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源热泵机组除霜性能试验
发布日期:2011-3-18   浏览次数:2309

    为了研究不同节流机构、不同除霜方式对空气源热泵机组除霜性能的影响,在空气源热泵机组上对热力膨胀阀、电子膨胀阀作为除霜节流机构,以及采用“四通换向阀直接换向除霜”和“压缩机停机四通换向阀换向除霜”2 种除霜方式,进行了试验比较研究。结果表明:采用电子膨胀阀的除霜时间比热力膨胀阀的短12 s ,即减少11 %。笔者提出采用电子膨胀阀+ 压缩机停机四通换向阀换向除霜模式的结合,具备四通换向阀换向除霜的除霜强度,解决了“奔油”等部分缺陷,而且采用电子膨胀阀进行除霜可缩短部分除霜时间。

    空气源热泵冷热水机组以其节水、冷热兼用、安装灵活、使用方便等特点受到了市场的广泛青睐,在我国大部分地区得到了广泛的应用。但空气源热泵机组在冬季制热运行时遇到的最大问题是蒸发器结霜、除霜。长期以来,许多科研人员对空气源热泵的除霜问题从不同角度进行了深入研究。同济大学的陈汝东等人采用贮液器内高压液体瞬间降压产生的饱和气体进行除霜,并且通过试验对于这种除霜的方法进行了试验验证[1 ] ; 清华大学的石文星等人针对房间空调器通过对不同阻力的旁通电磁阀除霜进行试验研究,发现利用热气旁通法除霜可以较大程度地改善室内舒适性[2 ] 。东南大学的梁彩华等人[3 ] 对显热旁通除霜进行了分析,并与四通换向阀逆向除霜进行了试验比较,发现显热旁通法除霜从除霜到系统恢复到除霜前的时间略少,同时水温下降幅度小;但是从除霜时间(进入除霜瞬间到退出除霜瞬间) 来看,四通换向阀逆向除霜为150 s ,显热除霜法除霜为280 s ,显热除霜法除霜时间要长130 s。

    虽然许多企业及科研人员仍在不断探索有效、先进的除霜控制,但目前空气源热泵冷机组仍以四通换向阀逆向除霜为主。从西安交通大学的王东等人对于用<22 mm铜管和热力膨胀阀的四通换向阀逆向除霜控制进行的试验结果看,采用<22 mm铜管除霜比热力膨胀阀时间少40 s[4 ] 。笔者对采用电子膨胀阀、热力膨胀阀进行压缩机停机四通换向阀换向除霜和四通换向阀直接换向除霜进行了试验研究。

 1  试验装置

    笔者制作了2 台相同配置(除节流元件部分、储液器) 的试验样机。试验样机采用双压缩机双制冷系统,笔者对样机系统原理图作了简化处理,只表示单个压缩机的系统原理,见图1 和图2 。从系统原理图中可以看出:采用热力膨胀阀节流的系统原理图为常规的双膨胀阀系统原理图(即制冷、制热采用不同的热力膨胀阀节流) ,采用电子膨胀节流的系统原理图由于采用双向的电子膨胀阀和双向的干燥过滤器,使制冷系统简单了很多。这2 台样机有如下主要配件完全相同:全封闭涡旋压缩机、翅片式换热器、套管换热器、冷凝器风叶及电机、气液分离器、四通换向阀。

分别在每个制冷系统的压缩机排气口和吸气口布置了测温点,即每台样机有两个排气温度和两个回气温度测点,其中1 # 排气与1 # 回气对应1# 压缩机,2 # 也分别对应。温度测量是采用铂电阻的温度变送器,将温度信号转化为4~20 mA 的标准电信号,在通过美国吉士利数据采集仪和计算机将所测的瞬间值转化为温度,并记录保存,同时自动生成曲线。

2  除霜控制

    笔者采用2 种不同的节流机构以及2 种不同的四通换向阀转换除霜方式。节流机构是热力膨胀阀和电子膨胀阀。除霜模式是四通换向阀直接换向除霜和压缩机停机四通换向阀换向除霜。样机1 (热力膨胀阀) 除霜控制要求如下:

 1) 以环境温度2 ℃的控制逻辑为基准。

 2) 达到除霜条件时,停室外风机,并马上进入四通换向阀直接转换除霜。

 3) 进入化霜条件,同时满足以下3 个条件:

a. 压缩机累计运行45 分钟以上;

b. ( T外环- T外管) ≥8 ℃;

c. T外管≤- 10 ℃。

 4) 退出化霜条件,满足以下任一个条件:

 a. 高压开关断开(出现高压保护) ;

 b. T外管≥16 ℃

c. 化霜时间超过8 分钟。

样机2 (电子膨胀阀) 除霜控制要求如下:

 1) 以环境温度2 ℃的控制逻辑为基准。

 2) 达到除霜条件时,停室外风机、压缩机及四通阀断电,38 秒后压缩机启动开始化霜。化霜结束时,停压缩机,20 秒后进入制热运行。

 3) 进入化霜条件,同时满足以下3 个条件:

 a. 压缩机累计运行45 分钟以上;

b. ( T外环- T外管) ≥8 ℃;

 c. T外管≤- 10 ℃。

当电子膨胀阀对应系统进入化霜时,电子膨胀阀开度开到最大500 步,持续最大开度60 秒后,开度调整为340 步,并按制冷工况进行,开度自动调整。

 4) 退出化霜条件,满足以下任一个条件:

a. 高压开关断开(出现高压保护) ;

 b. T外管≥16 ℃;

c. 化霜时间超过8 分钟。

3 、试验结果与分析试验工况是根据GB/ T 18430. 1 - 2001 中热泵制热融霜工况的要求执行。本试验样机1 (热力膨胀阀) 采用“四通换向阀直接换向除霜”模式,试验样机2 (电子膨胀阀) 采用“压缩机停机四通换向阀换向除霜”模式。图3~图6 所示各个测点的变化曲线由美国吉士利数据采集器采集,并通过计算机处理生成的曲线。电脑每次采集的间隔时间为10 s。图中横坐标是表示时间。纵坐标中“系统温度”包括排气温度、吸气温度;“功率”为机组整机运行功率;“水温”为机组进出水温度;“能力”为机组的制热量。 从图3 可以看出,每个除霜结束时有个停机过程,该原因是由于样机的控制器程序有误,即四通换向阀直接换向除霜中除霜结束后机组停机140 s ,以下分析中扣除该部分时间。样机1 (热力膨胀阀) 整个除霜周期(从除霜开始到下个除霜开始) 时间是2 845 s。  

     从图4可以看出,样机2 (电子膨胀阀) 整个除霜周期时间是2 928 s。由于样机2 采用“压缩机停机四通换向阀换向除霜”模式,其中包括进入除霜阶段压缩机停止工作38 s ,退出除霜阶段压缩机停止工作20 s ,整个除霜周期比样机1 (热力膨胀,四通换向阀直接换向除霜) 长83 s。比较图3 和图4 可以得到,采用电子膨胀阀节流的样机中两个制冷系统排气温度几乎相同,而热力膨胀阀节流的样机中两个制冷系统排气温度约相差5 ℃。同时从制热量曲线及回气温度来看,电子膨胀阀调节灵敏度及反应速度远高于热力膨胀阀。图5 、图6 的除霜瞬间各取至于图3 、图4 中第2 个除霜阶段,以尽量保证试验对比的一致性。图5 中“, a →b”为有效除霜时间120 s“, b →c”为控制器逻辑问题,停机140 s ,不计入分析。图6 中,“a→b”为“机组停机四通换向阀转换除霜”模式中进入除霜停压缩机38 s。“b →c”为有效除霜时间108s。“c →d”为退出除霜后停压缩机20 s。从上可以看出,电子膨胀阀的有效除霜时间比热力膨胀阀的短12 s ,即减少11 %。采用电子膨胀阀+ 压缩机停机四通换向阀换向除霜的除霜时间只比热力膨 胀阀+ 四通换向阀直接

换向除霜长46 s。“四通换向阀直接换向除霜”存在制冷系统“奔油”现象,同时会降低系统的可靠性和使用寿命。而“压缩机停机四通换向阀换向除霜”避免了制冷系统原有高低压直接切换(即不会出现“奔油”现象) ,降低了由高低压直接切换带来的系统的不可靠性和使用寿命的影响,同时又保留了四通换向阀换向除霜的强度,只是除霜时间增加了58 s 的停机时间。该除霜控制逻辑结合电子膨胀阀节流元件可发挥理想的作用。从试验结果看,电子膨胀阀+ 压缩机停机四通换向阀换向除霜样机的一个除霜周期中制热运行时间是2 762 s ,只比热力膨胀阀+ 四通换向阀直接换向除霜的样机长37 s。

 4  结 论

1) 对采用不同节流机构(热力膨胀阀、电子膨胀阀) 对空气源热泵机组除霜性能的影响进行了对比试验。试验表明:采用电子膨胀阀的除霜时间比热力膨胀阀短12 s ,即减11 %。

2) 由于四通换向阀直接换向除霜具有除霜快、除霜强度大等优点,但存在制冷系统“奔油”现象等缺点。笔者提出采用“机组停机四通换向阀换向除霜”,既保留了除霜强度大等优点,又避免了制冷系统“奔油”现象,只是除霜时间中增加了58 s。

3) 试验表明:压缩机停机四通换向阀换向除霜控制逻辑结合电子膨胀阀节流元件可发挥理想的作用。在一个除霜周期中,其制热运行时间比热力膨胀阀+ 四通换向阀直接换向除霜的样机长37 s。其除霜时间只比热力膨胀阀+ 四通换向阀直接换向除霜长46 s。

4) 采用电子膨胀阀+ 压缩机停机四通换向阀换向除霜已应用于空气源热泵机组,并已批量生产1 年。

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