论文变频空气源热泵结霜特性与除霜优化实验，该文是实验研究类有关论文范本和结霜和热泵和实验研究有关硕士学位毕业论文范文.
摘 要：为研究变频空气源热泵机组的结霜特性及除霜优化,搭建了制冷剂为R410A变频空气源热泵系统实验台.在模拟室内外环境条件下进行了机组结霜特性实验研究,测试了室外环境温度、室外环境相对湿度、进水水温对机组结霜的影响.并对通过改变压缩机除霜过程中压缩机运行频率及膨胀阀开度,测试了变频空气源热泵在不同压缩机运行频率及不同膨胀阀开度下机组除霜时间、机组能量损耗、化霜前后机组出水水温温差的变化差异并分析出变频空气源热泵除霜的最佳除霜频率及开度,研究结论对变频空气源热泵系统的霜控研究具有重要的参考价值.
关键词：变频；空气源热泵；除霜；结霜
0引言
能源环境日益成为人民关注的焦点,燃煤采暖在带来巨大的能源浪费的同时,更被认为是导致北方地区雾霾的主要因素.空气源热泵供暖方式具有高效节能、清洁环保等特点,因此热泵供暖被认为是是清洁供暖的最佳方式之一.变频空气源热泵由于其节能高效、舒适度高而备受消费者青睐.但在低温高湿环境下,变频空气源热泵存在着空气源热泵普遍存在的问题：室外侧存在的换热器结霜问题.换热器肋片被霜层覆盖后,肋片与空气间的传热热阻增大,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；使得机组制热量下降,工况恶化同时也有可能发生事故；对于风冷冷热水机组同时化霜过程中会造成水温波动,影响舒适度.因此有必要对热泵结霜特性行仔细研究.对于冷暖型空气源热泵机组,由于四通阀是必备部件,无需增加其他部件,因而逆循环除霜方式被广泛应用.在逆循环除霜过程中,室外换热器作为冷凝器,室外侧作为蒸发器,热泵系统从室内侧缺融化霜层.为保证机组能够最快融霜、减少能量损耗、最大保证室环境的舒适度,有必要对机组除霜进行优化探究.
本文在模拟室内外环境条件下,对变频空气源热泵的结霜特性进行了实验研究,探索了室外温度、相对湿度、进水水温对机组结霜的影响.并对运行频率、膨胀阀开度这两个因素对变频空气源热除霜的影响进行实验探究,并对实验结果进行分析,找到了制约变频空气源热泵快速除霜的影响因素,确定了最佳的机组除霜运行频率和膨胀阀开度.
1实验简介
1.1原理
本文实验采用海悟自主研发的冷暖型变频空气源热泵机组,其主要包括室外机及水力模块两个部分.其系统原理图如图1所示,室外机主要包括直流变频转子式压缩机、翅片式蒸发器、电子膨胀阀、毛细管、气液分离器以及电子膨胀阀等部件组成.水力模块主要包括套管式换热器（冷凝器）、排气阀、膨胀罐、水泵等部件组成.压缩机通过变频驱动控制其运转频率来调节系统制冷剂循环流量,蒸发器为波纹型平片翅片式换热器,系统节流通过电子膨胀阀实现.本系统采用环保冷媒R410a,其因为具有优良的传热性能,而且流动压降比R22要小,因此被认为是低温热泵理想的工质.
该系统的制热过程为：压缩机排出的高温、高压制冷剂气体,经过套管换热器后冷凝为高压制冷剂液体.然后经电子膨胀阀节流后进入蒸发器,吸收低温环境中热量后变为低压的制冷剂气体被压缩机吸入,被压缩后排出压缩机,至此形成一个完整的制热循环.系统采用四通阀换向逆向除霜的方式,即机组通过系统判定需要除霜时,进行四通阀切换,此时机组制冷剂循环与制热时制冷剂循环相反,机组室内侧换热器吸收水侧能量而在室外侧换热器释放进而将霜层融化.
1.2实验介绍
本文实验在我司低温焓差环境实验室进行,它可以提供恒定的室内外环境、恒温恒流量的冷热水以及实验数据采集系统.焓差实验室的平面布置图下图2,实验室室外侧通过空气调节温湿度系统调节室内温湿度来人工模拟室外低温环境,室内侧通过进出水温度调节系统进行进出水温和水流量调节,通过数据采集系统采集机组水流量和进出数温差来进行机组制热量的计算.装置可以测试最大200 kW的热泵机组.室外侧能模拟的温度范围为-30℃-45℃,模拟的湿度范围为20%～100%.环境温度测量传感器采用PTlOO温度计,测量范围在-30℃-55℃,测量精度为0.1℃.系统压力测量传感器采用MPM480系列压力传感器,测量范围在0-6MPa,测量精度为Pa.
压缩机吸、排气温度、盘管温度由绑在压缩机吸排气口100 mm处的热电偶来测量,机组进出水温度由绑在进出水口100 mm处的铂电阻测得.压缩机吸排气压力由布置在压缩机吸、排气口100 mm处的压力传感器测得,机组的运行功率通过实验室的数据采集系统采集.由此外机组的运行频率及膨胀阀开度均可由机组手操器设置和读取.为采集机组结霜量,机组被放置于一个托盘上,每次融霜后的融霜水均通过托盘收集,并采用精度为0.1 g的电子天平进行称量,由此采集的融霜水量等同于机组的结霜量.
2变频空气源热泵的结霜特性分析
2.1室外温度对结霜的影响
空气源热泵应用区域广泛,在使用过程中环境温度变动范围也比较大,而环境温度对机组的运行状态有很大的影响,因而有必要研究一下环温温度对机组结霜的影响.图3为在室外相对湿度90%,进水水温35℃下,机组在不同环境温度下一个融霜周期I每个融霜周期为40 minl的结霜量.从图中可以看到室外环境温度从-20℃至0℃,在相同湿度下随着环温的升高机组结霜量增加,其中在0℃下机组的结霜量是-20℃下的2 3倍.这说明,在相同湿度下,环境温度越低机组越不易结霜.这主要是因为空气温度较高时,空气与换热器翅片表面的换热温差也较大.随着环温的升高,机组换热量增加,而由路易斯关系可知,换热量的增大也会使得传质量的增大,因而导致了结霜量的增加.环境温度从0℃升至5℃,机组的结霜量明显下降,这主要是因为蒸发温度升高,蒸发器翅片表面结霜更加困难.
2.2室外环境相对湿度对结霜的影响
图4为在环境温度—3℃,进水水温35℃下,机组在不同室外环境相对湿度一个融霜周期I每个融霜周期为40 min l的结霜量.从图中可以看到机组结霜量随着室外环境相对湿度的增加而增加,机组在50%相对湿度下机组几乎无明显霜层形成,而随着相对湿度由50%增加至100%,机组的结霜量由0.3 Kg增加至4.0 Kg.这主要是由于室外环境温度不变时,相对湿度越大,室外环境中的含湿量越大,越有利于霜层的生长.
2 3进水水温对结霜的影响
图5为机组在环境温度0℃下,相对湿度90%,机组在不同进水水温下一个融霜周期I每个融霜周期为40min l的结霜量.从图中可以看到机组结霜量随着进水温度的升高而明显降低.这主要是因为一方面随着进水温度升高,机组冷凝压力升高,导致蒸发压力上升,从而使得机组结霜困难,从而导致结霜量下降.图6为机组在进水水温30℃及进水水温50℃下机组在运行过程中吸、排气压力随时间变化图,从图中可以看到机组进水水温50℃时机组运行的吸、排气压力明显高于机组进水水温30℃时机组运行的吸、排气压力；另一方面随着进水温度升高,机组冷凝温度升高,机组运行条件恶化机组换热量下降,换热量下降必会引起传质量的下降,因而机组结霜量下降.
3．变频空气源热泵的除霜优化实验结果分析
3.1压缩机化霜运行频率对除霜的影响
为提高空气源热泵舒适度为此因尽量提高除霜速度,同时还应尽量降低机组在化霜过程中的能量损失,而变频空气源热泵机组的化霜频率是影响化霜速度及能量损失的关键因素.为此,本文实验通过改变机组压缩机化霜运行频率,记录了在其他运行条件一致的情况下机组化霜时间、机组化霜运行功率及机组在化霜过程中的能量损失.实验中通过布置在蒸发器盘管上的热电偶温度及肉眼观察换热器表面机组融霜情况来判定机组是否除霜干净,实验中观察到在机组盘管温度到达15℃时机组表面霜层完全融化干净,且无残冰积累,因此本文判定15℃为化霜终止温度.
图7为压缩机盘管温度随时间变化曲线图,从图中可以看到在化霜运行的初期机组盘管温度变化平缓,甚至在压缩机化霜频率为45 Hz时盘管温度在很长时间内都无明显升高,随着压缩机频率的增加盘管温度变化速率增加明显.同时从图8可以看到,压缩机化霜频率越高,压缩机融霜时间越短,压机化霜频率为65 Hz时机组融霜时间最短.这主要是因为四通阀换向后由于高压侧水侧换热器与低压侧气液分离器存在压差,制冷剂会迅速进入气液分离器中,由于气分没有换热功能,故压缩机只有将吸气压力抽到很低时才能使得制冷剂闪发,进而被吸入压缩机中,并逐渐转移至蒸发器中I6,7l.因此在融霜初期,由于制冷剂流量不足,霜层较厚,导致盘管温度上升缓慢.因此,增加化霜运行频率有利于制冷剂的快速转移并增加制冷剂流量将霜层快速融化.
机组化霜中的能量损失及对舒适度影响也是需考虑的关键因素.表P中统计了在不同化霜频率下,在化霜过程中所消耗的能量及化霜前后出水水温温差.表中可以看到,当压缩机化霜运行频率为55 Hz时,机组融霜所消耗的能量最小.而化霜运行频率为45 Hz时,所消耗的能量最大,这主要是因为大部分的能量并未有效利用而造成了损耗.随着频率由55由65 Hz,化霜消耗的能量也有所提高,这说明化霜频率过低或过高均不利于机组能量的有效利用.为评价不同化霜频率对舒适度的影响,本文统计了化霜前后出水水温的温差,从表中可以看到,随着频率增加出水水温温差变化越小,这主要是因为化霜时间缩短造成的.而化霜频率由55Hz变化至65 Hz,出水水温温差非常接近.过高的化霜频率也会增加运行噪声.综合以上因素,本次实验中机组化霜频率55 Hz为最佳化霜频率.
3 2电子膨胀阀开度对除霜的影响
影响机组化霜的另一个关键因素是机组的化霜时的膨胀阀开度.图9与图10分别记录机组在不同化霜膨胀阀开度下机组盘管温度变化曲线及机组运行消耗功率变化曲线.从图中可以明显看到膨胀阀开度越大,机组盘管温度上升速率越快,机组化霜时间越短.这主要是因为膨胀阀开度的增大能够提高制冷剂的流量和排气压力,进而增大制冷剂携带的能量,使得机组化霜速度加快.表3记录了机组在不同化霜膨胀阀开度下,在化霜过程中所消耗的能量及化霜前后出水水温温差.从表中可以看到,膨胀阀开度越大,化霜所消耗的能量越小、机组除霜水温变化温差越小.因此在化霜过程中适当增大膨胀阀开度,有利于提高机组化霜速度及减小能量损失,提高化霜运行舒适度.当然过大的膨胀阀开度,在恶劣的融霜工况下有有可能会由于存在无法建立系统压差,机组化霜无法正常运行的风险.
4．结论
本文研究了变频空气源热泵在低温焓差室的模拟人工环境下,机组在不同环境温度、相对湿度及进水水温下机组的结霜情况；并通过改变机组化霜时压缩机运行频率、膨胀阀开度,测试了变频空气源热泵在不同压缩机运行频率及不同膨胀阀开度下机组除霜时间、机组能量损耗、化霜前后机组出水水温温差的变化差异,主要得出了以下结论：
(1)室外环境温度、相对湿度以及机组进水水温对空气源热泵结霜都有一定的影响.在其他实验条件相同的实验条件下,由于换热温差大及传质量的增加,环温越高机组结霜量越大,而当环温过高时由于蒸发温度上升机组也不容易结霜；在其他实验条件相同的实验条件下,相对湿度与机组结霜量正相关,相对湿度越大,机组结霜量越大；随着机组进水水温升高机组蒸发压力和冷凝压力升高、机组换热量下降导致传质量下降,机组结霜量下降；
(2)机组除霜速度与压缩机除霜运行频率、机组膨胀阀开度正相关.在其它条件一致情况下,压缩机除霜运行频率越高机组除霜时间越短,机子膨胀阀开度越大机组除霜时间越短,除霜消耗能量越小；但频率的增加机组能量消耗增加同时机组运行舒适度下降,因此本次实验确定的最佳化霜频率为55 Hz.同时膨胀阀开度过大也有可能导致机组在恶劣工况时由于压差无法建立,化霜无法正常进行,因此本次实验确定的最佳化膨胀阀开度为350步.
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参考文献：
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