空氣溫濕度對空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

目前，國內(nèi)外對空氣源熱泵的除霜方法進行了大量研究。在文獻中，本文研究了空氣源熱泵系統(tǒng)的特性，并分析了霜封液對冷熱系統(tǒng)性能的影響。在文獻中，建立了基于實驗的空氣源熱泵除霜數(shù)學(xué)模型。在文獻中，我們研究了抗凍性過程和開口結(jié)構(gòu)對抗凍性葉片的影響。然而，在除冷風(fēng)的過程中，由于缺乏冷卻系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)缺乏低溫度的源，因此除霜時泵的吸力壓力低，除霜時間長。在重結(jié)霜的情況下，除霜問題是不完整和不完整的。除霜問題嚴重影響了空氣源熱泵的性能和可靠性。文獻提出了一種基于可變蓄能的新除霜系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖1所示。在這項工作中，我們研究了可變蓄熱器對加熱性能的影響，并確定了系統(tǒng)的最佳蓄熱模式。文獻研究了空氣源熱泵除霜模式對除霜速度的影響，并認為交換僅除霜是最佳除霜模式。在這項工作中，我們進行了關(guān)于室外空氣溫度和濕度對消除外部熱泵葉片的影響的實驗研究。1設(shè)備和條件1.1空氣溫度和濕度測量室外環(huán)境模擬小室空氣處理系統(tǒng)主要有空氣冷卻、加熱和加濕3部分組成.模擬小室降溫通過制冷量為4.5kW的移動冷水機組和冬季室外低溫自然冷實現(xiàn).加濕由兩臺加濕量為300g/h的超聲波加濕器實現(xiàn),可通過對電壓的調(diào)節(jié)實現(xiàn)加濕速度的調(diào)節(jié).在本文實驗中,室外機空氣溫度測量精度為±0.25℃,相對濕度測量精度為±2%,室內(nèi)機的入口平均空氣溫度控制在(19.5±0.5)℃.1.2實驗設(shè)計與材料該系統(tǒng)由1臺分體采用R22作為制冷劑的熱泵型房間空調(diào)器改造而成,其額定制熱量為2.5kW,制冷量為2.3kW,額定功率0.86kW.為達到迅速吸放熱的目的,必須增大相變材料與制冷劑之間的換熱面積.本實驗設(shè)計出雙螺旋盤管套筒形蓄熱器.蓄熱器由內(nèi)外兩套筒組成,將兩個不同直徑的螺旋盤管置于兩套筒之間(長度分別為5.70、6.67m),相變材料充注于雙螺旋盤管和內(nèi)外套筒之間構(gòu)成的3個夾層空間(容積為1.869mL),結(jié)構(gòu)如圖2所示(實線和虛線箭頭分別為蓄熱和除霜工況制冷劑的流向).相變材料對蓄能除霜性能有重要影響.經(jīng)篩選,采用質(zhì)量分數(shù)為2%的SrCl2·6H2O和Ba(OH)2·6H2O溶液作為添加劑的CaCl2·6H2O溶液作為蓄熱材料.多次試驗發(fā)現(xiàn)采用1L相變材料即可基本滿足實驗工況的除霜需要,因此本文除霜實驗中采用的液相CaCl2·6H2O溶液的體積為1L,各工況結(jié)霜時間均為90min.1.3除霜前后溫度與濕度的測試為研究空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的動態(tài)特性,分別在壓縮機的吸排口、毛細管和室外換熱器之間布置壓力傳感器和溫度傳感器.此外,還在室外換熱器的吸排風(fēng)處布置了溫度傳感器、濕度傳感器和風(fēng)速傳感器,用以測量室外換熱器進出口空氣狀態(tài)和風(fēng)量.在室外換熱器的管壁上布置4個代表4個典型的測試區(qū)域的溫度測點以觀察在除霜過程中室外機管壁溫度的變化.本實驗選用溫度傳感器精度為±0.1℃,壓力傳感器精度為0.25級,濕度傳感器精度為±1.5%.實驗測點布置如圖1所示(T、p、H分別代表溫度、壓力和相對濕度測點).2表面溫度型.反復(fù)實驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)室外機表面溫度升至50℃時才能保證室外機表面水有少量的水蒸氣逸出.因此本實驗除霜時采用室外機表面溫度升至50℃作為除霜終止的判斷依據(jù).2.1空氣溫度對系統(tǒng)運行的影響研究表明,空氣源熱泵溫度為-5～5℃,相對濕度在70%以上氣象條件下運行時室外換熱器表面最易結(jié)霜.因此本文研究中保證空氣相對濕度為80%,分別對空氣溫度在-5、-3、-1、1、3、5℃時進行實驗研究.2.1.1空氣溫度對除霜效率的影響圖3為空氣相對濕度為80%,不同空氣溫度時除霜過程中壓縮機排氣壓力隨時間的變化.由圖可知,除霜過程中,壓縮機的排氣壓力先降低后升高,且室外空氣溫度越高,升高速度越快.比較還可以發(fā)現(xiàn),各種空氣溫度下,系統(tǒng)的除霜所需時間隨著空氣溫度的降低先增長后縮短.比如,當(dāng)空氣溫度分別為5、-3、-5℃時,除霜時間分別為182、393、332s.分析原因,溫度為0～5℃時,隨著空氣溫度的降低室外換熱器結(jié)霜量增多,而除霜過程中室外換熱器由自然對流導(dǎo)致的向環(huán)境散熱也越來越多,導(dǎo)致除霜時間增長.當(dāng)越過結(jié)霜量最多溫度點(0℃)后,雖然結(jié)霜量變少,但空氣溫度越來越低,導(dǎo)致除霜時間并未隨結(jié)霜量的減少而減少,反而增長.隨著空氣溫度的降低,結(jié)霜量減少,結(jié)霜量對除霜速度的影響超過空氣溫度的影響,因此-5℃時除霜時間比-3℃時有所縮短.圖4為相對濕度為80%,不同空氣溫度時,除霜過程中壓縮機吸氣壓力隨時間的變化.由于系統(tǒng)高低壓轉(zhuǎn)換,在除霜初始30s內(nèi)壓縮機吸氣壓力迅速上升之后迅速下降至最低點,然后又經(jīng)歷了回升和再降低的過程.由圖可知,除霜過程中,空氣溫度越高壓縮機的吸氣壓力越高.實驗發(fā)現(xiàn),由于增加了相變蓄熱器,即使-3℃工況下,除霜結(jié)束時壓縮機的吸氣壓力保持在0.4MPa,遠高于壓縮機的低壓保護值(實際中通常設(shè)定為0.10～0.15MPa).因此,相變蓄熱器可有效提高壓縮機的吸氣壓力,避免保護性停機.2.1.2結(jié)霜期溫度穩(wěn)定圖5為相對濕度為80%,不同空氣溫度時,除霜過程中室外機翅片管表面平均溫度隨時間的變化.由圖可知,對于5、-3、-5℃時的工況,由于表面結(jié)霜量比較少,融霜時間非常短,和其他工況相比不存在溫度保持穩(wěn)定的階段,而是直接升高.對于其他工況,室外機壁溫先升高,后保持不變,然后再迅速升高且升高速度越來越慢.分析原因:除霜初始階段,蒸發(fā)器被加熱,溫度迅速升高,當(dāng)升高至0℃時,霜層開始融化,因此在一段時間內(nèi)溫度保持穩(wěn)定.當(dāng)霜層完全被融化后,翅片管被加熱,溫度迅速升高.隨著溫度的升高,翅片管和環(huán)境間的溫差越來越大,自然對流損失所占比重增大,因此升高速度減慢.2.1.3不同濕度下的壓縮機能耗比較.圖6、7分別為相對濕度為80%,不同空氣溫度時,除霜過程中壓縮機功率隨時間的變化和壓縮機能耗隨溫度的變化.由圖可知,在除霜初始30s內(nèi),壓縮機功率迅速降低至最低點,約為400～500W,然后又逐漸升高.當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃時,壓縮機的能耗在除霜后期保持緩慢的穩(wěn)定增長.對比7種工況壓縮機耗功可知,在本實驗條件下,當(dāng)相對濕度為80%時,在空氣溫度為-3～5℃時,壓縮機在整個除霜過程中能耗隨著空氣溫度的降低而逐漸增高.由于-5℃時結(jié)霜量少于-3℃時的工況,導(dǎo)致-5℃時系統(tǒng)能耗比-3℃時能耗減少約50kJ.理論分析知,溫度一定時,結(jié)霜量隨相對濕度的增加而增加,而除霜時滯留霜水的蒸發(fā)速度由于相對濕度的增加而減小,必然導(dǎo)致滯留水蒸干時間延長,對流散熱損失增加.因此,可認為當(dāng)濕度一定時,-3℃時的工況為本實驗條件下設(shè)計相變蓄熱器的最不利工況.2.1.4相變材料溫度圖8為相對濕度為80%,不同空氣溫度時,除霜及系統(tǒng)再次蓄熱過程中相變材料溫度隨時間的變化.由圖可知,在除霜初始時刻室外空氣溫度越高相變材料溫度越高.隨著除霜的繼續(xù),相變材料溫度迅速降低.對于5℃和3℃時的工況,由于除霜時間較短,相變材料初始溫度較高,除霜結(jié)束時相變材料溫度還未低于相變溫度.對于其他4種工況,相變材料最終溫度均低于相變溫度,其中3℃工況相變材料溫度最低.由相變材料溫度變化可知,所設(shè)計相變蓄熱器基本可以滿足除霜的需要.除霜結(jié)束后,系統(tǒng)恢復(fù)供熱(蓄熱),相變材料溫度逐漸升高,其中平緩區(qū)意味著相變材料正發(fā)生相變,越過相變溫度點后,相變材料溫度迅速升高.結(jié)合圖7壓縮機除霜能耗可知,應(yīng)當(dāng)把-3℃作為實驗條件下相變蓄熱器設(shè)計的最不利工況溫度.2.2空氣濕度對結(jié)霜溫度的影響研究表明,當(dāng)空氣相對濕度一定時,空氣溫度為0～3℃時,空氣源熱泵室外換熱器結(jié)霜最為嚴重.因此,為研究相對濕度對除霜時間、相變材料溫度及壓縮機能耗的影響,結(jié)霜時保證空氣溫度為1℃,分別對空氣濕度為55%,60%,70%,80%,85%時的工況進行研究.2.2.1濕度對除霜時間的影響圖9為室外空氣溫度為1℃,除霜時間和除霜結(jié)束時相變材料溫度隨相對濕度的變化.由圖可知,隨著室外空氣相對濕度的增大除霜時間逐漸增長.當(dāng)相對濕度為55%時,由于結(jié)霜量非常少,將室外換熱器升高至50℃僅需150s,除霜時間較短,除霜結(jié)束時相變材料溫度為31℃,未發(fā)生相變.隨著相對濕度的增大,除霜時間逐漸升高,當(dāng)相對濕度升至85%時,除霜時間增至270s,除霜結(jié)束時相變材料溫度僅為0.6℃,蓄能略有不足.2.2.2不同相對濕度時,空氣濕度對.圖10為室外空氣溫度為1℃,除霜能耗隨相對濕度的變化.隨著室外空氣相對濕度的增大除霜過程壓縮機能耗逐漸增大.當(dāng)相對濕度為55%時,由于結(jié)霜量非常少,除霜過程壓縮機能耗僅為116kJ.隨著相對濕度的增大,除霜時間逐漸增長.當(dāng)相對濕度升至85%時,除霜過程壓縮機能耗增至206kJ.因此,在設(shè)計相變蓄熱器時,應(yīng)充分考慮熱泵所應(yīng)用地域空氣相對濕度,避免出現(xiàn)蓄熱不足情況.3空氣濕度對除霜效果的影響1)對空氣溫濕度對空氣源熱泵相變蓄能除霜系統(tǒng)的除霜特性、除霜時間及能耗的影響進行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)在保持室外空氣溫度不變時,隨著室外空氣濕度的增大除霜所需時間逐漸增長,除霜能耗逐漸增加.2)當(dāng)空氣相對濕度一定時,除霜時間隨著空氣溫度的降低先增長后減少,除霜能耗先增大后減少,其中-3℃工況為