摘　要：提出利用制冷劑過冷所放出的熱量來解決空氣源熱泵冬季結(jié)霜問題的方法,并給出實現(xiàn)該方法的系統(tǒng)構(gòu)成。通過計算證明,制冷劑過冷放出的熱量遠大于除霜需要的熱量。

　　空氣源熱泵處于冬季制熱工況,當熱源側(cè)換熱器表面的溫度低于空氣露點溫度且低于0℃時,換熱器表面可能會結(jié)霜。不少學(xué)者對除霜進行了研究,如空氣除霜、電熱除霜和熱氣除霜等。筆者提出一種新的除霜方式以供選擇。

　　1·原理

　　制熱時,從冷凝器出來的制冷劑仍有較高的溫度。對于冷熱風機組來說,一般不低于32℃(20℃進風,40℃冷凝溫度);對于冷熱水機組來說,一般不低于40℃(熱水進水40℃)。而結(jié)霜的蒸發(fā)溫度低于0℃。制冷劑經(jīng)冷凝器進入蒸發(fā)器這一段有較大的顯熱可以用來除霜。正常的制冷劑循環(huán)是1—2—3—4—1(見圖1)。

　　如果使狀態(tài)點3的制冷劑直接進入蒸發(fā)器的結(jié)霜部位,并過冷到點5,再節(jié)流到點6,進入蒸發(fā)器,蒸發(fā)到點1,進入壓縮機壓縮到點2,進入冷凝器冷凝到點3,這構(gòu)成了附加過冷除霜的制熱循環(huán)。

　　2·計算分析

　　先計算制冷劑過冷放出的熱量能否滿足化霜需要的熱量。

　　R22制冷劑質(zhì)量流量以1kg/s計算。

　　因空氣結(jié)霜的可能范圍為-12.8℃

　　按圖1,用于除霜的熱量為

　　qf=h3-h5(1)

　　式中:h3和h5分別為點3和點5對應(yīng)的焓值(kJ/kg)。按照假設(shè)條件,點3和點5對應(yīng)的溫度分別為32℃和20℃。使用軟件Solkane5.0計算得h3=239.35kJ/kg ,h5=224.29kJ/kg,因此

　　qf=239.35-224.29=15.06(2)

　　蒸發(fā)器中的蒸發(fā)熱量為 qo=h1-h6(3) 式中:h1和h6分別為點1和點6對應(yīng)的焓值(kJ/kg)。蒸發(fā)器中制冷劑和空氣的平均對數(shù)溫差按10℃計算,則計算制冷劑的蒸發(fā)溫度為-7.4℃。設(shè)制冷劑的蒸發(fā)過熱度為11℃,用Solkane5.0計算得h1=415.13kJ/kg。節(jié)流前后焓值不變:h5=h6,代入式(3)得

　　qo=145.13-224.29=190.84(4)

　　使用“天正暖通7.5”計算標準大氣壓下空氣狀態(tài)參數(shù)為:

　　hr=18.76kJ/kg干空氣

　　dr=5.14g/kg干空氣

　　hc=9.44kJ/kg干空氣

　　dc=3.77g/kg干空氣

　　式中:hr和dr分別為蒸發(fā)器入口處的焓值和含濕量;hc和dc分別為蒸發(fā)器出口處的焓值和含濕量。R22流量為1kg/s時所對應(yīng)的蒸發(fā)器風量為：

　　蒸發(fā)器在0℃以上時,其中的水分就開始析出,但在往下流的過程中不斷被冷卻。設(shè)其在流到水盤之前已經(jīng)結(jié)霜,結(jié)霜量為

　　m=g(dr-dc) (6)

　　  水的凝固熱為qs=335kJ/kg[2],對應(yīng)R22流量為1kg/s時所需的融霜熱量為

　　qm=335m/1 000(7)

　　將相關(guān)數(shù)值代入式(5)~式(7)得

　　qm=9.397kJ/kg (8)

　　比較式(2)與式(8)得qf>qm,即制冷劑的過熱量足以融化蒸發(fā)器表面的霜。

　　3·系統(tǒng)流程

　　圖2為一個有4個流程的翅片式換熱器除霜系統(tǒng)。

　　制熱時,4個電磁閥(L,M,N和P)只打開一個,由換熱器(此時為冷凝器)出來的液態(tài)制冷劑,從打開的電磁閥進入翅片換熱器進行過冷放熱除霜,再進入與打開電磁閥所對應(yīng)的氣液分離器(E,F,G或H)。從氣液分離器出液口出來的制冷劑進入集液管J,再經(jīng)節(jié)流閥R進入分配器K,經(jīng)過單向閥進入余下的a,b,c和d中的3個管路進入蒸發(fā)器蒸發(fā),氣態(tài)制冷劑進入對應(yīng)的氣液分離器,然后從出氣口匯集到集氣管I。

　　如果電磁閥P打開,L,M和N關(guān)閉,則從換熱器出來的液態(tài)制冷劑,從管路d進入翅片換熱器的下部進行融霜,從p管路進入氣液分離器H,從出液口出來經(jīng)過單向閥由管路r進入集液管J,再經(jīng)過節(jié)流閥R進入分配器K,因管路v中的單向閥關(guān)閉,故節(jié)流后的制冷劑經(jīng)管路s,t和u流過單向閥,分別從管路a,b和c進入翅片換熱器,蒸發(fā)后的氣體分別從管路e,h和m進入氣液分離器E,F和G,并從其出氣口分別經(jīng)管路g,k和o匯集到集氣管I。

　　制冷時,4個電磁閥全部打開,高溫氣態(tài)制冷劑經(jīng)氣液分離器E,F,G和H,從管路e,h,m和p進入翅片換熱器。冷凝后的液態(tài)制冷劑經(jīng)管路a,b,c和d,電磁閥L,M,N和P進入節(jié)流閥S,減壓后的制冷劑進入換熱器,再經(jīng)過四通換向閥回到壓縮機。

　　制冷電磁閥的價格比較昂貴,可用價格比較便宜的四通換向閥與單向閥的組合來代替。圖2中的氣液分離器既要可靠工作,又不能太昂貴,可以按圖3所示結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造。

　　制熱時,處于過冷管路的氣液分離器,過冷液體從混合管進入分離器。活塞在彈簧的彈力和浮力的雙重作用下向上移動并密封氣管,液體從底部液管流出;處于翅片換熱器蒸發(fā)回路中的氣液分離器,蒸發(fā)后的制冷劑氣體從混合管進入,活塞的重力大于彈簧與氣體浮力的合力,活塞下移并密封底部液管,氣體從頂部氣管流出。

　　制冷時,從壓縮機出來的制冷劑氣體從頂部氣管進入,此時活塞處于底部并密封液管,氣體從混合管流出進入翅片式換熱器。

　　4·特點

　　與其他除霜型式相比,筆者所提出的系統(tǒng)有以下特點:

　　1)在正常制熱的同時進行除霜,不影響采暖。

　　2)除霜時雖然蒸發(fā)器的蒸發(fā)換熱面積有所減小,使制熱量有降低的趨勢,但過冷度的增加將減少節(jié)流后的氣體閃發(fā)量,使液態(tài)制冷劑比重加大,增加吸熱量,從而彌補換熱面積的減小帶來的制熱量損失。

　　3)通過設(shè)置不同電磁閥開啟時間的長短,可以更好地適應(yīng)翅片換熱器在不同環(huán)境、不同部位的除霜需求。

　　4)除霜不需要任何其他能量。

　　5)設(shè)置在微霜時,就將霜除掉,從而使機組在無霜狀態(tài)下運行。

　　5·結(jié)束語

　　制冷劑過冷所放出的熱量遠大于除霜需要的熱量,制冷劑過冷除霜過程具有其自身的特點,是一種可選用的新的除霜方式。

　　參考文獻

　　[1]鄭爽,崔榕健,陳兆濤,等.高濕地區(qū)空氣源熱泵除霜技術(shù).機電信息,2008(22):46-49.

　　[2]化學(xué)工程手冊.1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1989:1-244.