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空气源热泵溶液除霜及冷冻再生系统的可行性研究
发布日期:2017/7/7 11:05:03


孙家正,杨 剑,余延顺  南京理工大学,能源与动力工程学院

 

摘 要:针对空气源热泵现有除霜方法的不足,提出了一种基于溶液除霜和溶液冷冻再生的空气源热泵机组。分析了溶液除霜和溶液冷冻再生的原理,设计了空气源热泵溶液除霜及冷冻再生机组系统,确定了除霜溶液的种类及应用浓度范围,并搭建了实验台。通过试验验证系统的可行性,结果表明: 在一个结/除霜周期内,本文提出方法的平均COP 较常规逆循环除霜法的平均COP 提高了6.3%,并实现机组除霜过程不停机。

 

关键词:空气源热泵;结霜;溶液除霜;冷冻再生

 

0 引 言

 

  空气源热泵因良好的节能与环保特性,在我国夏热冬冷地区应用广泛。但受限于室外空气参数,热泵机组冬季制热运行时,室外换热器结霜会导致换热器传热恶化,使机组供热稳定性和可靠性降低。针对空气源热泵结霜除霜问题,国内外学者做了大量的研究工作,如逆循环除霜[1]、热气旁通除霜[2]以及蓄能除霜[3-4]等。逆循环除霜和热气旁通除霜均存在除霜时能量来源不足,效率低,系统稳定性差的缺点[5]。蓄能除霜虽然解决了除霜能量来源不足的问题,有效地提高了室内热舒适度[6],但结霜时系统制热量衰减、除霜时不能供热的缺点依然存在。另有学者从抑制结霜的思路出发,提出了无霜型空气源热泵[7-8]。其共性是利用除湿溶液或吸附材料对进入室外换热器的空气进行除湿,降低空气露点温度,以达到热泵运行无霜的目的。但对于除湿材料采用的加热再生方式[9],会消耗机组的有效供热量。

 

  针对以上各除霜方式的问题,文献[10]提出了一种冷冻再生的溶液除霜型空气源热泵机组,采用盐溶液喷淋的方式对热泵机组室外换热器进行除霜,并运用冷冻方式对除霜后的稀溶液进行再生,实现机组除霜不停机、除霜过程零能耗、简化除霜判据,相比加热再生方式,冷冻再生基本不消耗额外热量,可有效地提高热泵机组的制热性能与运行可靠性。

 

1 溶液除霜与冷冻再生原理

 

  1.1 溶液除霜原理

 

  化学势判据指出,在等温等压并与外界无功量传递条件下,系统自发变化方向为某物质从化学势较大的相流向化学势较小的相,直至该物质在两相中的化学势相等为止[11]。

 

  对于稀溶液,其中溶剂A 的化学势为:μA(sln,T,p) = μ*A(l,T,p) + RT lnxA(1)

 

  式中,μ*A(l,T,p) 为标准状态下,纯溶剂A 的化学势;sln 表示含有溶剂A 的溶液;l 表示液态的溶剂A;T、p 分别为溶液的温度与压力;xA为溶液中溶剂A 的摩尔质量分数。

 

  设纯溶剂A 的凝固点为Tf,则在凝固点Tf时,固液两相中溶剂A 的化学势满足:μA(s,Tf ,p)= μA(l,Tf ,p) (2)

 

  式中,s 表示固态的溶剂A。由于溶液中存在溶质,则xA<1,RTflnxA<0,由式(1)可知,在同温同压下,溶液中溶剂A 的化学势与纯溶剂A 的化学势存在如下关系:μA(sln,T*f ,p) μA< (l,T*f ,p)=μA (s,T*f ,p) (3)

 

  即当体系处于凝固点温度且固液相压力相等时时,溶液中溶剂A 的化学势低于纯固相A 的化学势。此时如果将纯固相A 放入含有溶剂A 的溶液中,物质A 将从μA较大的相流向μA 较小的相,直至化学势相等,即固体溶剂会自发地溶解于溶液,直至系统变为均相。

 

  因此,对空气源热泵系统的溶液除霜过程,因霜层(固相)中水的化学势大于盐溶液中水(液相)的化学势,当盐溶液喷淋至换热器霜层表面时,霜层中的水会自发地向溶液(液相)中转移,以此实现除霜,如图1 所示。

 

图1 溶液除霜过程示意图

 

  1.2 溶液冷冻再生原理

 

  在热力学系统中,通常将物理化学性质完全均匀的部分称为一个相。在相平衡时,自由度数与组分数及相数之间存在一定的关系,称为相律[12]。对于常压下二元水盐体系,由相律可得:f =3-φ ( 4)

 

  式中,f 为自由度数,φ 为相数。二元水盐体系(温度— 质量分数)相图如图2 所示。

 

图2 二元水盐体系相图

 

  溶液再生前,设定其状态点为a,为纯液相态,体系自由度为2,溶液状态可在曲线AEB 以上区域内任意变动。当溶液降温,体系温度下降,液相溶液浓度保持不变。当温度降低至其对应凝固点温度时,即b 点,则开始出现新的相态(冰析出),体系的自由度降为1。此时若对体系继续降温,要维持相平衡状态,则体系中溶液的状态点只能沿结冰曲线AE 向E 点移动,溶液中的水不断以冰形式析出,体系中剩余液态溶液浓度不断上升。当温度降至某值时,停止对溶液体系的降温,则体系终了状态点为c,即冰和溶液两相共存状态,此时去除体系中的冰,即可得到高浓度溶液,实现溶液的冷冻再生。

 

2 空气源热泵溶液除霜与冷冻再生系统

 

  2.1 系统原理及运行模式

 

图3 冷冻再生型溶液除霜空气源热泵机组原理图

 

  基于上述理论与构想,设计了基于溶液除霜与冷冻再生空气源热泵系统,原理如图3 所示。在热泵机组室外换热器表面结霜后,采用较高浓度盐溶液对室外换热器表面进行喷淋,因喷淋溶液中水的化学势低于霜层中水的化学势,溶液与霜层接触时,霜层中的水会自发向溶液中转移,实现融霜;除霜后的稀溶液利用系统设置的冷冻再生换热器进行冷冻再生;溶液冷冻再生完成后,将再生换热器切换为过冷器,利用过冷热进行脱冰。由此实现空气源热泵除霜不停机、不换向,连续供热运行,并实现除霜过程零能耗。

 

  该机组可实现制冷、制热、制热融霜、冷冻再生、制热脱冰五种模式的切换:

 

  (1)制冷模式:四通换向阀1 切换至制冷模式,V2 开启,V1 关闭,热力膨胀阀EV1 作为节流装置。室外翅片管换热器及再生换热器作为冷凝器,水侧板式换热器为蒸发器,为用户提供冷冻水。

 

  (2)制热模式:四通换向阀1 切换至制热模式,V2 开启,V1 关闭,热力膨胀阀EV1 作为节流装置。再生换热器置于翅片管换热器上游,充当蒸发器功能,水侧板式换热器为系统的冷凝器,为用户提供热水。

 

  (3)制热除霜模式:对于制冷剂循环部分,其管路连接同制热模式。当达到除霜要求时,阀门F1开启,F2 关闭,启动溶液循环泵,将溶液箱中的浓溶液通过喷淋装置喷淋至室外翅片管换热器表面,完成除霜。

 

  (4)冷冻再生模式:溶液再生运行时,通过四通换向阀2 的切换,将再生换热器置于室外翅片管换热器下游,共同作为蒸发器。开启阀门F2、关闭阀门F1,启动溶液循环泵,将溶液箱内的稀溶液通过循环泵喷淋至再生换热器表面,溶液中的水分不断凝固析出,浓度升高,完成再生过程。

 

  (5)制热脱冰模式:溶液冷冻再生完成后,溶液中析出的水分以冰的形式附着于再生换热器的表面。此时关闭V2,开启V1,则热力膨胀阀EV2 作为节流机构,将再生换热器置于冷凝侧,利用液体制冷剂的过冷热将冰层基部融化,使冰层从换热器表面脱落,实现脱冰。

 

  2.2 除霜溶液及浓度范围的确定

 

  根据系统特点,适用于该系统的除霜溶液特性为:

 

  (1)良好的水溶解性;

 

  (2) 腐蚀性小;

 

  (3)热导率高、黏度低,便于输送和再生;

 

  (4)无挥发性、无毒;

 

  (5)单价相对较低。

 

  根据上述条件,尽管氯化锂、氯化钙溶液等已经广泛用作载冷剂、除湿剂,但由于这类溶液会引起翅片与铜管连接处的电化学腐蚀,不适用于本系统。另外乙二醇、丙三醇溶液等有机类溶液在开放式的环境中具有一定挥发性,对于本系统也不太适用。G.A.Longo 等[13-14]通过长期研究发现,甲酸盐溶液与氯化锂溶液或溴化锂溶液相比,其吸湿性能较弱,但再生性能良好,且腐蚀性大大减小。综上考虑本文选用甲酸钠溶液。

 

  除霜溶液浓度范围确定主要考虑如下因素:

 

  (1)停机时,溶液冰点低于环境温度,保证溶液箱不冻结;

 

  (2)除霜时,溶液结冰点温度低于室外翅片管换热器表面温度,保证除霜时溶液在其表面不结冰;

 

  (3)再生时,溶液所能达到的浓度上限受到机组蒸发温度的限制。溶液在凝固过程中会发生过冷现象,甲酸钠溶液浓度与冰点之间的对应关系如图4 所示。

 

图4 甲酸钠溶液浓度与冰点对应关系图

 

  设定在结霜工况下,机组蒸发温度与环境温度差值为8℃,翅片管换热器表面温度与蒸发温度差为2℃,考虑除霜后稀溶液的冰点加上过冷度恰好等于翅片管换热器表面的温度,之后该过冷后的稀溶液喷淋至再生换热器表面,温度迅速恢复至无过冷状态下的冰点温度,开始进行再生。再生过程同样考虑再生换热器表面温度与蒸发温度差为2℃。根据甲酸钠溶液浓度与结冰点温度的对应关系,表1 给出了不同环境温度下甲酸钠溶液的应用浓度范围。

 

  由表1 可见,当环境温度在-5℃~2℃ 之间时,其应用浓度范围是5.9%~16.7%,环境温越低,应用溶液浓度越高。实际应用中,溶液应用浓度范围应根据实时检测环境温度与翅片表面温度进行控制。

 

表1 甲酸钠溶液的应用浓度范围

 

3 测试结果及分析

 

  根据图3 所示原理搭建了基于溶液除霜与冷冻再生技术的空气源热泵系统试验台,机组设计制热量9.22kW,制冷工质R22,涡旋压缩机理论排气量9.0m3/h,输入功率为2.94kW;室外翅片管式换热器共2 片,风向管排数3 排,迎风管排数32排,8 回路并联布置,管簇正三角形叉排布置;再生换热器采用翅片管式并加大翅片间距为6mm,总换热面积7.7m2,如图5 所示。

 

图5 实验样机

 

  针对样机,对其在典型工况下的性能进行了测试,测试工况为:室外干球温度2℃,相对湿度85%,机组进水温度40℃,水流量1.6m3/h。开机运行115min 后,喷淋浓度为7.8% 的甲酸钠溶液进行除霜,除霜时长5min,除霜结束后溶液浓度为6.8%,之后进行冷冻再生。冷冻再生过程中溶液浓度、温度、机组吸、排气压力、制热量和COP随时间的变化关系如图6~10 所示。

 

  由图6~10 可知,溶液再生的总时长约为50min,其中溶液显热降温阶段时长为15min,该时段内机组的各项参数变化较为剧烈,在显热降温阶段,溶液温度由最初的1.8℃ 降至冰点温度-4.0℃ 左右,在此过程中再生换热器开始出现部分结冰现象。同时机组的吸气压力由开机时的5.33bar 快速降低至3.25bar,排气压力则由5.41bar 上升至18.88bar 而后又缓降至17.83bar。

 

  溶液析冰阶段时长为35min,该时段因结冰过程释放大量潜热,再生换热器的换热情况有所好转,机组各项性能参数变化趋于平缓。根据相平衡理论,此时溶液的温度应该等于溶液在该浓度下的冰点温度,但由于溶液箱内的温度分布的不均匀性以及过冷现象的存在,结冰现象发生后溶液的温度并不严格等于其冰点温度,但从总体趋势上也随着结冰过程的进行而缓慢下降,而由于溶液温度的缓慢下降,机组的吸排气压力在该阶段也缓慢降低。机组制热量和COP 的变化规律基本一致,在前10min 内,制热量迅速升至8745W 后又降至6698W,之后由于机组吸气压力的逐渐下降,机组的制热量逐渐降低至5768W,机组COP 的变化趋势基本与其一致,由开机阶段的最高值2.56 逐渐衰减至1.95。

 

图6 冷冻再生过程中溶液温度变化

图7 冷冻再生过程中溶液浓度变化

图 8 冷冻再生过程压缩机吸、排气压力变化

图9 冷冻再生过程机组制热量变化

图10 冷冻再生过程中机组COP 变化

 

  在该实验工况下,在一个结/ 除霜周期内,机组采用溶液除霜及冷冻再生法时,各阶段的制热量、输入电量及机组的平均能效如表2 所示,其中输入电量包括机组压缩机、风机及溶液泵的输入电量。

 

表2 溶液除霜及冷冻再生热泵系统周期内性能统计表

表3 热泵机组逆循环除霜周期内性能统计表

 

  而针对本机组, 采用逆循环除霜法时, 在2℃/85%的环境条件下,其在一个完整的结霜/ 除霜周期内的平均COP 为2.39,如表3。从平均能效比的角度来看,在一个完整的结霜/ 除霜周期内,采用溶液除霜并进行冷冻再生的方式较逆循环除霜法综合能效提升约6.3%,制热量。

 

4 结 论

  空气源热泵溶液除霜及冷冻再生机组系统克服了现有除霜方法不能连续供热,除霜效率低、能耗高等缺点,实现连续供热,且稀溶液采用冷冻再生法,再生能耗大大降低,实现了空气源热泵机组高效连续地供热运行。今后尚需研究热泵样机的全工况性能参数,结合不同地区的气象参数以及需求侧的负荷特征,探究机组的最佳控制运行策略,从而指导该机组系统在实际工程应用时能够实现安全可靠地运行。

 

参考文献

 

  [1] 顾泽波, 黄东, 袁秀玲. 空气源热泵冷( 热)水机组的逆循环除霜性能研究[J].制冷与空调,2008,8(3):40–43.

  [2] 罗鸣,谢军龙,沈国民. 风冷热泵机组中的热气除霜方法[J]. 节能,2003(5):12–14.

  [3] 韩志涛,姚杨,马最良,姜益强. 空气源热泵蓄能热气除霜新系统与实验研究[J]. 哈尔滨工业大学学报,2007, 39(6):901–903.

  [4]Hu Wenju , Jiang Yiqiang ,Qu Minglu , Ni Long,Yao Yang, Deng Shiming. An experimental study on theoperating performance of a novel reverse-cycle hot gas defrosting method forair source heat pumps [J]. Applied Thermal Engineering,2011(31):363–369.

  [5]Huang Dong, Li Quanxu, YuanXiuling. Comparison between hot-gas bypass defrosting and reverse-cycledefrosting methods on an air-to-water heat pump[J].Applied Energy,2009(86):1697–1703.

  [6] Qu Minglu, Liang Xia, DengShiming, Jiang Yiqiang.Improved indoor thermal comfort during defrost with anovel reverse-cycle defrosting method for air source heat pumps [J]. Buildingand Environment, 2010(45):2354–2361.

  [7] 姚杨,姜益强,高强. 无霜空气源热泵系统初步实验研究[J]. 建筑科学,2012,28(2):198–199.

  [8] 王志华,王沣浩,郑煜鑫,李晶超,郇超,王志洋. 一种新型无霜空气源热泵热水器实验研究[J]. 制冷学报,2015, 36(1):52–58.

  [9] 付慧影. 无霜空气源热泵系统除湿溶液再生方式及特性研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

  [10] 余延顺,孙成龙,孙家正,赵跃. 一种冷冻再生的溶液除霜型热泵机组[P]. 专利号201510218768.0.

  [11] 傅献彩,沈文霞,姚天扬,侯文华. 物理化学(第五版)上册[M]. 北京:高等教育出版社,2005.

  [12] 朱文涛. 基础物理化学(上册)[M]. 北京:清华大学出版社,2011.

  [13]G.A. Longo,A. Gasparella. Experimentaland theoretical analysis of heat and mass transfer in a packed columndehumidifier/regenerator with liquid desiccant[J].International Journal of Heat and MassTransfer ,2005(48):5240–5254.

  [14] Giovanni A. Longo,Andrea Gasparella. Threeyears experimental comparative analysis of a desiccant based air conditioning system for aflower greenhouse: Assessment of different desiccants[J]. Applied ThermalEngineering ,2015(78):584–590.

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