热泵充注制冷剂对化霜的改进

热泵充注制冷剂对化霜的改

进

2010-03-16 21:20:01 来源：热泵热水器

技术网 浏览：251次 内容提要：分别采用查压焓图表法、R-S 法、临

界压缩性系数法、L-K 法、R-K 法等5种方法,对CO2在计算工况点的物性参数进行计算，并对计算结果进行了分析、比较，指出5种方法对不同的物性参数计算精度不尽相同，在实际工程中应根据需要合理选择不同的方法进行物性参

数计算。 关键词：离心式压缩机； CO2；物性参数；计算

热泵机组充注补偿对化霜的改进

唐黎

明

董志

明

（浙江

盾安人工环境设备股份有限公司 杭州 310002 ）

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。

图（1）化霜过程系统运行参数曲线图

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2.25；套片式冷凝器：3排，Φ9.52×0.35，40孔，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[d1]按照湿蒸气干度法进行计算，忽略过热蒸气段，可以粗略估计蒸发器所需充注量。

（1）

式中和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；

表示干度。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

（2）

其中为蒸发器入口处的制冷剂干度，代入（1）式，可得：

（3）

2.冷凝器按照三段计算，即过热蒸气段0～；两相段～；和过冷段～。按照冷

凝负荷和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，每路管长为，冷凝器传热管内半径为。

（4）

式中和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；。

为了对上式进行积分计算，需要确定和，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～

（5）

式中：为冷凝热流密度，kW/m2;（假设沿程不变，翅片外表面为0℃的水），

为单位长度冷凝器各分路总外表面积，m2/m；为冷凝器入口处制冷剂的焓,kj/kg;为

在制冷剂变为干饱和蒸气处的焓，kj/kg。

所以

（6）

b)饱和段～

（7）

表示冷凝压力下制冷剂的汽化潜热。

积分得

（8）

在干度变为0处，即长度

（9）

代入方程可得：

（10）

而（11）

（12）

式中：和分别为冷凝器中制冷剂进出口焓，kj/kg；为冷凝器热负荷，kW；为冷凝器总外表面积，m2;

所以

（13）

3.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）

式中：为上述部件中制冷剂在工况下的密度，为有效容积。

4.制冷剂总充注量：

（15）

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 Mp a），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3l（因为要考虑制热最大压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。