低溫空氣源熱泵采暖機(jī)兩種流路性能和除霜效果對(duì)比分析

李國華

（廣東瑞星新能源科技有限公司，廣東 東莞 523000）

在熱泵和空調(diào)器的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，換熱器的流路設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜且重要的環(huán)節(jié)，流路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到換熱器換熱能力和整機(jī)的能力、能效、化霜的可靠性甚至整機(jī)的可靠性。以最有代表性的兩排管換熱器為例，概況起來，有如圖1所示意的6種常用流路：n型、Z型、H型、S型、n+u型、X型。

圖1 幾種常用的流路分布

對(duì)于不同的換熱器流路設(shè)計(jì)對(duì)熱泵和空調(diào)器常規(guī)性能如制冷和制熱能力、制冷能效比和制熱效率的影響，已有較多的研究和公開的報(bào)道，普遍認(rèn)為制冷劑在換熱管道內(nèi)的流動(dòng)要遵循下面兩個(gè)總的原則：一是液往下流，氣往上走，即冷凝時(shí)，制冷劑流程要從上往下走，蒸發(fā)時(shí)制冷劑流程要從下往上走。二是冷媒總體流向與空氣流向成逆流，尤其是冷凝的時(shí)候，因冷凝過程溫度變化較大，更須按逆流設(shè)計(jì)流路，才能更好地發(fā)揮冷凝器的效率。

鄧斌［1］和姜盈霓［2］分別在 2004 年和 2007 年對(duì)翅片管換熱器流路布置的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。在這兩篇綜述文獻(xiàn)中，對(duì)前人研究的換熱器流路布置做了一些總結(jié)分析，如“Z”字形、“U”字形、“單進(jìn)單出”、“雙進(jìn)單出”、“單進(jìn)雙出”“單-雙-單”等雙排換熱器流路形式，得出了一些有指導(dǎo)意義的結(jié)論。LIANG S Y等［3-4］研究結(jié)果指出當(dāng)選擇合適的分合點(diǎn)之后，“單-雙-單”流路要比簡單的“Z”字形布置節(jié)省約5%的面積，熱流量較小時(shí)，推薦采用“Z”字形和有合適分合點(diǎn)的“單-雙-單”流路，熱流量較大時(shí)，冷凝器最好采用“雙進(jìn)單出”流路，而蒸發(fā)器最好采用“單進(jìn)雙出”的流路。黃東等［5］就支路數(shù)對(duì)熱泵空調(diào)中冷凝和蒸發(fā)兩用換熱器性能的影響做了研究。涂小蘋等［6］、嚴(yán)俗［7］、唐亞林［8］就變頻熱泵型空調(diào)器制冷和制熱性能隨室外換熱器流路布局的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這些研究均表明換熱器流路布局對(duì)空調(diào)器性能或多或少有一定影響。

但對(duì)于不同的換熱器流路設(shè)計(jì)對(duì)超低溫空氣源熱泵性能的影響研究較少，對(duì)于非穩(wěn)態(tài)的情況，如不同的流路對(duì)低溫環(huán)境下化霜情況的影響未見報(bào)道。本研究的目的在于研究不同的室外翅片換熱器流路對(duì)超低溫空氣源熱泵性能的影響，尤其是化霜性能和效果的影響，探索解決目前存在的超低溫空氣源熱泵在低環(huán)境溫度下化霜不干凈的問題，為低環(huán)境溫度空氣源熱泵的設(shè)計(jì)提供一些參考。

1 典型流路選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 流路選擇

因熱泵系統(tǒng)中制冷劑處于氣態(tài)的比容比液態(tài)的比容大得多，氣態(tài)制冷劑需要的流通面積比液態(tài)的要大，所以現(xiàn)在普遍的流路設(shè)計(jì)不再采用簡單的“單進(jìn)單出”或“雙進(jìn)雙出”，而是采用蒸發(fā)“一進(jìn)、中匯、兩出”或冷凝“兩進(jìn)、中匯、一出”的流路分布方式。并且，隨著空調(diào)、熱泵行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，也不再單一采用n字、u字或Z字形某一種形式的流路，而是采用復(fù)合式的流路分布方式。本文采用目前行業(yè)上應(yīng)用較多的兩種流路分布方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，兩種流路分布方式如圖2、圖3所示。圖2所示是主流采用的重力流路分布，各分路流路都遵循“液往下流，氣往上走”的原則流路分布，同時(shí)綜合了Z形、匯流、X形的復(fù)合流路分布，其中圖a是蒸發(fā)時(shí)的流向示意，圖b是冷凝時(shí)的流向示意，這種遵循“液往下流，氣往上走”原則的流路稱為“順重力流向分布”，反過來，采用“液往上流，氣往下走”稱為“逆重力流向分布”。圖3也綜合了Z形、匯流、X形的復(fù)合流路分布，只是沒有完全遵循“液往下流，氣往上走”的原則，而是為了分配器布置的方便，簡單地采用兩邊分流的流路分布，由于這種分流方式可以在中間簡單地用個(gè)分流三通就能實(shí)現(xiàn)，所以在實(shí)際應(yīng)用中還是會(huì)被很多人采用，這種流路上部分流路采用順重力流向分布，下部分流路采用逆重力流向分布，稱為混合流路流向布置。圖a是蒸發(fā)時(shí)的流向示意，圖b是冷凝時(shí)的流向示意。在本實(shí)驗(yàn)中，除了兩種流路分流方式上述的不同外，換熱器其他參數(shù)完成相同。

圖2 動(dòng)力流路分布

圖3 混合流路分布

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖4 為本研究中的低溫空氣源熱泵采暖機(jī)的系統(tǒng)圖，虛線箭頭方向?yàn)橹茻岵膳瘯r(shí)制冷劑的流向，實(shí)線箭頭為制冷和除霜時(shí)的流向。在實(shí)驗(yàn)中，低溫空氣源熱泵采暖機(jī)的壓縮機(jī)采用5匹谷輪熱泵專業(yè)渦旋壓縮機(jī)，制冷劑為R22，水側(cè)換熱器選用5匹套管式換熱器，空氣側(cè)換熱器用翅片管式換熱器，翅片為親水膜開窗片，換熱器銅管為Φ9.52高效內(nèi)螺紋銅管，采用電子膨脹閥節(jié)流。測(cè)試的工況要求按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25127.2—2010低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組，實(shí)驗(yàn)用儀器和儀表的精度按GB/T 10870中附錄A的規(guī)定并經(jīng)校準(zhǔn)合格。空氣的干濕球溫度的測(cè)量按GB/T 18430.1—2007附錄A的要求，測(cè)試使用的水質(zhì)及水流量和阻力的要求和測(cè)量及偏差按GB/T 18430.1—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 低溫空氣源熱泵采暖機(jī)的系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)工況為名義制熱工況：干球溫度為-12 ℃，濕球溫度-14 ℃，出水溫度41 ℃；低溫制熱工況：干球溫度為-20 ℃，濕球溫度不做要求，出水溫度41 ℃；額定制冷工況：干球溫度為35 ℃，濕球溫度24 ℃，出水溫度7 ℃；化霜工況：干球溫度-2 ℃，濕球溫度-1 ℃，出水溫度41 ℃。

實(shí)驗(yàn)中，在其他條件相同的情況下，分別采用圖2所示的重力流路和圖3所示混合流路，分別在名義制熱工況、低溫制熱工況、額定制冷工況、除霜工況下對(duì)制熱能力、功率、溫度等進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄。為使不同流路分布的數(shù)據(jù)具有對(duì)比性，對(duì)于兩種不同的流路分布，其他條件和參數(shù)完全相同，制冷劑充注量也完全相同，為3 300 g。電子膨脹閥的開度采用回氣過熱度調(diào)節(jié)方式，兩種情況下回氣過熱度都控制在1 ℃內(nèi)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5、圖6、圖7表示的是重力流路、混合流路兩種不同流路分別在名義制熱工況、低溫制熱工況、額定制冷工況表現(xiàn)的性能的差異，其中圖5是在制熱量（-20 ℃、-12 ℃工況）和制冷量（35 ℃工況）方面的差異，圖6是在能效比方面的差異，圖7是壓縮機(jī)排氣溫度的差異。

從圖中可以看出，制熱方面，重力流路和混合流路在名義制熱工況、低溫制熱工況的制熱量基本無差異，重力流路在兩種制熱工況的能效比上表現(xiàn)略微好于混合流路，制冷方面，在制冷量、制冷能效比上重力流路略好于混合流路，但整體來說，差異很小，在4% 范圍內(nèi)。

圖5 兩種不同流路在不同環(huán)境溫度下制熱和制冷量的差異

圖6 兩種不同流路在不同環(huán)境溫度下能效比的差異

圖7 兩種不同流路在不同環(huán)境溫度下壓縮機(jī)排氣溫度表現(xiàn)的差異

2.2 化霜過程及化霜表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

因化霜過程是個(gè)非穩(wěn)定的瞬態(tài)過程，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)中數(shù)據(jù)測(cè)量和記錄比較困難，本實(shí)驗(yàn)采取在化霜過程中每0.5 min記錄一次數(shù)據(jù)的 方式。除霜側(cè)制冷劑放熱量在熱泵性能實(shí)驗(yàn)室條件下也很難測(cè)量，忽略管道等熱損失，則制冷劑在套管換熱器中蒸發(fā)吸熱加上熱泵采暖機(jī)功率就等于制冷劑在翅片換熱器側(cè)化霜的放熱量，即 Q放= Q吸+P，式中P為壓縮機(jī)功率，Q吸為制冷劑在水冷媒熱交換器中蒸發(fā)而從水中吸熱量，Q放為用來化霜的放熱量。

實(shí)驗(yàn)室判斷化霜效果好壞的最直接有效的方法是化霜結(jié)束后看化霜是否干凈。本實(shí)驗(yàn)中，兩組實(shí)驗(yàn)都是在翅片換熱器結(jié)滿霜約10 mm厚，化霜盤管溫度傳感器降到-16 ℃開始化霜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用重力流路分布的情況，6 min就化霜干凈，化霜溫度傳感器溫度很快升到化霜退出溫度20 ℃。而在混合流路分布情況下，超過8 min后翅片換熱器靠底部6根管上還有薄薄的一層霜，達(dá)到最大除霜時(shí)間后霜仍沒化干凈，化霜溫度傳感器處溫度升到-1 ℃左右不再上升。

由圖8和圖9測(cè)得的兩種流路分布情況下化霜過程功率和吸熱量變化也可佐證這種現(xiàn)象。從圖8和圖9可得知，圖8化霜過程平均功率1 854 W，比圖9化霜過程1 778 W大4%的功率。吸熱量的變化就特別明顯，圖8化霜過程吸熱量在2 min后就迅速上升，到6 min左右最高升到10 500 W，全過程平均吸熱量6 013 W，而圖9化霜過程吸熱量在接近2 min處升到5 500 W附近又回落，后又上升到近6 000 W處又快速回落到2 200 W的制熱量，整個(gè)過程平均吸熱量3 789 W，只有圖8平均吸熱量的63% 。

圖8 重力流路化霜過程功率和吸熱量隨除霜時(shí)間變化

從理論上分析，出現(xiàn)這種混合流路分布比重力流路分布化霜效果差異大的原因，主要是在混合流路中，下部分流路液體區(qū)域液體流動(dòng)是逆重力流動(dòng)，在相同流量情況下，流動(dòng)阻力明顯大于上部分流路，由于化霜過程冷媒在翅片換熱器中處于低溫冷凝，冷凝壓力低，冷媒流動(dòng)動(dòng)壓小，流動(dòng)阻力作用明顯，下部分流路因流動(dòng)阻力明顯大于上部分流路，造成冷媒在下部分流路的管道中流動(dòng)緩慢甚至在下部分管道低位處沉積，換熱效果就明顯下降。

圖9 混合流路化霜過程功率和吸熱量隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

1）分別采用圖2和圖3兩種不同流路分布的低環(huán)境溫度空氣源熱泵采暖機(jī)，在名義制熱工況、低溫制熱工況的制熱量和能效比方面差異不大。2）在制冷方面，在制冷量、制冷能效比上重力流路略好于混合流路，但整體來說，差異很小，在4% 范圍內(nèi)。3）在化霜效果上，兩種流路分布差異較大，采用圖2重力流路分布方式，化霜效果好，化霜徹底，而采用圖3混合流路分布方式，化霜效果差，化霜不干凈，帶來隱患。4）在關(guān)注穩(wěn)態(tài)過程時(shí)，更要關(guān)注非穩(wěn)態(tài)的一些工況和條件。