低溫氣候空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計研究

吳衛(wèi)平+竇秀華+魏忠鑫

摘 要：本文主要是對在低溫氣候下空氣源熱泵的工作進(jìn)行設(shè)計跟研究，以此來解決在寒冷的環(huán)境里能夠正常的工作，從而擴(kuò)大空氣源熱泵的使用范圍，首先熱泵是一種冷熱復(fù)用的設(shè)備可以通過控制系統(tǒng)來切換到制熱制冷狀態(tài)，空氣源熱泵的原理是以電能作為動力再從空氣中提取低品味的熱能然后通過一定的轉(zhuǎn)換之后就變成了高熱能，在這個形成的過程中其中電能只是提供了推動的作用，所以說相對于其他產(chǎn)熱的方式熱泵顯得更加節(jié)能。

關(guān)鍵詞：低溫條件下對空氣源熱泵性能的影響分析；在低溫條件下熱泵性能的設(shè)計；除霜方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.232

0 引言

從目前國內(nèi)低溫氣候空氣源熱泵的發(fā)展來看，對于圧縮過程的改進(jìn)發(fā)展跟是放在重點(diǎn)位置的，為了提高壓縮機(jī)能夠保持足夠的穩(wěn)定性使得可以再低溫的環(huán)境下運(yùn)行，但是熱泵作為一個系統(tǒng)來說能夠?qū)ζ湓斐捎绊懙囊蛩赜泻芏啾热缙渲械睦淠鞲舭l(fā)器能直接影響其工作但是就目前的情況來看對于其改進(jìn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還有除霜問題的解決方法，這就要求我們從空氣源熱泵系統(tǒng)的個個方面進(jìn)行分析討論得出改善的結(jié)果。

1 低溫條件下對空氣源熱泵性能的影響

（1）對于蒸發(fā)器問題的影響。首先蒸發(fā)器是熱泵系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，蒸發(fā)器能夠直接影響到整個熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行而低溫對于蒸發(fā)器的主要影響分為第一點(diǎn)：翅片設(shè)計的不合理導(dǎo)致結(jié)霜頻繁；第二點(diǎn)：制冷劑流向設(shè)計、風(fēng)扇位置引起的換熱不均導(dǎo)致的結(jié)霜；第三點(diǎn)：分液不均導(dǎo)致制冷劑流量分布不均勻這三個方面的問題。首先是對于翅片的問題一般常用的蒸發(fā)器為了減少整個系統(tǒng)的大小體積，往往會把翅片間距離設(shè)計比較小，雖然這樣做可以有效地增加單位換熱的面積，但是同時也會使得蒸發(fā)器的結(jié)霜速度會加快，而且還會產(chǎn)生積水性而導(dǎo)致結(jié)冰，從而對蒸發(fā)器的運(yùn)行造成影響。對于制冷劑流向的設(shè)計在通常情況下制冷劑是跟空氣流動的方向相反，而且不同的流向產(chǎn)生的性能差異也是有所不同的，當(dāng)處于制熱工作的時候制冷劑會在換熱器氣出口的地方溫差特別大，使得翅片結(jié)霜更加的嚴(yán)重還會造成結(jié)冰的情況，所以在設(shè)計的同時要充分的考慮到怎么處理結(jié)霜嚴(yán)重跟怎么有效除霜的問題，而且對于一般的蒸發(fā)器往往以最大換熱量來考慮，往往會采用多路供液，然而在低溫的情況下容易造成分液不均勻容易導(dǎo)致程序的正常運(yùn)行。

（2）冷凝器問題的分析。當(dāng)系統(tǒng)工作的適合壓縮機(jī)排氣的溫度變得更高使得進(jìn)入到冷凝器的氣體高出了預(yù)計的溫度，而且由于冷凝器的工作原理跟一般的設(shè)計存在很多不同從而限制了冷凝器作用使得換熱的狀態(tài)大大降低從而限制了系統(tǒng)的能力。

2 在低溫條件下熱泵性能的設(shè)計

（1）蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。對于蒸發(fā)器在低溫下存在的情況跟考慮的因素有翅片的間距跟形狀、迎風(fēng)管的排數(shù)跟風(fēng)速、空氣的濕度、制冷劑流向這幾個方面的問題設(shè)計因素。首先翅片的間距上面已經(jīng)提到通常的系統(tǒng)內(nèi)翅片間距的設(shè)計是偏小的因此提高了結(jié)霜的速度，使得空氣交換流動產(chǎn)生了阻礙使得蒸發(fā)器難以正常的運(yùn)行，因此通過實(shí)驗數(shù)據(jù)運(yùn)算可以得到在一定的低溫條件下運(yùn)行，翅片的間距不宜小于1.8mm，而且對于翅片表面的處理也很重要可以通過外加電場的方法來減小水分的移動速度從而達(dá)到效果可以噴疏水親水的顏料來控制結(jié)霜的時間，而且通過調(diào)查得知利用親水的涂料能有效地抑制霜晶的生長，對于制冷劑的設(shè)計可在底盤設(shè)置加熱裝置，逆流換熱方式是不推薦使用的。

（2）低溫下冷凝器的設(shè)計。通常對于工作量大的工況來說，如果沒有采用變頻的設(shè)施來說一般情況下是不需要對冷凝器進(jìn)行特別的設(shè)計而且在低溫的情況下工作產(chǎn)生的熱量要比平時下降很多所以說一般是不會出現(xiàn)冷凝器能力不足的情況，但是如果采用了變頻或者多級壓縮等方式就需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的情況來計算改變冷凝器的面積，而計算所需要考慮的因素有蒸汽區(qū)的氣體換熱、濕蒸汽區(qū)的冷凝換熱等需要詳細(xì)計算每個部分所需要的面積。

（3）節(jié)流機(jī)構(gòu)的設(shè)計。因為在通常熱泵運(yùn)行的過程中其變化的范圍很大，然而普通的熱力膨脹閥根本不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行很有效地調(diào)節(jié)，所以我們建議對于低溫?zé)岜脕碚f最好使用電子膨脹閥當(dāng)工況達(dá)到一定程度的時候可以采用雙電子膨脹閥來控制，所以再對于節(jié)流機(jī)構(gòu)的設(shè)計上建議采用電子膨脹閥來進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。

（4）氣流分離器、儲液罐的設(shè)計。在處于低溫條件下的長期停機(jī)導(dǎo)致制冷劑會局部的往蒸發(fā)器內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，當(dāng)在下次開啟的過程當(dāng)中會使得大量的液體流進(jìn)壓縮機(jī)內(nèi)部，所以有必要在壓縮機(jī)前設(shè)置一個氣液分離器來進(jìn)行一定的處理，對于儲液罐，建議適量的增大冷凝器的容積使之能夠跟蒸發(fā)器的體積想接近從而取消儲液器的設(shè)計。

3 除霜方法

（1）熱氣旁通除霜。對于熱氣旁通除霜來說是在系統(tǒng)內(nèi)部的壓縮機(jī)出口處增加一個旁通的閥門，這個旁通閥會與蒸發(fā)器的進(jìn)口相連接，當(dāng)霜的量達(dá)到了一定的數(shù)值我們就可以開啟旁通閥然后關(guān)閉蒸發(fā)器的風(fēng)機(jī)，這樣就會使壓縮機(jī)的排氣通過旁通閥進(jìn)入蒸發(fā)器使蒸發(fā)器的溫度升高，也就達(dá)到了除霜的效果。

（2）電除霜。電除霜的利用主要是在蒸發(fā)器的內(nèi)部設(shè)計添加除霜盤管，同時當(dāng)霜量達(dá)到了一定程度直接停止各個機(jī)組的運(yùn)行，然后開啟電加熱裝置從而使蒸發(fā)器的溫度升高，達(dá)到除霜的效果。

（3）四通閥門反向除霜。通常我們所了解到的熱泵系統(tǒng)能夠同時兼?zhèn)渲评渑c制熱雙功能，所以一般會在系統(tǒng)中設(shè)置四通閥門以此來切換工作狀態(tài)，所以四通閥反向除霜的應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛，通過四通閥門來改變其工作狀態(tài)可以將蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換為冷凝器，從而增高蒸發(fā)器溫度達(dá)到除霜的效果。

從以上的幾種除霜方法的描述來看電除霜無疑是最好的選擇，它既結(jié)合了蒸發(fā)器的實(shí)際要求而且對外界的影響比較小，所以在除霜方面的設(shè)計電除霜是最好的選擇。

4 總結(jié)

本文通過對低溫空氣源熱泵技術(shù)的研究，對于在低溫環(huán)境下熱泵系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題及解決的設(shè)計方法，首先我們對蒸發(fā)器冷凝器的設(shè)計進(jìn)行了研究并且得出了在低溫的環(huán)境下應(yīng)該通過什么方法對其進(jìn)行改進(jìn)，提出了電除霜跟四通閥門反向除霜可以解決在低溫下成霜嚴(yán)重的方法，通過對整個熱泵系統(tǒng)的設(shè)計可以使得能夠更好的適應(yīng)低溫環(huán)境下的工況。

參考文獻(xiàn)：

[1]金旭. 雙級壓縮空氣源熱泵采暖系統(tǒng)實(shí)驗研究[D].大連理工大學(xué)，2011.

作者簡介：吳衛(wèi)平（1959-），男，山東青島人，碩士研究生，主要從事企業(yè)管理和超低溫空氣源熱泵恒溫系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作。endprint