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1、风冷热泵旁通除霜问题的研究风冷热泵旁通除霜问题的研究刘清江 韩学廷 天津商学院机械工程学院制冷与空调系 天津 300134 摘要本文通过对风冷热泵冷热水机组冬季制热运行时换热器结霜与除霜问题的研究， 针对一种常见的逆循环除霜中旁通除霜法研究，提出了相应的减少除霜损失的方法。 关键词：风冷热泵 除霜 旁通1 引言 风冷热泵冷热水机组作为中央空调系统的冷热源，自 20 世纪 90 年代初进入我国。由 于其安装方便、运行操作简单，节能及易于模块化集成等特点，十几年来得到了长足的进 展。随着制冷技术的不断进步，其使用范围不断拓宽，已经从原来的华南及长江流域迅速 扩展到黄河流域及广阔的大西北地区。但是，
2、这些地区的冬季气温普遍较低，使得这类机 组在制热运行中出现了一些问题，如压缩机烧坏、制热量不足、换热器结霜等。其中，以 风侧换热器的结霜问题最为普遍1。由于结霜及融霜的传热学机理较复杂，并且受环境温 湿度的变化影响较大，实现其优化控制十分困难。这个看似很小的问题，却往往给机组的 运行带来很多麻烦。本文对逆循环除霜方法中旁通除霜法进行分析、研究，进而发现了加 速除霜过程、减少除霜损失的方法。 2 除霜过程分析 结霜现象的产生，是风冷热泵系统与环境相互作用的结果。机组冬季制热运行时， 室外翅片管换热器作蒸发器，当翅片管表面温低于 0且低于大气露点温度时，风侧换热 器表面即要结霜。在大气温度较低而相
3、对湿度较大的情况下这种现象尤为严重。当翅片管 表面的霜层达到一定厚度时，将对风冷热泵机组的运行产生不利影响，一方面霜层增加了 从大气向风侧换热器的传热热阻，更为严重的是由于霜层的增厚，使风侧阻力增加，空气 流量减少，风侧换热量降低。文献2对一台气一气式热泵的实验表明，当室外换热器空气 流量由无霜时的 74m3/min 降到 20m3/min(即下降 75%)时，空气侧换热量下降 20%。当霜层 增长到一定厚度时，风机电流也迅速上升3，风机性能衰减，导致机组保护。为此，当风 侧换热器霜层发展到一定程度时必须除霜。 目前，除霜性能的改进与许多因素有关，如风侧换热器结构与表面处理、压缩机性 能、除霜
4、控制方式456等。而风冷热泵采用较多的除霜方式为反循环除霜，除霜时四通 换向阀动作，风侧换热器与水侧换热器的功能对调，风侧换热器作为冷凝器，水侧换热器 作为蒸发器，用压缩机排气除霜。除霜时机组停止向供热对象供热，对于冷热水机组，除 霜时不能象气一气式热泵可以停止室内风机的运转，而仍要维持循环水的流动，循环水通 过蒸发器，水温下降的幅度较大，对空调的舒适性影响较大，机组的供热 cop 也下降。因 此，有必要缩短除霜时间。从能量的来源和利用两方面分析可以得出：除霜所需的能量主要有:1）霜层(或冰)温度 升高所需的能量;2）霜层(或冰)融解所需的融解热; 3）风侧换热器翅片及铜管升温所需的能 量 ;
5、4）散失到室外空气中的热量。制冷剂吸收的能量主要有: 1）水侧换热器水温降低所提 供的热量;2）水侧换热器板片降温所提供的热量;3）压缩机所作的功;4）压缩机壳体降温所 释放的热量。因此，根据热力学定律，我们便可以得出，制冷剂吸收的能量等于除霜所需 要的能量，所以，加快除霜过程及减少除霜损失的措施是增加压缩机的输出功率用以提高 制冷剂吸收能量的速度。本文是通过热气旁通法中，应用融霜电磁阀，从而提高压缩机的 输出功率，加速融霜。图 1 风冷热泵制冷循环原理图根据图 1，风冷热泵制冷循环原理压-焓 图如下图 2 所示。图 2 风冷热泵制冷循环原理压焓图由于系统中毛细管阻力远大于旁通电磁阀阻力,故工
6、作时，制冷剂几乎全部被旁通至 室外换热器中进行融霜,制冷剂在系统中的流动路径为 1”-1-2-3-4-1-1” 即压缩机 从气液分离器中吸入饱和蒸气 1”压缩至排气状态 2,经过旁通电磁阀降压节流至状态 3,进 入室外换热器内,与换热器内部的两相制冷剂 5 混合成状态 4,在压缩机连续的抽吸过程中,两 相制冷剂 4 沿换热器盘管内部通道将热量排放至霜层,进一步冷凝至状态 1,并克服盘管阻力 返回压缩机吸气管前端的气液分离器中,被分离出的液体 1.贮存在气液分离器内,气体 1”再 次进入压缩机压缩成高温蒸气。 实验中，考虑除霜开始温度要根据不同的环境温度而相应调整。环境温度升高时. 除 霜开始温
7、度应随之提高， 环境温度下降时.除霜开始温度应随之降低。所以，用两个传感器感应盘管温度和环境温度，两者的温度差值控制除霜开始。具体讲，采用差动型除霜温 控器是热泵式冷暖空调机除霜控制的一种新方法.它可消除了室外环境的影响.大大改善了除 霜效果，提高了热泵效率。 实验中发现，空调器进入除霜后,必须要求一次性地将霜层除干净,一旦未除掉,又进入 制热过程,未除掉的霜层和除霜水将会快速地冻结成为密度较大的霜或冰,当系统再次进入除 霜时,很难将霜层除掉。由于热气旁通除霜,系统不可能从室内取热,其除霜热量相对较小,为 避免制冷系统除霜不净或出现误除霜现象发生,采用当换热器盘管温度大于 3,此时压缩机 回气
8、管温度均回升至 0或 0以上,和室外温度三者作为除霜判据，并进行智能控制，可 取的良好的节能效果。 同时，实验中也发现，在除霜过程中,空调器除霜过程所消耗的电能大小取决于除霜时 间的长短和瞬时耗功率的大小,而除霜时间直接与除霜电磁阀的阻力和能否关断液体管有关。 即采用热气旁通除霜时,宜选用局部阻力较小或阀芯通径较大的电磁阀,在采用电子膨胀阀节 流的空调系统中,采用热气旁通除霜时,电子膨胀阀完全关闭,可以缩短除霜时间,并且有良好 的节能效果。4 结论 热气旁通除霜过程中,制冷系统不需要从房间内取热,室内盘管温度高于室内温度,对改 善室内舒适性有利。但是，旁通除霜电磁阀的选取直接影响除霜时间及除霜
9、效果。而采用 阻力小的电磁阀可缩短除霜时间，除霜效果良好。 实验中发现，以盘管温度和环境温度，两者的温度差值控制除霜开始，蒸发器盘管温 度作为结束除霜的判据之一,可以确保开始除霜的最佳时刻，同时，除霜干净，彻底。取得 良好的节能效果。此外，采用电子膨胀阀和旁通除霜电磁阀组合除霜,耗功减小,可较大程度 缩短除霜时间,且除霜效果良好。参考文献 1 O，Neal DL，Tree D R .A review of frost formation in simple geometriesJ.ASHRAE Transactions .1985，91(2):267 一 281. 2 Darin w Natt
10、er，etal. Impact of the suction line accumulator on the frost/defrost performance of an air 一 source heat pump with a scroll compressorJ. ASRRAE Trans，1990，96:11 3 黄虎等. 风冷热泵冷热水机组结霜工况下运行特性的实验研究J. 流体机械，1998(12)： 4347 4 Baxter V D，etal. Field-measured cycle，frosting and defrosting losses for a high- eff
11、iciency air-source heat pumpJ. ASRRAE Trans，1985，91(2B-2) 5 Payne V，etal. Defrost cycle performance for an air-source heat pump with a scroll and a reciprocating compressorJ. lnt JR，1 995，18(2) 6 John A Hard，etal. Adaptive defrostJ. IEEE Trans，1988，24(l) 备注： 刘清江 男 出生：1963.06.10 学历：1988 年大连海事大学 硕士研究生
12、毕业 现正在天津大学就读博士研究生 职称：副教授 研究领域：低温与制冷 联系电话：022-81313263 E-MAIL:liu-风冷热泵旁通除霜问题的研究风冷热泵旁通除霜问题的研究The Study of the Air Source Heat Pump during the ReverseCycle Bypass Defrost刘清江 韩学廷Liu-Qingjiang HanXueting 天津商学院机械工程学院制冷与空调系 天津 300134 Refrigeration and Air Conditioning Department Mechanic Institute Tianjin
13、Commercial College 300134摘要本文通过对风冷热泵冷热水机组冬季制热运行时换热器结霜与除霜问题的研究， 针对一种常见的逆循环除霜中旁通除霜法研究，提出了相应的减少除霜损失的方法。 Abstrct: This paper studies the question of air source heat pump frost/defrost during the making heat in winter. Put forward a method of reducing defrost energy during the reversecycle bypass defrost . 关键词：风冷热泵 除霜 旁通 Keywords: Air Source Heat Pump Defrost Bypass Abstrct: This paper studies the question of air source heat pump frost/defrost during the making heat in winter. Put forward a method of reducing defrost energy during the reversecycle bypass defrost .
