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空气能热泵的结霜和除霜
舒适家居网      2021-09-21 05:00     来源:     浏览量:47503

结霜和化霜的概念

空气中有大量的水蒸气,当水蒸气遇到较冷的物体,并低于露点温度时,就会结露。空气能热泵风侧的换热器是蒸发器,液态冷媒在管翅式蒸发器中膨胀蒸发,需要吸收空气中大量的热量,这些热量来自空气中的显热和潜热。其中吸收潜热部分会导致翅片上结露。当环境温度低于5℃甚至更低时,此时的蒸发温度低于0℃,翅片也会低于0℃,结露的水就会变成细细的冰,这就是结霜。冰是热的不良导体,当蒸发器的表面覆盖上蓬松的霜时,就像穿上了“一件保暖的衣服”,换热能力急剧下降,这又导致了霜的进一步凝结。如此恶性循环,热泵的制热能力就急剧衰减。这是,如果不把霜除掉,轻则导致产水量下降,重的导致压缩机的回气量大幅减小,而导致压缩机排气温度过高,最终烧毁压机。因为回气不仅是压缩机做功的载体,同时也是压缩机机械和电器部分的冷却剂。所以化霜是空气源热泵无法回避的一个课题。

我们应该看到,结霜具有不好的一面,也要看到其有利的一面。毕竟空气中的水蒸气凝结成水,变成冰,释放出大量的热量被热泵吸收了,如果没有水蒸气,单纯的空气,其热容量是比较小的。假如我们每次霜的重量是1kg,那么我们已经吸收了1kg水的汽化潜热(2300kJ)和凝固热(330kJ),总供大约是2630kJ的热量。但我们化掉1kg的霜需要消耗多少热量呢?理论上讲,也就是330kJ就可以了,考虑到一部分热量损失,应该也不会超过600kJ。良好的除霜系统

一个设计良好的热泵系统,关键有四点,一是减少结霜的频率,也就是说,尽量让系统的无霜工作时间加长,二是准确的化霜的进入点,三是化霜的速度,四是退出化霜的准确度。

结霜的速度

结霜是不可避免的,但是,减缓结霜的速度是有可能的。结霜的速度和蒸发器,节流方式,风量和冷凝温度有关系。

A)蒸发器

蒸发器是决定热泵的吸热能力最重要的因素之一。由于热泵的工作范围远比空调的宽,而且空调主要侧重于制冷,一般设计室外换热器时是以制冷国标工况来选择的,也就是侧重于优先冷凝的设计。但热泵是需要优先蒸发的设计。蒸发器的设计要注意以下几点:

面积要比传统空调冷凝器大30%~50%,确保在环境温度较低时,仍能吸收到足够的热量;

翅片间距尽可能宽一些,要用波纹片或平片,不要用开窗片。片距推荐在2.5mm以上。

制冷剂分路尽可能多一些,要注意每路分配的均匀性。注意分配毛细管的尺寸的选择;

冷凝器的排数不宜超过4排。

B)节流方式

节流方式推荐用电子膨胀阀,不推荐采用热力膨胀阀和毛细管。由于环境温度范围跨度很大,从-15℃~43℃,热力膨胀阀很难满足如此大的温度范围,毛细管基本是固定流量的,更不推荐使用。

C)风量

常规空调冷凝器的风量一般设计在1马力的压缩机在800~1000m3/h左右,但对于热泵蒸发器,其风量会受到冷凝水的影响,所以,热泵蒸发器的风量要1马力的压缩机1200m3/h以上,在噪音能被接受的情况下,越大越好。需要注意的是,这是装在机器上实际的风量,而不是风机的标称值。

D)冷凝温度

冷凝温度也会影响结霜的速度。热泵是一个热量转移的装置,理想的状况是吸热能力和放热能力是匹配的。但当水温过低的时候,会出现过冷凝的情况,特别是循环式热水机在初始加热阶段,都会出现过冷凝的现象。当出现过冷凝现象时,冷凝压力降低,供液量增加,这时,如果这时环境温度在0-5度时,结霜速度就很快,系统反复地结霜和化霜,这是一种恶性循环。表现就是机器的能力明显下降,无法满足用户的使用要求,往往要靠辅助电加热,这又导致电费急剧上升,这也是所有低配置的循环式热水机的普遍现象,甚至在市场上给用户造成热泵夏天出水可以,冬天不行的印象。给热泵的推广造成很大的困惑。由于直热式热水机的冷凝温度和冷凝压力是基本恒定的,不存在过冷凝的现象,杜绝了因为过冷凝造成的结霜过于频繁的现象。提高了热泵的整体能效。

进入化霜的准确度

1)时间

按照国标,除霜间隔应在45分钟以上,但是首次启动应该不受此限制,避免由于上次运行的累积结霜造成的化霜不良。

2)温度

在一般情况下,工厂出厂设置的除霜进入点是-7℃,当环境温度是2~5℃时,环境湿度比较大时,应设置为-3℃.

制热量衰减

3) 结霜对热泵的最大影响是制热量衰减,如果能以制热量的衰减来判断进入除霜的时机,应该是比较准确的。目前PHNIX的直热是热泵是有制热量显示的。因为每个机器都有流量传感器,这样,机器在时间和温度条件的基础上,增加了制热量的判断条件,减少了误除霜的判断。

化霜的速度

影响化霜速度(效率)的因素主要有化霜的模式和排水的顺畅程度。

化霜的模式

1)热气旁通化霜

热气旁通化霜就是压缩机排气通过电磁阀切换至室外管翅式蒸发器的管道里来化霜。由于没有外部热源,其热量全部来自压缩机停机前的一些能量和压缩机本身的电机运转发出的热量。该热量是有限的。碰上环境温度降低且结霜较厚时,有化霜不净的风险,而且除霜时间过长会导致压缩机液击现象。其最大的优点是系统简单,同时,由于避免了四通阀的泄露,提高了机组的能效比。PHNIX小型家庭整体式热泵采用的是该除霜模式。

2)四通阀换向化霜

四通换向阀化霜是系统采用四通阀换向的功能,使蒸发器和冷凝器调换,这样,系统就可以从热水中吸收热量,连同压缩机的输入功率,一起用于蒸发器的化霜。其优点是化霜速度快,化霜干净。缺点是由于四通阀的有少量的泄露,会降低机组的的能效,当然影响取决于四通阀的质量,一般影响是很小的;另外就是由于要从热水中吸收热量,会对水箱的温度有一定影响,但其影响是有限的。比如对于一个5吨的热水,13P的热水机要化霜,一般情况下化霜的时间为5分钟以内,需要吸收的热量约为3kWh,相当于5吨的水降温0.5度左右。这是可以接收的。PHNIX的商用热泵的采用的是四通阀换向化霜模式。

3)电加热化霜

电加热化霜主要应用在冷库的应用。一般在热泵应用较少。原有用热泵做辅助加热的,以减少对水箱温度的影响。但由于电加热的功率有限,即使是辅助电加热,其所起的作用也是有限的。由于输入功率的限制,采用电加热化霜的时间都会很长,化霜的时间越长,能耗就越大。所以,一般很少热泵采用电加热来化霜。

4)自然停机化霜

自然停机化霜主要应用在0度以上的环境温度下的热泵的应用。其优点是系统简单可靠,缺点是化霜速度慢,尤其是霜层较厚时。一般应用在高温热泵上。

排水的顺畅度

一个良好的化霜还要注意化霜结束后,排水是否顺畅。在环境温度低于0度时,如果流水不顺畅,会产生累积结冰现象,最终造成化霜不良,甚至会造成机器无法工作。

1)翅片形状

为了使水顺畅地沿翅片流下来,不建议采用开窗片,片距尽可能宽一些,一般建议片距>2.5mm,采用亲水片替代光片,可以提高水的流畅性。另外作为翅片的防护网和翅片的距离要足够宽,如果无法提供足够的空间,宁可不要防护网。因为防护网的存在,有可能成为累积结霜的罪魁祸首。

2)排水通道

尽可能多的排水口,如果不需要收集化霜后的水,甚至可以设计让翅片换热器悬空,让水直接流到地面。注意流水的行程尽可能短。

3)底盘加热带

对于既要收集化霜水的场合,底盘加热带是必须的。另外,对于在寒冷气候条件下使用的热泵,底盘加热带甚至排水管保温加热都是必须的。

退出化霜的准确度

退出化霜的条件一般有两种,一种是压力,一种是温度。压力会比较准确,温度比较直观和方便。不管采用温度还是压力,蒸发器的分配要尽可能均匀,这也是提高蒸发器利用效率最好的办法。一般情况下,盘管温度应放置在靠蒸发器的底部的几根U管。



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