空气源跨临界CO2热泵系统热气除霜的实验研究

胡斌,曹锋,邢子文,何志龙

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)



空气源跨临界CO2热泵系统热气除霜的实验研究

胡斌,曹锋,邢子文,何志龙

(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)

为了解决跨临界CO2热泵系统在低温环境下运行蒸发器的结霜问题,对一种可应用于CO2跨临界循环的热气除霜方法进行了实验研究。在对热气除霜过程中系统循环特性分析的基础上,搭建了空气源跨临界CO2热泵热水器实验台,根据系统各参数点压力和温度变化曲线的实验结果,分析了除霜过程中系统循环的变化规律和蒸发器的除霜特性,发现除霜时热泵系统的流量增大,气体冷却器内的温降减小,故增大气体冷却器出口的CO2气体温度是提高除霜效率的关键。同时,结合实时采集的蒸发器表面霜层变化图像,分析了蒸发器的动态除霜过程,直观观测了热气除霜的除霜效果,整个除霜过程保持了600 s,热气除霜的除霜效率为35.6%。根据实验结果可以得出,热气除霜方法是用于空气源跨临界CO2热泵系统除霜切实可行的方法。

热气除霜;跨临界CO2系统;除霜特性;除霜效率

在空调和热泵系统应用领域,CO2是一种很有前途的替代制冷剂。作为一种天然制冷剂,CO2具有价格便宜、容易获取、化学性能稳定和安全性好等优势[1]。考虑到在气体冷却器内制冷剂温度滑移和水温升高的完美匹配,空气源跨临界CO2热泵系统作为热水器具有其他供热方式无法比拟的优势,这使得空气源跨临界CO2热泵热水器成为热水供应的首选[2]。

众所周知,翅片管式蒸发器表面温度低于水的冰点温度和空气的露点温度时会导致蒸发器表面结霜,大量堆积的霜层会堵塞翅片间的空气流动通道,增大空气侧的换热热阻,导致蒸发器的传热性能降低,蒸发器风扇功耗增加[3-4]。要消除这些影响,蒸发器翅片表面的霜层要及时除去,在传统制冷系统中一般采用的方法有热气旁通法[5-6]、反向除霜法[7-11]、电加热方法[12-13]、显热除霜方法[14]和自然循环除霜法[15]。

然而,对于具有工作压力高和跨临界传热特性的空气源CO2热泵系统来说,传统的除霜方法不能直接采用。为了解决空气源跨临界CO2热泵系统的除霜问题,不伦瑞克工业大学的Mildenberger搭建了一个空气源跨临界CO2热泵系统实验台,在实验台上对自然循环除霜方法进行了验证。在跨临界CO2热泵自然循环除霜方法中,因此霜层融化所需的热量来源于热水箱,由系统中制冷剂的重力循环输送到蒸发器中,除霜时间较长。自然循环除霜方法的不足之处是热水箱中的温度会降低,从而导致使用时的热水发生温度波动,更重要的是,蒸发器和气体冷却器之间必须保持一定的高度差,以促进重力循环。2011年Minetto开发了一种跨临界CO2热泵机组的除霜方法[16],该方法是采用压缩机排气旁通到蒸发器中进行除霜,同时低压储液罐的外表面布置了一个900 W的电加热器,整个除霜过程约19 min,直到蒸发器的温度达到10 ℃为止。但是,该方法只对整个除霜过程中温度的变化进行了分析,而没有对系统压力的变化进行研究,无法验证除霜理论的正确性,关于跨临界CO2热泵系统的除霜特性更是无从谈起。

因此,对于除霜效率高、热水温度影响小的切实可行的除霜方法的研究就显得非常重要。为了解决空气源跨临界CO2热泵系统的除霜问题,本文提出了热气除霜的解决方法,重点对空气源跨临界CO2热泵系统的除霜特性和系统循环变化做了详细的分析。通过搭建实验台,对除霜过程中系统动态参数变化做了比较分析,得出了不同阶段的系统循环特性,并对空气源跨临界CO2热泵系统热气除霜的除霜效果进行了直观分析,最后对热气除霜方法的除霜效率进行了评价。

1 热气除霜方法

热气除霜方法为:在除霜过程中将与电子膨胀阀并联的除霜电磁阀打开,经过气体冷却器降压后的制冷剂气体直接流入蒸发器,在蒸发器内通过冷凝放热融化霜层,如图1所示。整个除霜过程中压缩机不中断,而水泵和蒸发器风扇停止工作。

图1 热气除霜系统图

如图2所示,热气除霜系统循环可描述为6个过程:1—2表示低压和低温的制冷剂气体被压缩成高压、高温的制冷剂气体;2—3表示高温、高压制冷剂气体在气体冷却器内的降压过程,温度也会部分降低;3—4表示在中间换热器内的部分降压、降温过程,用于加热蒸发器出口的气液两相混合物;4—5表示中间压力的制冷剂气体通过除霜电磁阀节流后成为低压的制冷剂气体;5—6表示气相制冷剂在蒸发器中冷凝释放热量、融化蒸发器翅片上的霜层;6—1表示了蒸发器出口的气液两相混合物在中间换热器中的加热过程,使液体制冷剂汽化,有助于防止压缩机液击。

图2 热气除霜系统循环P-h图

在正常的热泵运行过程中,蒸发器是用于从环境空气中吸收热量,电子膨胀阀节流后制冷剂两相混合物在蒸发器中蒸发吸热,最后在中间换热器内变成过热气体。当除霜过程开始时,在蒸发器中部分制冷剂冷凝放热,而热量通过管壁传递到霜层,吸收了热量的霜层开始融化。

2 测试环境及实验台搭建

2.1 测试环境

除霜实验是在西安交通大学压缩机研究所“余热回收高温热泵系统实验室”内进行的,该实验室由环境室、空气控制调节系统、给水控制调节系统、电气控制系统及数据采集系统5部分组成[17]。实验的基本测量手段是水量热计法,可以准确测量水源热泵冷热水机组和空气源热泵冷热水机组的水侧换热量、功耗以及系统能效比等数据。

实验室空间大小为6.3 m×4.6 m×4.8 m,室温控制范围:干球温度为-20 ℃～55 ℃,湿球温度为2 ℃～45 ℃,实验室测试仪器设备的详细信息如表1所示。

表1 测试仪器设备

2.2 实验台搭建

针对空气源跨临界CO2热泵系统的热气除霜方法,可以采用应用广泛的空气源跨临界CO2热泵热水器进行实验研究,搭建的空气源跨临界CO2热泵热水器系统如图3所示,其中包括半封闭活塞式压缩机、套管气体冷却器、干燥过滤器、套管中间热交换器、电子膨胀阀、翅片管蒸发器、储液器和除霜电磁阀。在除霜开始时,除霜电磁阀打开,水泵和蒸发器风扇停止运转,经过气体冷却器和中间换热器降压后的制冷剂气体直接通过电磁阀流入蒸发器,温度较高的制冷剂气体在蒸发器内冷凝放热,蒸发器温度迅速升高同时霜层开始融化,气液两相的制冷剂流出蒸发器进入气液分离器,分离后的制冷剂气体经过中间热交换器最后回到压缩机,作为下一个循环的开始。

图3 跨临界CO2热泵热水器系统图

在热水供应过程中,经过电子膨胀阀节流后的制冷剂变成低温低压的气液两相混合物,通过蒸发器翅片吸收周围空气的热量,最后在中间换热器内被加热成过热蒸气。在除霜过程过程中,部分制冷剂在蒸发器内冷凝放热,热量通过管壁翅片传递到霜层,霜层吸收热量后开始融化。

在实验中选用环境干球温度为2 ℃、相对湿度为80%的典型结霜环境条件,进水温度采用西安地区采暖季的平均自来水温度12 ℃,变频水泵通过改变供给电机的电流频率进行调节,以保证出水温度在80 ℃以上。系统的最优排气压力由步进电机驱动的电子膨胀阀调节,当进入除霜的条件满足时除霜电磁阀打开,除霜开始。

3 实验结果及分析

在标定各测试设备和完善自优化控制的基础上,经过长时间运行实验,得到除霜时系统参数的动态变化和蒸发器表面霜层的照片,并根据融化霜的速度快慢和除霜时的条件设定,得出典型工况下的系统参数变化特性和除霜效率。

3.1 系统参数变化

基于测试条件和所搭建的实验台,记录了整个结除霜过程中的系统参数变化,选取典型结霜环境工况下的实验结果来说明热气除霜的动态系统参数变化。为了进一步研究除霜特性,对除霜过程中参数的变化做了更具体的分析。

图4显示了在除霜过程中系统主要测试点的压力变化。在195 s打开电磁阀时,压缩机排气压力和气体冷却器出口压力发生了跳跃,随后都缓慢增大,到330 s时分别为8.78 MPa和6.12 MPa,并随着霜层的逐步融化保持稳定。除霜过程结束前,压缩机排气压力和气体冷却器出口压力分别上升到9.26 MPa和6.54 MPa,随后除霜结束,系统关机。由于中间换热器高压侧的压降在0.01 MPa左右,电磁阀进口压力稍低于气体冷却器出口压力,故两条曲线基本重合。在开始除霜时,电磁阀出口压力(蒸发器入口压力)和吸气压力都很快增长,然后进入一个相对稳定的过程。以吸气压力为例,由195 s的2.69 MPa迅速增加到255 s的3.27 MPa,在255～690 s时吸气压力基本不变,在690 s后慢慢升高。根据图5中各系统测点压力变化可把热气除霜过程分为3个阶段:195～315 s是第1阶段,这一阶段主要是提高蒸发器的温度,供给的热量只有一小部分用于融霜;此后系统逐渐进入第2阶段,所有的压力都维持相对稳定,这个阶段大约持续400 s,所有进入蒸发器的热量都用于融化翅片表面的霜层,对于霜层而言,属于潜热除霜阶段,整个系统运行在一个稳定的条件下;第3阶段从715 s开始到除霜过程结束,大部分的热量用于加热蒸发器而不是融化霜层,这一阶段被称为蒸发器加热阶段。

图4 除霜过程中压力变化

从图4中可以看出,气体冷却器在除霜过程中的压降远远大于热泵供热过程。气体冷却器内CO2气体的流量增大,压降从供热过程的0.5 MPa增大到除霜时的2.6 MPa。这是由于在除霜过程中电磁阀打开,系统中CO2的质量流量随着蒸发压力的升高而增加,导致气体冷却器的压降增大,同时也可能由于电磁阀的膨胀系数较低,使得蒸发器内的压力通过电磁阀影响到气体冷却器内的压力。

在除霜过程中环境温度保持不变,系统中各测点的温度变化如图5所示。压缩机排气温度在195 s时急剧下降后趋于稳定,在330 s之后保持在82 ℃,在除霜后期出现小幅回升,除霜循环在795 s结束,气体冷却器出口温度从195 s的38 ℃下降到315 s的31.6 ℃,而在315 s后从31.6 ℃上升到510 s的42 ℃。电磁阀进口温度和气体冷却器出口温度的变化趋势相同,并保持相对稳定的温度差,在除霜过程后期的温度差为13 ℃。电磁阀出口温度和吸气温度分别在195 s后上升到2 ℃和-0.2 ℃,并在接下来的一段时间内保持相对稳定。积累的霜层完全融化后,电磁阀出口温度和吸气温度缓慢升高,直到除霜过程结束。

图5 除霜过程中温度变化

从图5中可以看出,CO2气体在气体冷却器内的温降从除霜开始的70 ℃下降到除霜结束时的35 ℃,这么大的温差变化表明了CO2气体内能的大量消耗用于加热存储在气体冷却器内的水和气体冷却器本身的材料温度。虽然这些热量可在热泵热水器恢复正常供热时回收,但对除霜起不到任何作用,反而大大降低了除霜效率,延长了除霜时间。这一发现促进了除霜方法的改进,通过增加气体冷却器出口CO2气体的温度可进一步提高除霜效率和加快除霜速度。

从图5中的温度变化可以进一步验证除霜过程分为3个阶段的正确性,跨临界CO2热泵系统热气除霜过程可描述为:第1阶段(195～315 s),加热蒸发器盘管和霜层属于除霜预热过程,直到蒸发盘管表面温度霜层融化温度;第2阶段(315～715 s)是稳定除霜过程,蒸发盘管表面温度保持在融化温度点,这个阶段主要是潜热传递过程;第3阶段(715～795 s)是显热传递的加热过程,加热蒸发器盘管和换热翅片,直到除霜周期的结束。

图6 除霜过程中蒸发器表面霜层变化

3.2 除霜效果

除霜效果是评判除霜方法好坏的直接判断标准,采用高清相机记录的蒸发器表面霜层的动态变化,可分析除霜方法的实际效果。

图6中显示了整个除霜过程中蒸发器表面霜层的动态变化图像。从0 s开始超过80%的蒸发器空气流道被霜层覆盖,蒸发器换热开始恶化;到75 s时空气通道被霜层几乎完全堵上,此时蒸发器换热已经恶化;195 s时蒸发温度已经下降地非常明显,换热温差已经达到了除霜的设定值,此时电磁阀打开,除霜开始。除霜过程是一个相对较快的过程,为了更清晰地显示整个除霜过程和研究除霜过程中的除霜特性,得到了多张不同时刻的照片,如图6所示,这更有助于观察热气除霜方法的除霜效果。

在除霜进行到255 s时,系统循环的质量流量增大,CO2气体在蒸发器内通过冷凝放热融化霜层,蒸发器内的参数变化明显,蒸发器翅片表面霜层开始松散、融化;到375 s时,近50%的霜层已经被融化,此时属于稳定除霜阶段,蒸发器的换热主要用于融化霜层,参见495 s、555 s时的照片,可以看到霜层进一步融化,到715 s时霜层全部融化成水;到755 s时,蒸发器翅片上的水分开始蒸发,蒸发器温度升高,直到翅片温度达到除霜退出条件。

3.3 除霜效率

除霜效率是评价一个除霜方法最重要的评估标准。针对跨临界CO2热泵热水器,除霜效率定义为在整个除霜过程中实际融化霜层所消耗的能量和系统整个供给总热量的比值,即

(1)

在整个除霜过程中,只有压缩机功耗转化为能量输入系统中[17],所以系统总能量为

(2)

式中:ηel为压缩机的等熵效率,取0.68;H为压缩机输入功率。融化霜层的总热量为

Qf=m(CP,fΔTf+Lf)

(3)

式中:m是除霜过程中收集的总融水量;CP,f是霜层的比热容;Lf是霜的汽化潜热。

在选定的实验工况下,整个除霜过程中的除霜效率是35.6%,相比于普通制冷循环的除霜效率在40.4%～58%而言[10],该效率是低了一些,主要是因为热气通过气体冷却器时压降特别大,散失了大量的热量,同时为了加热气体冷却器内的水还需要吸收一定的热量,所以整个除霜过程中的效率偏低。相比于自然循环除霜过程,CO2热泵热水器热气除霜方法更为合理而且节省时间。

4 结 论

本文对空气源跨临界CO2热泵系统的热气除霜系统循环进行了研究,重点分析了跨临界CO2热泵热水器热气除霜时的系统参数变化和蒸发器表面霜层的变化,结合所拍摄的实时图像,得出跨临界CO2热泵热气除霜的特性以及系统循环变化。为了进一步研究跨临界CO2热泵热水器除霜的实际效果,根据在典型结霜环境条件的实验,得出了除霜效率。在实验结果的基础上,得到以下结论。

(1)跨临界CO2热泵热气除霜过程可描述为3个阶段:第1阶段是预热阶段,主要是加热蒸发器盘管和霜层,直到蒸发器表面霜层温度达到融化温度;第2阶段是稳定除霜过程,蒸发器表面霜层温度保持在融化温度,也可以称为潜热除霜阶段;第3阶段是蒸发器加热阶段,用于加热蒸发器盘管和换热翅片,直到除霜周期结束。

(2)在热气除霜过程中,气体冷却器内CO2气体的流量增大,导致气体冷却器内压降从供热过程的0.5 MPa增大到除霜时的2.6 MPa。

(3)气体冷却器进出口的温差变化表明,CO2气体的内能大量消耗且用于加热存储在气体冷却器内的水和气体冷却器本身的材料;减小气体冷却器进出口温差,提高气体冷却器出口CO2气体的温度,是提高除霜效率的关键。

(4)结合实时采集的图像和除霜效率可以得出,热气除霜的效果比较理想,除霜效率在35.6%,这对于跨临界CO2热泵系统来说是合理有效的除霜方法。

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(编辑 赵炜 荆树蓉)

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。 作者简介:胡斌(1985—),男,博士生;曹锋(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目:新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0449);工商制冷行业HCFC淘汰管理计划项目(C/III/S/13/489)。

时间: 2014-12-30

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

10.7652/xjtuxb201503013

TH327

A

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