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(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)構(gòu)成。通過計(jì)算證明,制冷劑過冷放出的熱量遠(yuǎn)大于除霜需要的熱量。

　　空氣源熱泵處于冬季制熱工況,當(dāng)熱源側(cè)換熱器表面的溫度低于空氣露點(diǎn)溫度且低于0℃時(shí),換熱器表面可能會(huì)結(jié)霜。不少學(xué)者對(duì)除霜進(jìn)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(shí),從冷凝器出來的制冷劑仍有較高的溫度。對(duì)于冷熱風(fēng)機(jī)組來說,一般不低于32℃(20℃進(jìn)風(fēng),40℃冷凝溫度);對(duì)于冷熱水機(jī)組來說,一般不低于40℃(熱水進(jìn)水40℃)。而結(jié)霜的蒸發(fā)溫度低于0℃。制冷劑經(jīng)冷凝器進(jìn)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?fàn)顟B(tài)點(diǎn)3的制冷劑直接進(jìn)入蒸發(fā)器的結(jié)霜部位,并過冷到點(diǎn)5,再節(jié)流到點(diǎn)6,進(jìn)入蒸發(fā)器,蒸發(fā)到點(diǎn)1,進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮到點(diǎn)2,進(jìn)入冷凝器冷凝到點(diǎn)3,這構(gòu)成了附加過冷除霜的制熱循環(huán)。

　　2·計(jì)算分析

　　先計(jì)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(jì)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(diǎn)3和點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的焓值(kJ/kg)。按照假設(shè)條件,點(diǎn)3和點(diǎn)5對(duì)應(yīng)的溫度分別為32℃和20℃。使用軟件Solkane5.0計(jì)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(diǎn)1和點(diǎn)6對(duì)應(yīng)的焓值(kJ/kg)。蒸發(fā)器中制冷劑和空氣的平均對(duì)數(shù)溫差按10℃計(jì)算,則計(jì)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(jì)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(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(shí)所對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器風(fēng)量為：

　　蒸發(fā)器在0℃以上時(shí),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(duì)應(yīng)R22流量為1kg/s時(shí)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(gè)有4個(gè)流程的翅片式換熱器除霜系統(tǒng)。

　　制熱時(shí),4個(gè)電磁閥(L,M,N和P)只打開一個(gè),由換熱器(此時(shí)為冷凝器)出來的液態(tài)制冷劑,從打開的電磁閥進(jìn)入翅片換熱器進(jìn)行過冷放熱除霜,再進(jìn)入與打開電磁閥所對(duì)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(jìn)入集液管J,再經(jīng)節(jié)流閥R進(jìn)入分配器K,經(jīng)過單向閥進(jìn)入余下的a,b,c和d中的3個(gè)管路進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā),氣態(tài)制冷劑進(jìn)入對(duì)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(jìn)入翅片換熱器的下部進(jìn)行融霜,從p管路進(jìn)入氣液分離器H,從出液口出來經(jīng)過單向閥由管路r進(jìn)入集液管J,再經(jīng)過節(jié)流閥R進(jìn)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(jìn)入翅片換熱器,蒸發(fā)后的氣體分別從管路e,h和m進(jìn)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(shí),4個(gè)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(jìn)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(jìn)入節(jié)流閥S,減壓后的制冷劑進(jìn)入換熱器,再經(jīng)過四通換向閥回到壓縮機(jī)。

　　制冷電磁閥的價(jià)格比較昂貴,可用價(jià)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(jì)、制造。

　　制熱時(shí),處于過冷管路的氣液分離器,過冷液體從混合管進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(shí),從壓縮機(jī)出來的制冷劑氣體從頂部氣管進(jìn)入,此時(shí)活塞處于底部并密封液管,氣體從混合管流出進(jìn)入翅片式換熱器。

　　4·特點(diǎn)

　　與其他除霜型式相比,筆者所提出的系統(tǒng)有以下特點(diǎn):

　　1)在正常制熱的同時(shí)進(jìn)行除霜,不影響采暖。

　　2)除霜時(shí)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(shì),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(bǔ)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(shí)間的長(zhǎng)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(shí),就將霜除掉,從而使機(jī)組在無霜狀態(tài)下運(yùn)行。

　　5·結(jié)束語

　　制冷劑過冷所放出的熱量遠(yuǎn)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(diǎn),是一種可選用的新的除霜方式。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(jī)電信息,2008(22):46-49.

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