感器和12个温、湿度传感器,用以测量其进口空
17、气的平均速度、干球温度及相对湿度;在出风口布置了4个温、湿度传感器,用以测量室外换热器出口空气的干球温度及相对湿度;由测量到的进口平均速度、进出口平均干球温度及相对湿度,可计算出通过室外换热器的空气流量、密度及进出口含湿量.时段内室外换热器的结霜量可表示为Mfr=ma,e(1+de,1)(de,1-de,2)(kg)(4)温度变送器精度为 012,湿度变送器精度为 2%,速度传感器精度为 015%,压力传感器精度为 0125%.21212 换热器壁温测量 换热器壁温采用敷设在换热器管端弯头上的铜 康铜热电偶进行测量,所有热电偶均在恒温浴槽中经过标定.室外换热器被分液头分成8路,本文只测量了中间
18、的2路.213 实验工况说明室外换热器入口空气温度的变化范围为-153,入口空气的相对湿度变化范围为50%90%,共24个实验工况.实验中发现,在某些条件下室外换热器不发生结霜现象,如表2所示.所有实验工况室内侧环境温度均控制在20.表2 室外换热器实验工况条件/%506580903不结霜ABC0不结霜DEF-3不结霜GHI-7不结霜JKL-10不结霜MNO-15不结霜不结霜PQ 注:AQ为各种结霜工况.对每一个实验工况,首先将焓差室内外侧环境干、湿球温度调节到所需数值并控制在稳定状态,开启被试机组,待工况稳定后每隔5 min记录一次各实验数据.控制稳态工况的主要指标为:焓差室内外侧环境干、湿
19、球温度波动小于012;被试机室内换热器出口压力波动小于3 Pa.3 实验结果与讨论311 动态性能实验验证与讨论将结霜工况B的数值计算结果与实验结果进行比较,如图3图6所示.实验结果表明,在换热管外及肋片表面形成霜层的初始阶段,结霜不但对热泵空调器的性能没有产生不良影响,而且提高了其工作性能.从图3可以清楚地看到,在前20 min内制热量Q随结霜时间的增加而增大,最大增加了约5167%,之后开始匀速衰减,在运行50 min后制热量衰减速度开始加快,在结霜循环的最后阶段(约占总结霜时间的20%),制热量衰减速度增加到匀速衰减段衰减速度的216645西 安 交 通 大 学 学 报 第40卷 图3
20、制热量随结霜时间的变化图4 蒸发压力、冷凝压力随结霜时间的变化图5 室外换热器进口壁温随结霜时间的变化8倍,性能系数随时间的变化趋势与制热量变化趋势相同.产生这种现象的原因主要为:在结霜的初期霜层较薄,引起的导热热阻增加不大,其影响属于次要因素,而霜在换热表面的沉积使其形成粗糙面,增加了气流扰动,从而使对流换热系数增大;同时,对流换热系数的增大使翅片效率增大.2种因素共同作用的结果是增强了室外换热器的传热效果,使热泵空调器的制热量、蒸发压力及室外换热器的壁温均增大.随着霜层不断增厚,霜层形成的导热热阻不断增加,室外换热器传热性能逐渐降低,热泵空调器的制热量、蒸发压力及室外换热器壁温随之呈下降趋
21、势(见图4、图5).在运行约50 min后,换热器表面已沉积了较厚的霜层,霜层形成的导热热阻使得蒸发温度和蒸发器表面温度明显下降(见图4、图5),蒸发温度的降低加速了霜的沉积.另一方面,由于霜层此时已占据了肋片通道的1/2以上,导致风机流量迅速下降(见图6),此时风量下降了约30%,这大大恶化了传热效果.2种因素的相互影响,形成恶性循环,造成热泵性能迅速降低(见图3).将数值计算结果与实验结果进行对比可以看出,二者的变化趋势是一致的:图7所示的结霜量随时间的变化规律的实验结果与数值计算结果基本一致,蒸发压力、冷凝压力(见图4)的数值计算结果与实验结果在50 min前比较一致,而在50 min后
22、出现较大偏差;制热量随时间变化(见图3)的数值计算结果与实验结果相差较大,在65 min前,数值计算结果偏小,而在65 min之后数值计算结果偏大;室外换热器壁面温度随时间变化的数值计算结果与实验结果趋势是一致的,但数值计算结果高于实验值.312 室外空气湿度对热泵性能的影响图8给出了室外换热器进风温度为3 时,不同相对湿度条件下热泵系统制热量随结霜时间变化图6 室外换热器迎面风速随结霜时间的变化图7 结霜量随结霜时间的变化的实验曲线,实验发现性能系数与制热量的变化趋势是相同的,限于篇幅本文未给出性能系数随结霜时间变化的实验曲线.从图8可以看出:对于结霜工况A、B及C(即=65%,80%,90
23、%时),在结霜初期,热泵系统制热量提高的幅度随相对湿度的增大而增加;在结霜循环后期,对于相对湿度较高的工况B及C,性能衰减的速度很快,而对于相对湿度较低的工况A,性能衰减的速度则相对较慢.从图8中还可以看出:热泵系统稳定工作周期随相对湿度的增大而减小,工况C的稳定工作周期只有工况A的45%左右.产生这些现象的原因是因为相对湿度对结霜速度的影响,如图9所示,工况A的结霜量只有工况C结霜量的40%左右,因此结霜对换热器风量的影响要小得多.图8 进风相对湿度对制热量的影响图9 进风相对湿度对结霜量的影响313 室外空气温度对蒸发器结霜的影响将各种工况下热泵系统动态制热量按热泵系统完成一个制热、除霜循
24、环所需的总时间进行平均,结745 第5期 郭宪民,等:结霜工况下空气源热泵动态特性的数值模拟与实验验证果如图10所示.图中=50%的曲线为不结霜工况,其平均制热量随室外换热器进风温度的升高而线性增长,而结霜工况(B、C及D)下热泵平均制热量随室外换热器进风温度的变化曲线在a,1=0附近出现了拐点,对于=65%的工况,a,1=0 时的平均制热量甚至低于a,1=-3 时的平均制热量.产生这种现象的原因是对于不同的进风相对湿度,当进风温度在0 左右时结霜速度最快.图11为不同相对湿度的各工况运行30 min后结霜量及=80%工况条件下的数值计算结果,可以看出,实验值在不同相对湿度工况条件下进风温度均
25、在0附近结霜速度最快,结霜最严重,而数值计算结果显示在=80%工况条件下进风温度在3 附近结霜速度最快.我们把室外换热器结霜最快的温度范围称为严重结霜温区.图10 平均制热量随进风温度的变化图11 运行30 min后不同进风温度下结霜量比较出现严重结霜温区的原因主要为:由于进风温度在此温度范围内时空气含湿量较大,同时壁面温度也较低,最适合霜的生长;进风温度低于此温度范围时,虽然壁面温度更低,但空气含湿量却比较小,因此结霜速度较小;当进风温度高于此温度范围时,虽然空气含湿量较大,但壁面温度较高,因此也不易结霜.4 结 论(1)数值计算结果与实验结果基本相符,从而验证了作者预测的结霜工况下空气源热
26、泵动态性能的数值模型及计算方法是可行的.(2)实验结果均表明:在霜刚开始形成时,非但对热泵系统性能不产生负面作用,反而增大了换热量,对系统的工作是有利的.从总体来看,霜的沉积在大部分结霜运行时间(约占总结霜时间的80%)内对系统的影响不是很大,当霜层厚度达到一定程度时,制热量、蒸发温度、翅片温度、空气流速等参数的变化速度较大,整机性能迅速衰减.这验证了数值模拟得到的结论.(3)通过对数值计算结果和实验结果进行分析,讨论了进风温、湿度对室外换热器结霜的影响,发现对应于一定的室外环境相对湿度,室外换热器存在一个严重结霜温区,当室外环境温度在此温度范围内时,结霜最严重,对热泵性能的影响最大.对于不同
27、的室外环境相对湿度工况,严重结霜温区均为03,而对不同的室外环境温度,相对湿度越大结霜越严重.参考文献:1Ogawa K,Tanaka N,Takeshita M.Performance im2provement of plat fin2and2tube heat exchangers underfrosting conditions J.ASHRAE Trans,1993,99(1):762771.2Yao Y,Jiang Y Q,Deng S M,A study on the per2formance of the airside heat exchanger under frosting
28、in a air source heat pump water heater/chiller unit J.Int J of Heat and Mass Transfer,2004,47(1718):37453756.3Chen H,Thomas L,Besant R W.Fan supplied heatexchanger fin performance under frosting conditionsJ.Int J Refrig,2003,26(1):140149.4Yasuda H,Senshu T,Kuroda S,et al.Heat pumpperformance under f
29、rosting conditions:simulation ofheat pump cycle characteristics under frosting condi2tions J.ASHRAE Trans,1990,96(1):330336.5 黄 虎,束鹏程,李志浩.风冷热泵冷热水机组结霜工况下工作过程动态仿真及实验验证J.流体机械,1998,3(26):4347.6 黄 虎,李志浩,虞维平.风冷热泵冷热水机组除霜过程仿真J.东南大学学报(自然科学版),2001,1(31):5256.7 姬长发,黄 东,袁秀玲.风冷热泵冷热水机组结霜与除霜性能的实验研究J.西安交通大学学报,2004,5(39):480484.8 王 芳.热泵空调器结霜工况下工作过程的动态仿真D.南京:南京航空航天大学人居与环境工程系,200119 王成生.热泵空调器结霜工况下动态特性的理论与实验研究D.天津:天津商学院制冷与空调系,20051(编辑 王焕雪)845西 安 交 通 大 学 学 报 第40卷