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自复叠空气源热泵除霜方案优化探讨

发表日期:2018/11/13 12:01:52 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

我国北方广大地区之前较多采用燃煤锅炉供暖,带来一定的空气污染问题。随着我国对雾霾等空气污染问题的日益重视,北方各省市已相继出台或实施“煤改电”政策,鼓励采用热泵、太阳能等清洁能源供暖。空气源热泵作为一种利用高品位能(电能)使热量从低品位热源(空气)流向高品位热源(热水)的节能装置,目前已得到广泛推广应用。但在环境温度较低时,常规空气源热泵制热最高出水温度通常低于56 ℃,不适用于老式暖气片供暖,不利于空气源热泵供暖的推广。供热温度85 ℃以上的大温差中高温热泵目前多采用两级压缩复叠式系统,由于其结构复杂,目前应用较少。自复叠空气源热泵(ACASHP,auto-cascade air source heat pump)为采用非共沸混合工质的热泵系统,使用单台压缩机,非共沸混合工质经过压缩后在循环中经一次或者多次气液分离,使得整个循环中有2种以上成分的混合制冷剂同时流动和传递能量,在高沸点组分和低沸点组分之间实现自行复叠,从而达到制取高温热水(65 ℃以上)的目的,能够完成常规热泵循环中需要两级压缩或双系统复叠才能达到甚至无法达到的高温。自复叠空气源热泵能够实现大温差循环,系统简单,投资成本相对较低。近年来国内外对自复叠热泵循环已开展较多积极的研究工作,但是关于自复叠空气源热泵系统除霜的研究依然十分缺乏,笔者在对自复叠空气源热泵系统循环原理分析的基础上分析现有常用除霜方式,提出适合自复叠热泵系统的2种优化除霜方案,为自复叠空气源热泵技术的进一步研究和推广提供参考。

1  自复叠空气源热泵原理

自复叠空气源热泵系统采用二元非共沸混合制冷剂。非共沸混合工质在系统蒸发器中蒸发和冷凝器中冷凝的换热过程可以实现非等温换热,从而使自复叠空气源热泵换热器具有较小的传热温差,减少有效能损失,提升换热和系统效率。

自复叠空气源热泵系统冷凝器中冷却介质(通常为水)的温度高于非共沸混合制冷剂的泡点温度且低于其露点温度,故经过系统冷凝器的非共沸混合工质为气液两相状态。系统采用的二元非共沸混合制冷剂的2种组分制冷剂的沸点相差较大,故采用气液分离器使得经过冷凝器的混合制冷剂气液两相分离,然后通过蒸发冷凝器使得分开的两路非共沸混合制冷剂相关联,利用富含高沸点工质混合制冷剂节流后的蒸发吸热来冷凝富含低沸点工质的气态混合制冷剂,节流后温度得到进一步降低,从而加大热泵的工作温差。如图1所示,系统循环流程:非共沸混合工质经压缩机压缩后变为高温高压的过热气体,之后进入冷凝器冷凝放热。由于非共沸混合工质中2种组分工质的沸点不同且相差较大,在冷凝器中大量高沸点组分的工质和少量低沸点组分的工质先凝结成液体,而大部分低沸点组分工质和少量高沸点组分工质仍保持气体状态。从冷凝器出来的非共沸混合工质进入气液分离器1被分离为气液两路,液路中富含高沸点组分工质的液态制冷剂,经节流阀1节流降压后进入蒸发冷凝器蒸发吸热;气路富含低沸点组分工质的气态非共沸混合工质,在蒸发冷凝器中放热冷凝后再经节流阀 2 节流降压,而后进入蒸发器蒸发吸收空气热量。从蒸发器和蒸发冷凝器中出来的两路工质经过混合后再经气液分离器2气液分离,气态工质被压缩机吸入、压缩,从而完成整个热泵循环。


2  除霜方案分析

结霜除霜问题是空气源热泵的关键技术问题,对其制热性能和舒适性影响显著。低温高湿工况下尤其需要保证除霜可靠性,目前最常用的空气源热泵除霜方案是逆循环除霜和热气旁通除霜。

自复叠空气源热泵逆循环除霜的除霜能量来自压缩机做功和从热水侧(或室内侧)吸收的热量,除霜时间较短。但逆循环除霜存在一些缺点:1)除霜时要从热水侧(或室内侧)吸热, 水温(或热风温度)降低明显,严重影响用户的舒适性;2)制热切换为除霜模式,压缩机吸、排气压力变化剧烈即系统压力波动剧烈,产生的机械冲击比较大;3)在进入和终止除霜时,存在四通阀换向产生的气流噪声较大的问题,同时四通阀换向动作频繁,可能导致四通阀产生液击而损坏,降低系统可靠性。

自复叠空气源热泵热气旁通除霜原理与常规空气源热泵热气旁通除霜一致,除霜时压缩机高温排气直接通过旁通管路进入空气侧换热器除霜。热气旁通除霜能够克服逆循环除霜的部分缺点,除霜时压力变化平稳,系统参数变化平缓,机械冲击较小;不从热水侧(或室内侧)吸热, 舒适性相对逆循环除霜较好;除霜时没有四通阀换向带来的气流噪声等问题。 但热气旁通除霜的能量仅来自压缩机做功,热气旁通除霜相比逆循环除霜的除霜时间长;热气旁通除霜时,空气侧换热器出口会产生大量的液态工质,导致气液分离器中积液较多,制冷剂流量减小,可能导致压缩机吸气带液,严重时会导致压缩机液击,危及压缩机安全。

逆循环除霜存在除霜时不能连续制热等问题,热气旁通除霜虽然一定程度上解决了逆循环除霜的缺陷,但存在除霜热量来源不足、除霜时间长,易引起压缩机吸气带液问题。因此有必要寻求更优的自复叠空气源热泵除霜方案。

3  除霜优化方案

为了解决常规逆循环除霜和热气旁通除霜用于自复叠空气源热泵除霜时存在的问题,笔者提出2种优化的除霜解决方案。

3.1除霜优化方案一:蓄热除霜

除霜优化方案一系统如图2所示,系统设置蓄热器。制热和除霜时各阀门动作如表1所示。制热时循环流程和图1所示自复叠空气源热泵制热流程一致,蓄热器在制热时蓄集热量。除霜时循环流程:从压缩机排出的高温高压气态工质首先进入冷凝器冷凝放热,从冷凝器出来的非共沸混合工质进入气液分离器1被分离为气液两路,液路中富含高沸点组分工质的液态制冷剂,经节流阀1节流降压;气路富含低沸点组分工质的气态制冷剂经过电磁阀1后进入蒸发器热气除霜,而后经过节流阀3节流降压。两路节流降压后的制冷剂混合后经过电磁阀4进入蓄热器吸热蒸发,最后经过气液分离器2气液分离,气态制冷剂被压缩机吸入、压缩,从而完成整个除霜循环。



此优化方案利用气液分离器1排出的高温气体热气除霜,除霜时冷凝器仍然持续制热,不会从热水侧(或室内侧)吸收热量,不影响用户舒适性,在不除霜时蓄热器蓄集压缩机壳体和排气热量在蓄热器中,除霜时蓄热器释放蓄集热量提供足够的除霜能量,解决除霜时空气侧换热器产生的液态制冷剂无法蒸发的问题,提高能量利用率。通过设置蓄热器增加除霜热量来源从而缩短除霜时间。

3.2  除霜优化方案二:双系统耦合除霜

除霜优化方案二系统如图3所示,系统包括子系统1和子系统2,共有3种工作模式:1)子系统1制热+子系统2制热;2)子系统1除霜+子系统2制热;3)子系统1制热+子系统2除霜。各工作模式子系统1各阀门动作如表2所示,子系统2各阀门动作如表3所示。子系统1制热+子系统2制热工作模式下2个子系统循环流程均与图1所示自复叠空气源热泵制热流程一致。




子系统1除霜+子系统2制热工作模式下循环流程为:1)子系统1除霜:从子系统1压缩机排出的高温高压气态制冷剂经子系统1电磁阀2进入子系统1蒸发器除霜,再经过子系统1电磁阀5后通过子系统2节流阀3节流降压,然后进入子系统2三通道换热器吸热蒸发,之后通过子系统1电磁阀4进入子系统1气液分离器2气液分离,气态制冷剂被子系统1压缩机吸入、压缩,从而完成子系统1除霜循环。2)子系统2制热:从子系统2压缩机排出的高温高压过热气体,进入子系统2冷凝器冷凝放热。从冷凝器出来的非共沸混合制冷剂进入子系统2气液分离器1被分离为气液两路,液路中富含高沸点组分工质的液态制冷剂,经子系统2节流阀1节流降压后进入子系统2三通道换热器蒸发吸热;气路富含低沸点组分工质的气态制冷剂,在子系统2三通道换热器中间通道放热冷凝后再经子系统2节流阀 2 节流降压,而后进入子系统2蒸发器蒸发吸收空气热量。从子系统2蒸发器和子系统2三通道换热器出来的两路制冷剂经过混合后经子系统2气液分离器2气液分离,气态制冷剂被子系统2压缩机吸入、压缩,从而完成子系统2制热循环。同理可知子系统1制热+子系统2除霜工作模式下的循环流程。

除霜优化方案二除霜子系统蒸发器产生的液态制冷剂蒸发所需热量由制热子系统正常制热下从气液分离器1分离出来气态制冷剂冷凝乃至过冷提供,制热子系统正常制热从空气中吸取热量,故除霜子系统除霜热量来自本身压缩机的功耗和制热子系统从环境中吸收的热量,增加了除霜子系统的除霜能量,减少除霜子系统除霜时间,解决除霜子系统蒸发器液态制冷剂蒸发问题,又可增强制热子系统从气液分离器1分离出来气态制冷剂冷凝乃至过冷的效果,一举两得,提高系统能量利用率。2个子系统不同时除霜,一个子系统除霜时另外一个子系统正常制热,除霜时系统仍可连续制热,改进了传统热气旁通除霜因大部分高温排气直接旁通除霜而导致除霜时制热效果不好的问题,提高了用户体验舒适性。

这2种除霜优化方案均增加了除霜热量来源,提高了能源利用率,解决了热气旁通除霜时空气侧换热器产生的液态制冷剂无法蒸发的问题,不易引起压缩机吸气带液,除霜时系统可继续制热。但优化方案二系统结构以及控制比较复杂,需要双系统耦合,增加的电磁阀等元器件较多,可靠性会降低。常规空气源热泵采用相变蓄热除霜能够很好地解决逆循环除霜时无低位热源和系统可靠性差的问题,缩短除霜时间约1/3。故优化方案一在蓄热器设计合理的情况下可大幅缩短除霜时间,并且可以蓄集压缩机壳体散发的热量,节能效果明显。

4  结束语

自复叠空气源热泵采用非共沸混合制冷剂,在高沸点组分和低沸点组分之间实现自行复叠,能够实现大温差循环,用作高温热泵,系统简单、成本较低,具有较好的应用前景。笔者分析了目前常用的逆循环除霜和热气旁通除霜用于自复叠空气源热泵除霜存在的问题,从增加除霜热量来源、提高能源利用率和不影响用户体验舒适性等角度提出了2种除霜优化方案:蓄热除霜和双系统耦合除霜,可较好地解决现有逆循环除霜和热气旁通除霜存在的问题。蓄热除霜可以大幅缩短除霜时间,系统相对简单可靠,可作为自复叠空气源热泵除霜优选方案。

(本文选自《制冷与空调》2018年8月刊;作者:魏峰  张龙爱  王传华  孙思;未经许可,不得转载




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