改進熱泵式空調(diào)器除霜的研究及教學應用

何寧芝

熱泵式空調(diào)器作為一種環(huán)保、節(jié)能的冷熱兩用空調(diào)器,能有效地實現(xiàn)夏天制冷和冬天制熱,目前已被推廣使用,并有著廣泛的市場。但其自身特點導致在使用中具有局限性,主要問題就是,在冬季氣溫較低且相對濕度較大的地區(qū)制熱運行時,蒸發(fā)器會結(jié)霜。霜層不僅會形成附加熱阻,而且會增加空氣流動阻力,導致風機流量減少,使熱泵系統(tǒng)性能惡化,甚至影響其正常工作,嚴重時還會引起壓縮機燒毀等故障。因此,為了保證熱泵式空調(diào)器可靠、高效地工作,必須對其進行周期性除霜。然而由于目前市面上各種除霜方法都存在缺陷,在制冷與空調(diào)行業(yè)當中關(guān)于熱泵式空調(diào)器的除霜問題依然是一個熱門的研究課題。

筆者十多年擔任技工學校制冷與空調(diào)專業(yè)教師,在教學過程中對熱泵式空調(diào)器的除霜方法進行了深入研究和不斷試驗,通過反復研究、試用,終于探索出一種簡易的除霜方法。這種方法具有明顯的實效性,為技工學校制冷專業(yè)的學生提供了一個更廣闊的知識空間,同時也拓展了他們的創(chuàng)造性思維。

一、常用的除霜方法

熱泵式空調(diào)器除霜的方法有多種,目前常用的一種方法是利用關(guān)停風扇原理,在需要除霜時將空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為制冷模式運行,依靠制冷劑冷凝時釋放出的熱量為室外側(cè)換熱器融霜。這種除霜方法存在以下幾方面的弊端:

第一,換熱器與霜層熱量傳遞的方式主要為導熱和輻射,然而疏松的霜層是熱的不良導體。一方面外層的霜不能及時融化導致除霜過程緩慢;另一方面,制冷劑冷凝過程中產(chǎn)生的熱量不能被充分吸收,可能導致冷凝壓力過高,影響空調(diào)系統(tǒng)的正常工作。

第二,當霜層較厚時,一旦附著在換熱器表面的霜融化,與換熱器間形成空隙,換熱器就無法通過導熱的方式向霜層傳熱,最終可能形成難以去除的空鼓霜殼。

第三,室外側(cè)換熱器初期只在進風側(cè)結(jié)霜,只有在反復除霜不盡、霜層越積越厚時,才有可能在換熱器出風側(cè)結(jié)霜。所以通常除霜時室外側(cè)換熱器非結(jié)霜側(cè)的溫度較高,非結(jié)霜側(cè)附近的空氣被加熱后溫度上升而未用于結(jié)霜側(cè)的除霜。

第四,霜層融化后的水滲入換熱片的縫隙,在換熱片表面被加熱蒸發(fā),帶走熱量的結(jié)果是降低了換熱器表面的溫度,浪費能源的同時影響了除霜效果。

第五,這種除霜方法在除霜過程中空調(diào)系統(tǒng)實際已轉(zhuǎn)換成制冷模式,除霜時間越長則熱量損失越多,導致熱泵制熱效率下降。

二、改進除霜方法

1.方法簡介

為了對上述除霜方法進行有效的改進,筆者通過與學校制冷教研組專業(yè)老師的共同深入研究和多次試驗,發(fā)現(xiàn)在不改變熱泵結(jié)構(gòu)的基礎上加裝接觸器、中間繼電器、時間繼電器和壓力開關(guān),在除霜過程中啟動風扇反轉(zhuǎn)按原風扇相反的方向送風,強制使空氣由非結(jié)霜側(cè)進入室外側(cè)換熱器并向結(jié)霜側(cè)流動,將被加熱的空氣吹向霜層。實踐證明,這種方式不但能快速有效地除霜,對因長期除霜不盡最終結(jié)成的冰殼也能迅速去除,因而提高了熱泵的制熱效率,節(jié)約了能源。

這種除霜方式充分利用室外側(cè)換熱器的熱量,依靠對流、導熱、輻射三種方式同時融霜,而對流傳熱融霜的效率明顯優(yōu)于導熱和輻射,因而除霜迅速徹底,同時解決了除霜過程中可能產(chǎn)生的冷凝壓力過高的問題。反向送風產(chǎn)生的氣流還能阻止融霜產(chǎn)生的水向換熱片縫隙中滲透,減少水在換熱片表面蒸發(fā)帶走熱量產(chǎn)生的不良影響。如果附著在換熱器表面的霜被融化,與換熱器間形成空隙,導熱傳熱雖然停止,但對流和輻射傳熱仍在進行,風壓還能促使霜殼瓦解脫離換熱器表面。

2.具體試驗方法

在熱泵內(nèi)安裝啟動(或停止)風扇正、反轉(zhuǎn)的電路,如圖1和圖2所示。

圖1為普通三相異步電動機通過交流接觸器的切換,調(diào)換兩相電源啟動或停止時正、反轉(zhuǎn)風扇的電路原理圖。當風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K斷開,風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K閉合時,風扇電動機3得電正轉(zhuǎn);當風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K斷開,風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K閉合時,風扇電動機3得電反轉(zhuǎn);當觸點1K和觸點2K同時斷開時,風扇電動機3失電停轉(zhuǎn)。

圖2為單向電動機通過交流接觸器的切換改變相電源的接入方式啟動或停止時正、反轉(zhuǎn)風扇的電路原理圖。當風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K斷開,風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K閉合時,風扇電動機3得電正轉(zhuǎn);當風扇電動機交流接觸器1的常開觸點1K斷開,風扇電動機交流接觸器2的常開觸點2K閉合時,風扇電動機3得電反轉(zhuǎn);當觸點1K和觸點2K同時斷開時,風扇電動機3失電停轉(zhuǎn)。

在空調(diào)機內(nèi)加裝經(jīng)過改裝的控制風扇正反轉(zhuǎn)的電路,參見圖3。

熱泵制熱運行時,其控制電路輸出原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常開觸點4K閉合,時間繼電器5得電,延時后時間繼電器5的常開觸點5K閉合,此時風扇電動機交流接觸器2的常閉觸點2b閉合,風扇電動機交流接觸器1得電,其常開觸點1K閉合,風扇電動機3得電正轉(zhuǎn)(參見圖1和圖2)。

熱泵的除霜過程是由以下方式實現(xiàn)控制的:

在室外側(cè)換熱器上加裝壓力開關(guān),當冷凝壓力上升到設定壓力的上限時,其常閉觸點7斷開;而當冷凝壓力下降到設定壓力的下限時,其常閉觸點7閉合,因而該觸點可用作控制除霜過程的信號開關(guān)。

熱泵開始除霜時按原程序要關(guān)停風扇,原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V變?yōu)?,中間繼電器4失電,其常開觸點4K斷開,時間繼電器5失電,風扇電動機交流接觸器1因時間繼電器5的常開觸點5K斷開而失電,其常開觸點1K斷開,正轉(zhuǎn)的風扇電動機3失電逐漸停轉(zhuǎn)。

此時由于壓縮機仍在工作,壓縮機交流接觸器的輔助常開觸點8處于接通狀態(tài),時間繼電器6因中間繼電器4的常閉觸點4b閉合而得電,延時后時間繼電器6的常開觸點6K閉合,此時若壓力沒有達到設定條件,信號觸點7不閉合,風扇電動機交流接觸器2不得電,其常開觸點2K不閉合,風扇仍維持停轉(zhuǎn)狀態(tài)(見圖1和圖2),室外側(cè)換熱器依靠導熱和輻射兩種方式融霜。當系統(tǒng)冷凝壓力逐漸升高達到設定壓力的上限時,信號觸點7接通。由于此時風扇電動機交流接觸器1的常閉觸點1b閉合,風扇電動機交流接觸器2得電,其常開觸點2K閉合,風扇電動機3得電反轉(zhuǎn)(參見圖1和圖2),將被加熱的空氣吹向霜層,依靠對流、導熱和輻射三種傳熱方式融霜。在此過程中,當系統(tǒng)內(nèi)的壓力逐漸下降至設定壓力的下限時,信號觸點7又會斷開,風扇逐漸停止轉(zhuǎn)動。若系統(tǒng)冷凝壓力逐漸升高重新達到設定壓力的上限時,風扇又啟動按原風扇相反的方向送風,再次依靠對流、導熱和輻射三種傳熱方式融霜,如此反復進行,直至除霜結(jié)束。

除霜結(jié)束時,熱泵控制電路重新輸出原風扇電動機交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常閉觸點4b斷開,時間繼電器6失電,其常開觸點6K斷開,風扇電動機交流接觸器2失電,其常開觸點2K斷開,反轉(zhuǎn)的風扇電動機失電逐漸停轉(zhuǎn)(參見圖1和圖2)。此時中間繼電器4的常開觸點4K閉合,時間繼電器5得電,延時后其常開觸點5K閉合,此時交流接觸器2的常閉觸點2b閉合,風扇電動機交流接觸器1得電,其常開觸點1K閉合,風扇電動機3得電重新正轉(zhuǎn)(參見圖1和圖2),系統(tǒng)恢復制熱。

電路中的時間繼電器5和6保證風扇電動機3不會在高速運轉(zhuǎn)時瞬間反轉(zhuǎn)。電路中還串聯(lián)了壓縮機交流接觸器輔助常開觸點8,在空調(diào)器不工作時常開觸點8斷開,避免熱泵不工作時時間繼電器6處于常有電狀態(tài)。

此項關(guān)于熱泵式空調(diào)器除霜方法的研究,經(jīng)過試驗證明改良效果明顯。在研究過程中還發(fā)現(xiàn)可以利用溫度控制代替壓力控制,取消中間繼電器、時間繼電器和壓力開關(guān)。即在除霜過程中,當室外側(cè)換熱器的溫度逐漸升高達到設定溫度的上限時,啟動風扇反轉(zhuǎn);此過程中如果換熱器的溫度逐漸下降至設定溫度的下限時風扇停轉(zhuǎn),中間繼電器和時間繼電器的功能由控制器完成。也可以考慮用時間控制風扇的反轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn),但由于外界環(huán)境變化影響除霜的因素較多,控制時間的設定相對比較困難。

三、改進除霜方法在教學中的應用

對熱泵式空調(diào)器除霜方法進行改進的試驗,既可以應用于技校制冷專業(yè)理論教學,也可以作為實操教學的演示、實習(試驗)。有助于教學中由淺入深地引入制冷機除霜知識和操作技能,充實教學內(nèi)容,提高學生專業(yè)操作技能水平與能力,培養(yǎng)適應市場需求的實用型人才。

1.適應市場需求的新變化,把除霜改進技術(shù)引入教學

隨著新技術(shù)在生產(chǎn)中的廣泛應用,技工教育也要適應目前市場的要求,大量培養(yǎng)一專多能、復合型中級技工和高級技工,甚至技師和高級技師。許多技工學校都開設了制冷與空調(diào)專業(yè),而制冷技術(shù)在開發(fā)新技術(shù)方面還有比較大的空間,改進熱泵式空調(diào)器的除霜技術(shù),并且滲透到教學過程當中,使之成為制冷專業(yè)教學中生動、形象、直觀的教材。

2.形象、直觀、多用,易激發(fā)學生的學習欲望

改進后的除霜試驗模型,演示起來形象、直觀,可以激發(fā)學生的興趣,同時還培養(yǎng)了學生的觀察能力,增強感性認識,擴大了學生的思維空間,有利于對知識的理解。在教學中也可聯(lián)系就業(yè)市場的要求,如較多用人單位提出“懂得新技術(shù)、新知識者優(yōu)先”,激發(fā)學生的學習欲望。

通過對熱泵式空調(diào)器的除霜技術(shù)的改進試驗,把試驗過程成功地滲透到教學過程當中,不但能培養(yǎng)學生理論知識的應用能力、實際操作能力以及分析和解決問題的能力,而且可以引發(fā)學生對未來事物的創(chuàng)新、思考,樹立起未來對工作的信心。

通過對熱泵式空調(diào)器兩種除霜方法的分析比較,明確了利用反轉(zhuǎn)風扇原理除霜的多方面優(yōu)點,特別是其安全、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢,確實能解決常用除霜方法存在的缺陷。然而要真正推廣到實際中,還要聯(lián)系空調(diào)系統(tǒng)的實際工況加以深入研究,才能促進該項除霜技術(shù)研究更趨成熟,從而達到實用化的水平。在教學過程中除了要積極研究,大膽探索新技術(shù)、新知識,還要注重一點一滴地運用到教學實踐當中,才能達到教與學相長的目的。

(作者單位:廣東省肇慶市第二技工學校)