低温热泵技术

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 20 30 40 时间 t(min) 50 60
11
5.4 翅片管效率与结霜时间的关系
0.96 0.94 0.92
0.95 0.93 0.91
效率 η
效率 η
0.9 0.88
Va=2.5m/s
0.89 0.87 0.85 0.83 φa=95% φa=85% φa=75%
5.1 霜的形成过程示意图
• 霜层形成过程很复杂，是由于主流空气的 速度、相对湿度、温度与冷壁面温度等外 界环境参数的可变性，但也有其共同之处， 大致可分为三个时期：结晶生长期，霜层 生长期和霜层充分生长期。
胚胎 薄冰层 柱状霜 结晶生长
(a)
(b)
(c)
(d)
8
蒸发器的翅片表面霜形成过程照片
翅片结晶形成期（0min）翅片结晶形成期（2min） 翅片霜层形成期（14min）
压降 △ P(pa)
40 35 30 25 20 15 10 5 0 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60 φa=95% φa=85% φa=75%
Va=1.5m/s
压降 △ P(Pa)
14
5.7 环境温度对接霜量的影响
1.40 1.20
结霜量（kg）
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 0
30
25 Va=2.5m/s Va=2.0m/s 15 0 Va=1.5m/s 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60
20
13
5.6 空气侧压降与结霜时间的关系
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60 Va=2.5m/s Va=2.0m/s
3
3 冬季环境温度低的解决方案在哪里？
• 空气源热泵：蒸发温度低；传热系数小；结霜问 题？ • 地源热泵：对地质要求高；冬夏季的热平衡问题； 施工要求高；成本高；可靠性问题？ • 水源热泵：海水源热泵；江河源热泵；对水质的 要求高；对换热器的材料要求高；水质污垢如何 处理？
4
4 蒸发器的结霜现象和危害
• 开窗翅片、狭缝翅片、波纹翅片、普通平直片对结霜的强化左 10 右逐渐减弱。
5.3 风速和时间对接霜量的影响
0.8 0.7 0.6
结霜量 Mf(Kg)
0.8
Va=2.5m/s Va=2.0m/s Va=1.5m/s
0.7 0.6
φa=95% φa=85% φa=75%
结霜量 Mf(Kg)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60
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采用二级压缩技术的VRF热泵机组在低温下具有较强的制热能力， 制热运转最低室外温度可达-25℃。具有以下的特点： （1）舒适性提高 由于有了中间冷却器和旁通回路，使得二级压缩VRF系统的化霜 时间大大缩短，启动速度大大加快，即低温制热的舒适度大大提 高。 （2）启动速度快 普通的一级压缩方式，在空调刚开始启动时，为了防止残留在室 内机中的液态冷媒进入压缩机，必须对进入压缩中的冷媒进行流 量控制，从而使得刚刚开始启动时系统的制热能力受到限制；而 二级压缩方式中由于中间冷却器的存在可分离出室内机的气态冷 媒和液态冷媒，使得气态冷媒可直接进入高压侧压缩机进行压缩， 故能做到快速制热。 （3）化霜时间短 与普通的一级压缩方式相比，二级压缩方式的除霜过程中，功能 模块内的压缩机运转，回收了中间冷却器中的热，使室外机机组 的压缩机内的冷媒循环量增加。使得除霜能力提高，能迅速的将 霜全部溶解，缩短除霜时间。 （4）适用场合 二级压缩VRF系统按照气候划分带来说适用于寒冷地区，代表城 24 市有北京、石家庄、青岛、济南、西安等地区。
5 霜层形成及其结构机理
• 低于0度蒸发器表面温度，且低于空气的露点温 度，才会结霜。 • 结霜因素很多，空气的相对湿度和室外干球温度 是重要因素，-12.8 ℃--5.8℃之间最可能发生结 霜现象。气温高于5.8 ℃，不考虑结霜问题；气 温低于5.8 ℃，但相对湿度低于67%时，由于漏 电问低于室外换热器温度，也不发生结霜现象； 当气温低于-12.8 ℃，由于空气绝对含湿量太小， 7 也不发生结霜现象。
• 起初翅片管空气侧平均换热系数呈上升趋势。 当霜生长到一定量时，值开始下降。而空气侧 压降始终呈上升趋势，只是在结霜初期上升的 幅度很小，当结霜量达到某一值时，压降上升 的幅度明显增大。 • 形成的霜由于增大了换热面积而使增加，空气 相对湿度越高，则越大。当霜生长到一定高度 时，呈下降趋势。另外空气的相对湿度越高， 增强了空气的传质使霜生长加快，也增大了空 气侧的压降。此外，变间距翅片在结霜条件下 比等间距翅片要好 。 6
低温热泵技术
陈 曦
上海理工大学制冷技术研究所
2011年 6月
1
1 低温热泵的问题由来？
• 北方地区的冬季供暖问题？ • 部分南方地区的冬季空调制冷问题？ • 热泵热水器在冬季制取热水稳定性问题？
2
2 低温热泵的难点在哪？
• 蒸发器换热问题：结霜导致蒸发器无法正 常工作。化霜是个难点？
• 制冷剂循环量低，导致制热量小。提高制 冷剂流量，增加制热能力可以采用两级压 缩或者喷气增焓技术。
3 两级压缩热泵
T
回水 进水 流量计 干燥过滤器
V4
P T
T
套管式冷凝器
V8 P T
高效油分
高压级压缩机
视液镜
V3 P T
V5 P T Th2
V2
P T
低压级压缩机
T
中间冷却器
V7 T Th1 P T V6
V1
截止阀 节流阀 压力控制器 翅片管式蒸发器
气液分离器
22
二级压缩VRF系统在低温制热工况下的循环示意图
19
8 除霜循环的例子
1 采用热气旁通除霜的制冷系统
•
热气旁通除霜系统原理简图 压缩机；2.冷凝器；3.供液阀；4.热力膨胀阀；5.蒸发器；6.气液分离器 7.电磁阀
20
8 除霜循环的例子
2采用逆循环除霜的制冷系统
逆循环除霜系统原理简图 • 1.压缩机；2.四通换向阀；3.室外侧换热器；4、6.热力膨胀阀；5.单向 21 阀；7.室内侧换热器
• 结霜是制冷蒸发器有效工作的一种现象，但是同时严重影响换热 器的性能：一方面，结霜增加了翅片与气流之间的热阻，减少了 制冷与空调系统中换热器的冷却能力。对于定空气流量的换热器， 空气与翅片表面存在温差，结霜会降低传热效率，因为霜的有效 热传导率是有限的，且沿着霜层的厚度会出现传热温差；另一方 面，结霜会减少流过换热器的空气流量，增加空气侧压降。实际 上，在结霜后的数个小时，空气流道变得狭小甚至会堵塞。 • 起初翅片管空气侧平均换热系数呈上升趋势。当霜生长到一定量 时，值开始下降。而空气侧压降始终呈上升趋势，只是在结霜初 期上升的幅度很小，当结霜量达到某一值时，压降上升的幅度明 显增大。 • 形成的霜由于增大了换热面积而使增加，空气相对湿度越高，则 越大。当霜生长到一定高度时，呈下降趋势。另外空气的相对湿 度越高，增强了空气的传质使霜生长加快，也增大了空气侧的压 降。此外，变间距翅片在结霜条件下比等间距翅片要好 。 5
16
7 除霜依据及节能
1.定时除霜法：这是早期采用的方法，为防止蒸发 器严重结霜影响机组的工作性能。在设定时间时 往往考虑最恶劣的环境工况，因此在不同的环境 工况下必然产生不必要的能源浪费。 2．时间—温度控制法：这是目前普遍采用的一种方 法。由于在时间量的基础上考虑了温度量，比单 纯的时间法有进步，部分的考虑了机组工作环境 的影响，但仍不能正确反映结霜对机组性能的影 响，会出现不必要的除霜运作，也会在需要除霜 时而不发除霜信号。
0.86 0.84 0
Va=2.0m/s Va=1.5m/s
10
20
30 时间 t(min)
40
50
60
0.81 0 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60
12
5.5 空气侧平均换热系数与结霜时间的关系
40
35 32
传热系数 K0(W/m2•K)
传热系数 K0(W/m2•K)
35
29 26 23 20 17 14 0 φa=95% φa=85% φa=75% 10 20 30 时间 t(min) 40 50 60
3℃ 0℃ -3℃ -775
100
125
150
175
200
225
时间（min）
进风相对湿度φ=60%时不同进风温度结霜量变化曲线
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6 除霜方法介绍
1.自然除霜：当系统需要除霜时停止运行一定时间，利用周围环境中的热量，使 蒸发温度恢复到0℃以上，将结在换热器表面的霜层融化掉，这是一种最简 单的方法。融霜结束后，重新启动制冷系统进行工作。此除霜方式多用于 冷库除霜，最大的优点在于方法简单，且不消耗额外的能量，但当冷库温 度较低时，采用此方法无法化霜，或除霜时间过长，使被控温湿度远离被 控要求。 2.电热除霜：电加热除霜是用电加热提供化霜热，多用在翅片管式冷风机上，适 合于小型制冷装里或单个库房。电热元件附在翅片上，为了防止融化后的 霜水在排除库房之前再次结冰，还必须在接水盘和排水管上缠绕带状加热 器，融化后的霜水应及时排到库外。化霜时，压缩机和冷风机风扇停止运 行，关闭电磁阀，电加热器开始供电加热化霜。化霜结束后，压缩机启动 运行，加热继电器停止给电加热供电，电磁阀打开，制冷剂进入蒸发器。 电加热除霜具有系统简单、除霜完全、实现控制简单的优点，在小型装置 上广泛采用，但缺点是耗电多，不宜在大型装置上采用。 3.热气除霜：是将压缩机排气通入蒸发器，利用排气的热量使其外壁积霜融化脱 落，有些情况所使用的是热气的过热部分的热量，更多的情况是热气在蒸 发器凝结，同时利用它的显热和潜热。热气除霜的优点在于霜层融化由内 至外。只有当霜层融化脱落后，翅片管上的热量才会向外辐射，但此时已 处于除霜的结束阶段。