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1、热泵机组充注补偿对化霜的改进1. 引言热泵机组在冬季制热运行时，由于室外温度低，蒸发器表面会逐渐结霜，当霜层加厚到一定程度 就需要除霜，除霜是否彻底是必须要关注的问题。如果除霜不彻底，进入制热后，未除掉的霜层和除 霜水将会冻结成密度较大的霜或冰，很难再在下一次化掉，影响制热效果，造成低压保护，排气温度 过高，甚至导致压缩机损坏。目前热泵机组常用逆向除霜法进行除霜，根据国标规定，化霜时间不能 超过总制热时间的 20%，在长江流域等结霜严重的地区，由于化霜频繁，研究如何缩短化霜时间，使 其在规定时间内化霜彻底，显得尤为重要。2. 试验和现象我们以 HLRS25 机组为例，进行化霜试验。该机组水侧换
2、热器为板式换热器，单个热力膨胀阀节 流，制冷剂充注量为7 kg，化霜时间最长为6分钟。图（1）为实验时化霜过程中高低压力和压缩机 功率曲线图。从图 1 可以看出，与额定制冷工况相比，化霜开始时 180 秒内，系统吸排气压力很低， 制冷剂循环量和压缩机输入功率远远低于额定制冷工况，因此蒸发器从水路系统吸热也很少。 180 秒 内以后，虽然系统的高低压有所升高，但是与额定工况相比还是有较大差距。由于化霜的热量主要来 源于压缩机输入功率和通过蒸发器从水路系统吸热，因此，通过以上分析，我们就可以判断， HLRS25 机组的化霜能力不足。在实验过程中，我们也注意到，化霜开始后前三分钟，霜层变化很少，到了
3、后 三分钟化霜速度明显加快。到6分钟时，退出化霜，但是仍有近1/4结霜面积没有化完，证明HLRS25 机组确实化霜能力不足。3. 分析和计算通过以上实验现象和系统运行参数的分析，我们可以得出如下结论：1）在HLRS25机组的一个化霜周期（6分钟）内，前3分钟系统基本不具备除霜能力，真正用于除 霜的时间只有化霜周期的一半左右。因此，增加有效的化霜时间是增加机组化霜能力的重要途 径。2）在化霜周期的后三分钟时间内，由于高低压没有完全建立起来，制冷剂循环量较小，化霜能力 不足。因此，提高化霜时压缩机的输入功率和增加制冷剂循环量是缩短化霜时间的重要途径。文献 1提出热泵系统使用双膨胀阀，化霜时的吸排气
4、压力比单膨胀阀高。文献2 提出采用高低压 旁通的方法和增大电子膨胀阀开度。上述两种方案，都是通过增大节流元件流通量来加大制冷剂流量， 减少除霜动作早期吸气压力及排气压力的衰减量，可以减少化霜时间。但是，上述两种方案都没有从 提高除霜时制冷剂供应量的角度提高制冷剂流量，在提高制冷剂流量的同时，使高低压压差迅速减少， 不利于提高压缩机输入功率。因此，除霜时需要考虑提高制冷剂供应量，这样不仅能有效的提高除霜 时制冷剂循环量，而且同样有助于快速建立高低压，提高压缩机的输入功率，从而加速化霜的进程。通过对系统充注量的分析可以发现，除霜早期吸气压力低最主要的原因在于制冷剂充注量远低于 化霜时系统所需。因为
5、充注量是按照制冷名义工况下的要求充注的，化霜条件下由于冷凝效果的大幅 提高，冷凝器和储液器内积聚了大量的制冷剂液体，要使系统保持较高的高吸排气压力，就需要较大 的充注量。以 HLRS25 机组为例做一个估算：机组参数：板式蒸发器型号： CB52-48HX,48 片，氟侧内容积2.251 ；套片式冷凝器：3排，0 9.52X0.35, 40孑L,长度1830。要使维持系统能在高压压力冲霜前达到0.7MPa以上，通过以下计算需要充注的制冷剂：1. 冷水机组在化霜时，冷媒水仍处于流动状态，制冷剂仍能够蒸发，如要维持足够的制冷剂用于蒸 发，制冷剂按照湿蒸气干度法进行计算，忽略过热蒸气段，可以粗略估计蒸
6、发器所需充注量。m =p + （1 x ）p dv（ 1）e eee0 ee式中p 和p ”分别表示蒸发温度下，制冷剂饱和液体和饱和蒸气的密度，kg/m3； x表示干度。eeV 为板式换热器氟侧内容积。假定干度沿体积方向均匀变化，即 e2）1 一 xx =0 V + xV0 e其中x0为蒸发器入口处的制冷剂干度，代入（1）式，可得:VVm 二 e p (1 x ) + e p (1 + x ) e 2 0 2 02.冷凝器按照三段计算，即过热蒸气段0l ；两相段ll ；和过冷段l1。按照冷凝负荷和 1 1 2 2 c化霜工况循环压焓图，再根据沿程干度和密度计算充注量。设冷凝器分路数为n，每路管
7、长为l，c冷凝器传热管内半径为 R 。C+ f lc p dll2=nn R 2 J11p dl+ f12Lp + (1 x )p J/lC 0cl 1cc4)式中 p 和 p 分别表示冷凝温度下，制冷剂饱和液体和饱和蒸气的密度， kg/m3；。 cc为了对上式进行积分计算，需要确定l和l，并确定干度x的表达式，为此需要建立过热段和饱和段的热平衡方程。a）过热段：0 l1m(h 一 h) = q A l2 2 c c 1式中：q为冷凝热流密度，kW/m2;（假设q沿程不变，翅片外表面为0C的水），A为单位长ccC度冷凝器各分路总外表面积， m2/m； h2为冷凝器入口处制冷剂的焓,kj/kg;
8、 h为在制冷剂变为干饱和蒸气处的焓， kj/kg。所以m (h h )l =221 q Accb) 饱和段 l l12一 m r dx = q A dlcc7）r 表示冷凝压力下制冷剂的汽化潜热。 c积分得cc在干度x变为0处，即长度l2m rl 二 l + 丁2 1 q Acc 代入方程可得： m -p ”) () Im = n n R 2 cC c c 2 q A22 c Jcc10)而_Q_m = ch 一 h23人-Q-A =0 c = cc l q lccc11)12)式中：h和h分别为冷凝器中制冷剂进出口焓，kj/kg； Q为冷凝器热负荷，kW； A为冷凝器总外23Qc0 c表面积
9、， m2;所以一L （h h）+ J（c 2 h - h 丿 22 c233. 压缩机和管路、气液分离器内的制冷剂，按照有效容积和密度分别计算）+（14)m = p vln n1式中： p 为上述部件中制冷剂在工况下的密度， v 为有效容积nn4. 制冷剂总充注量：m = m + m + m（15）ecl按以上方法计算，HLRS25机组化霜工况下（设冷凝压力为0.7Mpa,蒸发压力为0.15 Mpa）,要求 充注量约为10kg。由此可见，化霜时对制冷剂的实际需求非常大，因此增加充注量对化霜是十分必 要的。机组原有充注量仅为7kg。另外，系统中有一个高压储液器容积为31 （因为要考虑制热最大压
10、差运行时制冷剂的存储），化霜时高压储液器内充满液体，因此最后投入系统的循环制冷剂仅为3.4kg。 高压储液器的存在实际严重影响了化霜的效果。但是要减小或取消高压储液器必须要考虑制冷和制热 制冷剂不平衡的问题，对板换机组，两者的差异是很大的，如果取消高压储液器，必然引起制热时高 压保护。4. 结构改进补偿器接在四通阀和风侧换热器之间，补偿器中间是铜管，铜管外是一个容器，通过一根9mm的 铜管与膨胀阀前相连。制冷时，补偿器内管流过高温气体，壳体内没有液体存在，制冷剂全部投入制 冷循环。制热时，补偿器内管流过低温气体，壳体内高压制冷剂会逐渐凝结下来，最终充满液体。这 样就能够平衡制冷和制热两种状态下
11、对制冷剂充注量的不同要求。化霜开始后，补偿器内管流过高温 气体，壳体储存的制冷剂液体部分蒸发后，将其他液体从壳体内排出进入循环。用补偿器代替高压储 液器后，不仅制冷制热的制冷剂不平衡得到解决，更重要的是，化霜时制冷剂全部能投入循环，从而 使高低压力迅速提高，加快了化霜速度。补偿器的容积通过对制冷和制热两种工况下制冷剂充注量差异的计算或试验得到，计算时要考虑 到制热极限工况（如最大压差工况）的运行需要，防止出现运行压力过高。5. 试验我们将HLRS25机组按照图2结构进行了改造，将高压储液器改为2.51补偿器，充注量仍为7kg。 首先我们进行额定制冷和制热工况试验，试验结果表明制冷和制热性能与改
12、造前基本相同。随后进行 了化霜试验，实验过程中可以发现，85 秒钟后霜层开始变色，120 秒钟时开始滴水，4 分钟时只剩下 部分残霜，5 分钟时霜层已经完全化干净，退出化霜。与采用补偿器之前相比，不仅化霜速度明显加 快，而且化霜更彻底，化霜时间可以减少 1 分钟，提高了热泵机组冬季制热性能。图（3）带补偿器的热泵机组化霜过程运行参数曲线化霜过程中我们同时对高、低压压力以及压缩机输入功率进行了监测，如图3 所示。与图 1 相比， 化霜时高低压和压缩机功率上升速度明显加快，三分钟时，高低压压力分别达到了 6bar和2bar左右, 明显高于没有采用补偿器时的4bar和lbar。同时，压缩机的输入功率
13、也有了明显的提高。可见，采 用补偿器的风冷热泵机组，在提高了制冷剂循环量的同时，明显的提高了系统高低压压力，化霜能力 提高显著。6. 总结通过以上的理论和实验研究，我们可以得出如下结论：（1）化霜运行时，系统吸排气压力过低是造成化霜速度慢、化霜不彻底的重要原因。（2）要维持化霜初期高压在一定的水平，需要较大的制冷剂充注量。（3）高压储液器的存在影响了化霜时系统循环量，使吸排气压力降低。（4）使用制冷剂补偿器后，增加了系统循环量，可以使化霜效果得到改善。参考文献1 史剑春.两种不同的节流系统对融霜的影响J.流体机械，1994； 22 （7）2 黄虎，等.提高风冷热泵冷水机组结霜工况下性能的途径J.建筑热能通风空调，2000； （1）3 罗南春.空调器制冷剂充注量的计算J.山东建筑工程学院学报，1998； 13 （4）4 石文星，等.房间空调器热气旁通法除霜分析及实验研究J.制冷学报，2000； （2）
