空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實驗研究

胡斌,曹鋒,邢子文,何志龍

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

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空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的實驗研究

胡斌,曹鋒,邢子文,何志龍

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

為了解決跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下運行蒸發(fā)器的結霜問題,對一種可應用于CO2跨臨界循環(huán)的熱氣除霜方法進行了實驗研究。在對熱氣除霜過程中系統(tǒng)循環(huán)特性分析的基礎上,搭建了空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器實驗臺,根據(jù)系統(tǒng)各參數(shù)點壓力和溫度變化曲線的實驗結果,分析了除霜過程中系統(tǒng)循環(huán)的變化規(guī)律和蒸發(fā)器的除霜特性,發(fā)現(xiàn)除霜時熱泵系統(tǒng)的流量增大,氣體冷卻器內的溫降減小,故增大氣體冷卻器出口的CO2氣體溫度是提高除霜效率的關鍵。同時,結合實時采集的蒸發(fā)器表面霜層變化圖像,分析了蒸發(fā)器的動態(tài)除霜過程,直觀觀測了熱氣除霜的除霜效果,整個除霜過程保持了600 s,熱氣除霜的除霜效率為35.6%。根據(jù)實驗結果可以得出,熱氣除霜方法是用于空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)除霜切實可行的方法。

熱氣除霜;跨臨界CO2系統(tǒng);除霜特性;除霜效率

在空調和熱泵系統(tǒng)應用領域,CO2是一種很有前途的替代制冷劑。作為一種天然制冷劑,CO2具有價格便宜、容易獲取、化學性能穩(wěn)定和安全性好等優(yōu)勢[1]?？紤]到在氣體冷卻器內制冷劑溫度滑移和水溫升高的完美匹配,空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)作為熱水器具有其他供熱方式無法比擬的優(yōu)勢,這使得空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器成為熱水供應的首選[2]。

眾所周知,翅片管式蒸發(fā)器表面溫度低于水的冰點溫度和空氣的露點溫度時會導致蒸發(fā)器表面結霜,大量堆積的霜層會堵塞翅片間的空氣流動通道,增大空氣側的換熱熱阻,導致蒸發(fā)器的傳熱性能降低,蒸發(fā)器風扇功耗增加[3-4]。要消除這些影響,蒸發(fā)器翅片表面的霜層要及時除去,在傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中一般采用的方法有熱氣旁通法[5-6]、反向除霜法[7-11]、電加熱方法[12-13]、顯熱除霜方法[14]和自然循環(huán)除霜法[15]。

然而,對于具有工作壓力高和跨臨界傳熱特性的空氣源CO2熱泵系統(tǒng)來說,傳統(tǒng)的除霜方法不能直接采用。為了解決空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜問題,不倫瑞克工業(yè)大學的Mildenberger搭建了一個空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)實驗臺,在實驗臺上對自然循環(huán)除霜方法進行了驗證。在跨臨界CO2熱泵自然循環(huán)除霜方法中,因此霜層融化所需的熱量來源于熱水箱,由系統(tǒng)中制冷劑的重力循環(huán)輸送到蒸發(fā)器中,除霜時間較長。自然循環(huán)除霜方法的不足之處是熱水箱中的溫度會降低,從而導致使用時的熱水發(fā)生溫度波動,更重要的是,蒸發(fā)器和氣體冷卻器之間必須保持一定的高度差,以促進重力循環(huán)。2011年Minetto開發(fā)了一種跨臨界CO2熱泵機組的除霜方法[16],該方法是采用壓縮機排氣旁通到蒸發(fā)器中進行除霜,同時低壓儲液罐的外表面布置了一個900 W的電加熱器,整個除霜過程約19 min,直到蒸發(fā)器的溫度達到10 ℃為止。但是,該方法只對整個除霜過程中溫度的變化進行了分析,而沒有對系統(tǒng)壓力的變化進行研究,無法驗證除霜理論的正確性,關于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜特性更是無從談起。

因此,對于除霜效率高、熱水溫度影響小的切實可行的除霜方法的研究就顯得非常重要。為了解決空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜問題,本文提出了熱氣除霜的解決方法,重點對空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的除霜特性和系統(tǒng)循環(huán)變化做了詳細的分析。通過搭建實驗臺,對除霜過程中系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)變化做了比較分析,得出了不同階段的系統(tǒng)循環(huán)特性,并對空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜的除霜效果進行了直觀分析,最后對熱氣除霜方法的除霜效率進行了評價。

1 熱氣除霜方法

熱氣除霜方法為:在除霜過程中將與電子膨脹閥并聯(lián)的除霜電磁閥打開,經過氣體冷卻器降壓后的制冷劑氣體直接流入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器內通過冷凝放熱融化霜層,如圖1所示。整個除霜過程中壓縮機不中斷,而水泵和蒸發(fā)器風扇停止工作。

圖1 熱氣除霜系統(tǒng)圖

如圖2所示,熱氣除霜系統(tǒng)循環(huán)可描述為6個過程:1—2表示低壓和低溫的制冷劑氣體被壓縮成高壓、高溫的制冷劑氣體;2—3表示高溫、高壓制冷劑氣體在氣體冷卻器內的降壓過程,溫度也會部分降低;3—4表示在中間換熱器內的部分降壓、降溫過程,用于加熱蒸發(fā)器出口的氣液兩相混合物;4—5表示中間壓力的制冷劑氣體通過除霜電磁閥節(jié)流后成為低壓的制冷劑氣體;5—6表示氣相制冷劑在蒸發(fā)器中冷凝釋放熱量、融化蒸發(fā)器翅片上的霜層;6—1表示了蒸發(fā)器出口的氣液兩相混合物在中間換熱器中的加熱過程,使液體制冷劑汽化,有助于防止壓縮機液擊。

圖2 熱氣除霜系統(tǒng)循環(huán)P-h圖

在正常的熱泵運行過程中,蒸發(fā)器是用于從環(huán)境空氣中吸收熱量,電子膨脹閥節(jié)流后制冷劑兩相混合物在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱,最后在中間換熱器內變成過熱氣體。當除霜過程開始時,在蒸發(fā)器中部分制冷劑冷凝放熱,而熱量通過管壁傳遞到霜層,吸收了熱量的霜層開始融化。

2 測試環(huán)境及實驗臺搭建

2.1 測試環(huán)境

除霜實驗是在西安交通大學壓縮機研究所“余熱回收高溫熱泵系統(tǒng)實驗室”內進行的,該實驗室由環(huán)境室、空氣控制調節(jié)系統(tǒng)、給水控制調節(jié)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5部分組成[17]。實驗的基本測量手段是水量熱計法,可以準確測量水源熱泵冷熱水機組和空氣源熱泵冷熱水機組的水側換熱量、功耗以及系統(tǒng)能效比等數(shù)據(jù)。

實驗室空間大小為6.3 m×4.6 m×4.8 m,室溫控制范圍:干球溫度為-20 ℃～55 ℃,濕球溫度為2 ℃～45 ℃,實驗室測試儀器設備的詳細信息如表1所示。

表1 測試儀器設備

2.2 實驗臺搭建

針對空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的熱氣除霜方法,可以采用應用廣泛的空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器進行實驗研究,搭建的空氣源跨臨界CO2熱泵熱水器系統(tǒng)如圖3所示,其中包括半封閉活塞式壓縮機、套管氣體冷卻器、干燥過濾器、套管中間熱交換器、電子膨脹閥、翅片管蒸發(fā)器、儲液器和除霜電磁閥。在除霜開始時,除霜電磁閥打開,水泵和蒸發(fā)器風扇停止運轉,經過氣體冷卻器和中間換熱器降壓后的制冷劑氣體直接通過電磁閥流入蒸發(fā)器,溫度較高的制冷劑氣體在蒸發(fā)器內冷凝放熱,蒸發(fā)器溫度迅速升高同時霜層開始融化,氣液兩相的制冷劑流出蒸發(fā)器進入氣液分離器,分離后的制冷劑氣體經過中間熱交換器最后回到壓縮機,作為下一個循環(huán)的開始。

圖3 跨臨界CO2熱泵熱水器系統(tǒng)圖

在熱水供應過程中,經過電子膨脹閥節(jié)流后的制冷劑變成低溫低壓的氣液兩相混合物,通過蒸發(fā)器翅片吸收周圍空氣的熱量,最后在中間換熱器內被加熱成過熱蒸氣。在除霜過程過程中,部分制冷劑在蒸發(fā)器內冷凝放熱,熱量通過管壁翅片傳遞到霜層,霜層吸收熱量后開始融化。

在實驗中選用環(huán)境干球溫度為2 ℃、相對濕度為80%的典型結霜環(huán)境條件,進水溫度采用西安地區(qū)采暖季的平均自來水溫度12 ℃,變頻水泵通過改變供給電機的電流頻率進行調節(jié),以保證出水溫度在80 ℃以上。系統(tǒng)的最優(yōu)排氣壓力由步進電機驅動的電子膨脹閥調節(jié),當進入除霜的條件滿足時除霜電磁閥打開,除霜開始。

3 實驗結果及分析

在標定各測試設備和完善自優(yōu)化控制的基礎上,經過長時間運行實驗,得到除霜時系統(tǒng)參數(shù)的動態(tài)變化和蒸發(fā)器表面霜層的照片,并根據(jù)融化霜的速度快慢和除霜時的條件設定,得出典型工況下的系統(tǒng)參數(shù)變化特性和除霜效率。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)變化

基于測試條件和所搭建的實驗臺,記錄了整個結除霜過程中的系統(tǒng)參數(shù)變化,選取典型結霜環(huán)境工況下的實驗結果來說明熱氣除霜的動態(tài)系統(tǒng)參數(shù)變化。為了進一步研究除霜特性,對除霜過程中參數(shù)的變化做了更具體的分析。

圖4顯示了在除霜過程中系統(tǒng)主要測試點的壓力變化。在195 s打開電磁閥時,壓縮機排氣壓力和氣體冷卻器出口壓力發(fā)生了跳躍,隨后都緩慢增大,到330 s時分別為8.78 MPa和6.12 MPa,并隨著霜層的逐步融化保持穩(wěn)定。除霜過程結束前,壓縮機排氣壓力和氣體冷卻器出口壓力分別上升到9.26 MPa和6.54 MPa,隨后除霜結束,系統(tǒng)關機。由于中間換熱器高壓側的壓降在0.01 MPa左右,電磁閥進口壓力稍低于氣體冷卻器出口壓力,故兩條曲線基本重合。在開始除霜時,電磁閥出口壓力(蒸發(fā)器入口壓力)和吸氣壓力都很快增長,然后進入一個相對穩(wěn)定的過程。以吸氣壓力為例,由195 s的2.69 MPa迅速增加到255 s的3.27 MPa,在255～690 s時吸氣壓力基本不變,在690 s后慢慢升高。根據(jù)圖5中各系統(tǒng)測點壓力變化可把熱氣除霜過程分為3個階段:195～315 s是第1階段,這一階段主要是提高蒸發(fā)器的溫度,供給的熱量只有一小部分用于融霜;此后系統(tǒng)逐漸進入第2階段,所有的壓力都維持相對穩(wěn)定,這個階段大約持續(xù)400 s,所有進入蒸發(fā)器的熱量都用于融化翅片表面的霜層,對于霜層而言,屬于潛熱除霜階段,整個系統(tǒng)運行在一個穩(wěn)定的條件下;第3階段從715 s開始到除霜過程結束,大部分的熱量用于加熱蒸發(fā)器而不是融化霜層,這一階段被稱為蒸發(fā)器加熱階段。

圖4 除霜過程中壓力變化

從圖4中可以看出,氣體冷卻器在除霜過程中的壓降遠遠大于熱泵供熱過程。氣體冷卻器內CO2氣體的流量增大,壓降從供熱過程的0.5 MPa增大到除霜時的2.6 MPa。這是由于在除霜過程中電磁閥打開,系統(tǒng)中CO2的質量流量隨著蒸發(fā)壓力的升高而增加,導致氣體冷卻器的壓降增大,同時也可能由于電磁閥的膨脹系數(shù)較低,使得蒸發(fā)器內的壓力通過電磁閥影響到氣體冷卻器內的壓力。

在除霜過程中環(huán)境溫度保持不變,系統(tǒng)中各測點的溫度變化如圖5所示。壓縮機排氣溫度在195 s時急劇下降后趨于穩(wěn)定,在330 s之后保持在82 ℃,在除霜后期出現(xiàn)小幅回升,除霜循環(huán)在795 s結束,氣體冷卻器出口溫度從195 s的38 ℃下降到315 s的31.6 ℃,而在315 s后從31.6 ℃上升到510 s的42 ℃。電磁閥進口溫度和氣體冷卻器出口溫度的變化趨勢相同,并保持相對穩(wěn)定的溫度差,在除霜過程后期的溫度差為13 ℃。電磁閥出口溫度和吸氣溫度分別在195 s后上升到2 ℃和-0.2 ℃,并在接下來的一段時間內保持相對穩(wěn)定。積累的霜層完全融化后,電磁閥出口溫度和吸氣溫度緩慢升高,直到除霜過程結束。

圖5 除霜過程中溫度變化

從圖5中可以看出,CO2氣體在氣體冷卻器內的溫降從除霜開始的70 ℃下降到除霜結束時的35 ℃,這么大的溫差變化表明了CO2氣體內能的大量消耗用于加熱存儲在氣體冷卻器內的水和氣體冷卻器本身的材料溫度。雖然這些熱量可在熱泵熱水器恢復正常供熱時回收,但對除霜起不到任何作用,反而大大降低了除霜效率,延長了除霜時間。這一發(fā)現(xiàn)促進了除霜方法的改進,通過增加氣體冷卻器出口CO2氣體的溫度可進一步提高除霜效率和加快除霜速度。

從圖5中的溫度變化可以進一步驗證除霜過程分為3個階段的正確性,跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)熱氣除霜過程可描述為:第1階段(195～315 s),加熱蒸發(fā)器盤管和霜層屬于除霜預熱過程,直到蒸發(fā)盤管表面溫度霜層融化溫度;第2階段(315～715 s)是穩(wěn)定除霜過程,蒸發(fā)盤管表面溫度保持在融化溫度點,這個階段主要是潛熱傳遞過程;第3階段(715～795 s)是顯熱傳遞的加熱過程,加熱蒸發(fā)器盤管和換熱翅片,直到除霜周期的結束。

圖6 除霜過程中蒸發(fā)器表面霜層變化

3.2 除霜效果

除霜效果是評判除霜方法好壞的直接判斷標準,采用高清相機記錄的蒸發(fā)器表面霜層的動態(tài)變化,可分析除霜方法的實際效果。

圖6中顯示了整個除霜過程中蒸發(fā)器表面霜層的動態(tài)變化圖像。從0 s開始超過80%的蒸發(fā)器空氣流道被霜層覆蓋,蒸發(fā)器換熱開始惡化;到75 s時空氣通道被霜層幾乎完全堵上,此時蒸發(fā)器換熱已經惡化;195 s時蒸發(fā)溫度已經下降地非常明顯,換熱溫差已經達到了除霜的設定值,此時電磁閥打開,除霜開始。除霜過程是一個相對較快的過程,為了更清晰地顯示整個除霜過程和研究除霜過程中的除霜特性,得到了多張不同時刻的照片,如圖6所示,這更有助于觀察熱氣除霜方法的除霜效果。

在除霜進行到255 s時,系統(tǒng)循環(huán)的質量流量增大,CO2氣體在蒸發(fā)器內通過冷凝放熱融化霜層,蒸發(fā)器內的參數(shù)變化明顯,蒸發(fā)器翅片表面霜層開始松散、融化;到375 s時,近50%的霜層已經被融化,此時屬于穩(wěn)定除霜階段,蒸發(fā)器的換熱主要用于融化霜層,參見495 s、555 s時的照片,可以看到霜層進一步融化,到715 s時霜層全部融化成水;到755 s時,蒸發(fā)器翅片上的水分開始蒸發(fā),蒸發(fā)器溫度升高,直到翅片溫度達到除霜退出條件。

3.3 除霜效率

除霜效率是評價一個除霜方法最重要的評估標準。針對跨臨界CO2熱泵熱水器,除霜效率定義為在整個除霜過程中實際融化霜層所消耗的能量和系統(tǒng)整個供給總熱量的比值,即

(1)

在整個除霜過程中,只有壓縮機功耗轉化為能量輸入系統(tǒng)中[17],所以系統(tǒng)總能量為

(2)

式中:ηel為壓縮機的等熵效率,取0.68;H為壓縮機輸入功率。融化霜層的總熱量為

Qf=m(CP,fΔTf+Lf)

(3)

式中:m是除霜過程中收集的總融水量;CP,f是霜層的比熱容;Lf是霜的汽化潛熱。

在選定的實驗工況下,整個除霜過程中的除霜效率是35.6%,相比于普通制冷循環(huán)的除霜效率在40.4%～58%而言[10],該效率是低了一些,主要是因為熱氣通過氣體冷卻器時壓降特別大,散失了大量的熱量,同時為了加熱氣體冷卻器內的水還需要吸收一定的熱量,所以整個除霜過程中的效率偏低。相比于自然循環(huán)除霜過程,CO2熱泵熱水器熱氣除霜方法更為合理而且節(jié)省時間。

4 結 論

本文對空氣源跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)的熱氣除霜系統(tǒng)循環(huán)進行了研究,重點分析了跨臨界CO2熱泵熱水器熱氣除霜時的系統(tǒng)參數(shù)變化和蒸發(fā)器表面霜層的變化,結合所拍攝的實時圖像,得出跨臨界CO2熱泵熱氣除霜的特性以及系統(tǒng)循環(huán)變化。為了進一步研究跨臨界CO2熱泵熱水器除霜的實際效果,根據(jù)在典型結霜環(huán)境條件的實驗,得出了除霜效率。在實驗結果的基礎上,得到以下結論。

(1)跨臨界CO2熱泵熱氣除霜過程可描述為3個階段:第1階段是預熱階段,主要是加熱蒸發(fā)器盤管和霜層,直到蒸發(fā)器表面霜層溫度達到融化溫度;第2階段是穩(wěn)定除霜過程,蒸發(fā)器表面霜層溫度保持在融化溫度,也可以稱為潛熱除霜階段;第3階段是蒸發(fā)器加熱階段,用于加熱蒸發(fā)器盤管和換熱翅片,直到除霜周期結束。

(2)在熱氣除霜過程中,氣體冷卻器內CO2氣體的流量增大,導致氣體冷卻器內壓降從供熱過程的0.5 MPa增大到除霜時的2.6 MPa。

(3)氣體冷卻器進出口的溫差變化表明,CO2氣體的內能大量消耗且用于加熱存儲在氣體冷卻器內的水和氣體冷卻器本身的材料;減小氣體冷卻器進出口溫差,提高氣體冷卻器出口CO2氣體的溫度,是提高除霜效率的關鍵。

(4)結合實時采集的圖像和除霜效率可以得出,熱氣除霜的效果比較理想,除霜效率在35.6%,這對于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)來說是合理有效的除霜方法。

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(編輯 趙煒 荊樹蓉)

An Experimental Investigation on Hot Gas Defrost of Air-Source Transcritical CO2Heat Pump Systems

HU Bin,CAO Feng,XING Ziwen,HE Zhilong

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

A hot gas defrosting method is investigated to solve the frost accumulation on the finned tube evaporator for transcritical CO2heat pump systems. It is based on the analysis of defrost cycle process, and an air-source transcritical CO2heat pump water heater test rig is built in an environmental laboratory. Based on the experimental results of the pressure and temperature variations that the defrost cycle process and defrosting characteristic in the evaporator are discussed, and it is found that the mass flow rate increases and the temperature difference between gas cooler inlet and outlet decreases during the defrosting process. It is also found that the key to improve the defrost efficiency is to increase the gas cooler outlet temperature of CO2gas. Meanwhile, instant defrosting pictures of evaporator surface are captured to record the dynamic defrosting process and to evaluate the defrost effect of hot gas defrosting. The whole defrosting process maintains 600 s and the defrosting efficiency of the hot gas defrosting method is 35.6%. It can be concluded from the experimental results that the hot gas defrosting method is a reasonable and practicable method for CO2heat pump systems.

hot gas defrost; transcritical CO2system; defrost characteristics; defrost efficiency

2014-08-10。 作者簡介:胡斌(1985—),男,博士生;曹鋒(通信作者),男,教授,博士生導師。 基金項目:新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0449);工商制冷行業(yè)HCFC淘汰管理計劃項目(C/III/S/13/489)。

時間: 2014-12-30

網絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141230.0823.001.html

10.7652/xjtuxb201503013

TH327

A

0253-987X(2015)03-0074-06