陽 豪 雷 波

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蒸發(fā)器面積對高寒地區(qū)熱泵結(jié)霜的影響分析

陽 豪 雷 波

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

研究了蒸發(fā)器面積對空氣源熱泵機(jī)組蒸發(fā)器表面溫度的影響，通過對我國高寒地區(qū)主要代表性區(qū)域的氣象資料進(jìn)行整理分析，統(tǒng)計(jì)了蒸發(fā)器面積為0、1.50、20時(shí)的機(jī)組結(jié)霜時(shí)間，并分析了其對空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜的影響效果。當(dāng)室外蒸發(fā)器面積為20時(shí)，空氣源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器表面溫度平均提高了約2.4℃，空氣源熱泵機(jī)組在采暖季運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，機(jī)組在不同地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間相對減少了2.89%～13.38%。

高寒地區(qū)；空氣源熱泵；蒸發(fā)器；結(jié)霜

0 引言

高寒地區(qū)主要包括青藏高原等寒冷、嚴(yán)寒地區(qū)。其具有氣壓低、空氣溫度低、晝夜溫差大、冬季供暖時(shí)間較長等特點(diǎn)[1]。

高原寒冷地區(qū)空氣源熱泵應(yīng)用可行性研究已經(jīng)得到多方證實(shí)[2,3]，但空氣源熱泵在冬季運(yùn)行過程中，室外蒸發(fā)器表面存在結(jié)霜的問題，隨著霜層厚度的增加，霜層熱阻不斷增加，嚴(yán)重的影響了熱泵機(jī)組的制熱能力。因此，有必要根據(jù)高寒地區(qū)氣候特點(diǎn)探討減少空氣源熱泵結(jié)霜問題的措施，為高寒地區(qū)空氣源熱泵機(jī)組研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

國內(nèi)外學(xué)者對空氣源熱泵結(jié)霜問題進(jìn)行了大量研究，王偉等[4]針對空氣源熱泵在北京地區(qū)運(yùn)行中結(jié)霜、誤除霜、低溫及臟堵等關(guān)鍵問題進(jìn)行了系統(tǒng)能耗分析。SNKondepudi[5]進(jìn)行了空氣源熱泵機(jī)組詳細(xì)的翅片換熱器結(jié)霜特性分析，并討論了如迎風(fēng)面積、翅片密度、相對濕度等因素對熱泵機(jī)組性能的影響。文獻(xiàn)[6]根據(jù)我國18個(gè)城市的氣象資料，將空氣源熱泵結(jié)霜區(qū)間按照結(jié)霜程度劃分成重霜區(qū)、一般結(jié)霜區(qū)、低溫結(jié)霜區(qū)和輕霜區(qū)4個(gè)區(qū)域。文獻(xiàn)[7]研究了基于分區(qū)結(jié)霜圖譜的新型THT除霜控制方法。

盡管國內(nèi)外學(xué)者對空氣源熱泵結(jié)霜程度和結(jié)霜范圍作出了大量的研究，但針對空氣源熱泵在高寒地區(qū)的結(jié)霜研究較少。本文以空氣源熱泵在代表性高寒地區(qū)結(jié)霜狀況進(jìn)行研究，分析室外氣象條件來判斷機(jī)組在高寒地區(qū)運(yùn)行時(shí)是否結(jié)霜以及結(jié)霜的時(shí)間比例，并分析增大蒸發(fā)器面積對減少熱泵機(jī)組結(jié)霜的效果。

1 蒸發(fā)器表面結(jié)霜分析

1.1 蒸發(fā)器模型

制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)換熱主要經(jīng)歷兩相區(qū)與單相區(qū)（過熱區(qū)），建立模型時(shí)做出如下假設(shè)：（1）采用均相流模型；（2）兩相流在同一流動(dòng)界面上氣相和液相的壓力相等；（3）管壁熱阻忽略不計(jì)。

1.1.1 制冷劑側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式

（1）單相區(qū)

對于單相區(qū)（過冷區(qū)、過熱區(qū)），制冷劑換熱系數(shù)采用Dittus—Boeler關(guān)聯(lián)式[8]：

（2）兩相區(qū)

蒸發(fā)器中兩相區(qū)沸騰換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式[8]為：

式中：d為管內(nèi)徑。

1.1.2 空氣側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式

翅片形式采用平直形翅片，換熱關(guān)聯(lián)式[8]為：

式中：1為垂直空氣流動(dòng)方向翅片間距，m；2為沿空氣流動(dòng)方向管間距，m；3為翅根直徑，m；為管根數(shù)；α為空氣側(cè)換熱系數(shù)。

1.2 蒸發(fā)器表面結(jié)霜與空氣參數(shù)的關(guān)系

結(jié)霜的機(jī)理以及結(jié)霜對傳熱的影響因素有很多，一般認(rèn)為熱泵室外蒸發(fā)器結(jié)霜條件為蒸發(fā)器表面溫度T與空氣露點(diǎn)溫度T滿足關(guān)系式（5）：

式（5）中空氣的露點(diǎn)溫度T可以根據(jù)空氣的干球溫度與相對濕度計(jì)算得出，因此空氣干球溫度和相對濕度是影響熱泵結(jié)霜的重要因素。圖1是根據(jù)日本學(xué)者對不同空氣源熱泵機(jī)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得出的結(jié)霜區(qū)域[9]。結(jié)霜的室外氣象參數(shù)范圍為：室外空氣干球溫度-12.8℃≤T≤5.8℃，相對濕度≥67%，如圖1中陰影區(qū)域所示。當(dāng)T>5.8℃時(shí)，可以不考慮結(jié)霜對熱泵的影響；當(dāng)T<5.8℃，<67%時(shí)，由于空氣的露點(diǎn)溫度T低于室外蒸發(fā)器表面溫度T，不會(huì)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象；當(dāng)T<-12.8℃時(shí)，由于空氣中的含濕量非常低，隨著熱泵運(yùn)行時(shí)間的增長蒸發(fā)器表面會(huì)有微薄的冰層，也不會(huì)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。

圖1 空氣源熱泵結(jié)霜的室外空氣參數(shù)范圍

Fig.1 Outdoor air parameter range of air source heat pump frosting

1.3 不同蒸發(fā)器面積下的結(jié)霜區(qū)域

空氣源熱泵室外蒸發(fā)器表面結(jié)霜對機(jī)組性能的影響主要表現(xiàn)為：堵塞蒸發(fā)器肋片間的換熱通道，增加了換熱熱阻，導(dǎo)致制熱能力下降，嚴(yán)重時(shí)，將直接導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生故障。判斷蒸發(fā)器表面是否結(jié)霜，首先需要得到結(jié)霜判定條件中的蒸發(fā)器表面溫度T。本文通過以下假設(shè)來得出蒸發(fā)器表面溫度。

在進(jìn)行蒸發(fā)器結(jié)霜仿真模擬[8]時(shí)，通常考慮到翅片和管壁的熱阻遠(yuǎn)小于霜的熱阻，將管壁和翅片在厚度方向上的導(dǎo)熱忽略不計(jì)。由霜層傳入翅片的熱量當(dāng)作內(nèi)熱源處理，結(jié)霜過程中，蒸發(fā)溫度保持恒定不變。根據(jù)文獻(xiàn)[7,10]研究表明，當(dāng)空氣源熱泵冬季運(yùn)行時(shí)，可以認(rèn)為蒸發(fā)器表面溫度T與制冷劑蒸發(fā)溫度T近似相等。當(dāng)室外空氣溫度一定時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度也為定值。因此，研究蒸發(fā)器表面是否結(jié)霜的問題，轉(zhuǎn)化成研究蒸發(fā)溫度T與室外空氣干球溫度T的關(guān)系。

為了探究不同蒸發(fā)器面積對結(jié)霜的影響，本文設(shè)定蒸發(fā)器基準(zhǔn)面積0的迎風(fēng)尺寸為750mm×740mm，壓縮機(jī)額定功率為1.2kW，室內(nèi)溫度為20℃。通過仿真得到蒸發(fā)器面積分別為0、1.50、20時(shí)的機(jī)組運(yùn)行性能。統(tǒng)計(jì)各蒸發(fā)器面積下不同室外空氣溫度變化所對應(yīng)的蒸發(fā)溫度，如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)器面積、室外空氣溫度、蒸發(fā)溫度三者之間的關(guān)系

由圖2可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器面積一定時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度隨室外空氣溫度的增大而升高。當(dāng)室外空氣溫度一定時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度隨蒸發(fā)器面積的增大而升高，這有利用減少機(jī)組的結(jié)霜情況，降低除霜功耗。

當(dāng)蒸發(fā)器面積為20時(shí)，機(jī)組的蒸發(fā)溫度平均提高了約2.4℃，即室外蒸發(fā)器的表面溫度也將隨著提高約2.4℃。當(dāng)蒸發(fā)器面積為0時(shí)，結(jié)霜區(qū)域室外空氣溫度邊界值為T=5.8℃，對應(yīng)的機(jī)組蒸發(fā)溫度為T=-4.9℃。由于蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式均相同，僅換熱器面積大小改變，所以在蒸發(fā)器面積成倍增大時(shí)，同樣應(yīng)該在蒸發(fā)溫度為T=-4.9℃時(shí)蒸發(fā)器表面具有臨界結(jié)霜的條件。

因此，在基準(zhǔn)面積0線上作出室外空氣溫度為5.8℃對應(yīng)的蒸發(fā)溫度線，依次相交1.50、20線，則結(jié)霜區(qū)域室外空氣溫度邊界值依次降低為4.4℃、2.6℃，再根據(jù)圖1、圖2可以得出空氣源熱泵機(jī)組處于不同蒸發(fā)器面積下所對應(yīng)的結(jié)霜區(qū)域，如圖3所示。

在增大蒸發(fā)器面積后，相應(yīng)的結(jié)霜區(qū)域也逐步減小，減小部分如圖陰影區(qū)域A、B所示。空氣源熱泵機(jī)組處于不同蒸發(fā)器面積下的結(jié)霜區(qū)域分別為：

蒸發(fā)器面積為0時(shí)，結(jié)霜區(qū)域?yàn)椋篈+B+C；

蒸發(fā)器面積為1.50時(shí)，結(jié)霜區(qū)域?yàn)椋築+C；

蒸發(fā)器面積為20時(shí)，結(jié)霜區(qū)域?yàn)椋篊；

由圖3可以看出，如果蒸發(fā)器面積采用1.50，A區(qū)域即為減小的結(jié)霜區(qū)域的空氣參數(shù)范圍，從而達(dá)到減小結(jié)霜問題的效果。

圖3 不同蒸發(fā)器面積下的結(jié)霜室外空氣參數(shù)變化范圍

2 熱泵機(jī)組采暖季結(jié)霜時(shí)間分析

2.1 不同蒸發(fā)器面積下的結(jié)霜時(shí)間

表1 不同運(yùn)行模式下結(jié)霜時(shí)間的相對比較

本文選擇高寒地區(qū)部分代表地區(qū)，根據(jù)圖3中給出的不同結(jié)霜區(qū)域，對其熱泵采暖季的室外氣象資料[11]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分別得到0運(yùn)行模式（0）、1.50運(yùn)行模式（1）、20運(yùn)行模式（2）下的機(jī)組發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象的時(shí)間。其中，為采暖季小時(shí)數(shù)，T（=0、1、2）為不同運(yùn)行模式的熱泵結(jié)霜時(shí)間，單位為h。

不同運(yùn)行模式的結(jié)霜時(shí)間占采暖季總時(shí)間比例定義為：

由此可以得出蒸發(fā)器面積對結(jié)霜時(shí)間的影響效果，如表1所示。

2.2 各地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間分析

（1）機(jī)組在高寒地區(qū)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)器采用基準(zhǔn)面積0時(shí)，結(jié)霜時(shí)間占采暖季總時(shí)間比例在1.63%～47.45%，絕大多數(shù)地區(qū)結(jié)霜時(shí)間比例處于20%左右，少部分地區(qū)結(jié)霜時(shí)間比例處于30%以上，對于這部分地區(qū)而言，結(jié)霜仍然是一個(gè)比較嚴(yán)重的問題。在四川地區(qū)，由于冬季室外空氣溫度相對較高且相對濕度大，因此空氣源熱泵機(jī)組的結(jié)霜時(shí)間比例相對較高，平均值為30.95%；在青海、西藏地區(qū)，由于冬季氣候寒冷，相對濕度較低，空氣源熱泵機(jī)組結(jié)霜時(shí)間比例不高，特別是格爾木與拉薩，其結(jié)霜時(shí)間占采暖季總時(shí)間的比例非常小，分別為1.63%、1.72%。

（2）機(jī)組蒸發(fā)器面積增大后，對各地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間有一定的影響，但普遍影響效果不大。其中，對于青海格爾木與西藏拉薩，改變蒸發(fā)器面積對結(jié)霜時(shí)間沒有影響；影響最大的是四川、青海地區(qū)，當(dāng)蒸發(fā)器面積為1.50時(shí)，結(jié)霜時(shí)間相對減少比例為0.51%～3.64%；當(dāng)蒸發(fā)器面積為20時(shí)，結(jié)霜時(shí)間相對減少比例為2.89%～13.38%，主要是因?yàn)椴捎?0時(shí)，機(jī)組的結(jié)霜邊界條件由室外空氣溫度為5.8℃降低到2.6℃，同時(shí)這些地區(qū)的冬季室外空氣溫度相對較高，室外逐時(shí)氣象參數(shù)落在A+B陰影區(qū)域內(nèi)的時(shí)間較長，因此其結(jié)霜時(shí)間減少相對較多。

3 結(jié)論

本文研究了適用于高寒地區(qū)的熱泵機(jī)組理論結(jié)霜區(qū)域，并通過增大蒸發(fā)器面積來分析其減少結(jié)霜的效果。針對不同地區(qū)采暖季的結(jié)霜狀況進(jìn)行了評價(jià)分析，得到以下結(jié)論：

（1）室外蒸發(fā)器面積增大為1.50、20時(shí)，結(jié)霜區(qū)域室外空氣干球溫度邊界值由5.8℃依次降低至4.4℃、2.6℃，空氣源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器表面溫度平均提高了約1.2℃、2.4℃。

（2）對于格爾木與拉薩地區(qū)，機(jī)組結(jié)霜時(shí)間占采暖季總時(shí)間的比例非常小，分別為1.63%、1.72%，同時(shí)，蒸發(fā)器面積改變對該地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間沒有影響。其他地區(qū)的結(jié)霜時(shí)間占采暖季總時(shí)間的比例為12.61%～47.45%。

（3）當(dāng)室外蒸發(fā)器面積為1.50時(shí)，在采暖季總時(shí)間內(nèi)，機(jī)組的結(jié)霜時(shí)間相對減少比例為0.51%～3.64%；當(dāng)室外蒸發(fā)器面積為20時(shí)，在采暖季總時(shí)間內(nèi)，結(jié)霜時(shí)間相對減少比例為2.89%～13.38%。表明改變蒸發(fā)器面積對結(jié)霜有一定的效果，同時(shí)，不同地區(qū)的效果差異較大。

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Effects of Evaporator Area on Frosting Condition of Heat Pump in Cold Highland Areas

Yang Hao Lei Bo

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031)

This paper analyzes the effects of evaporator area to evaporator surface temperature of air source heat pump, according to the analysis of the outdoor meteorological conditions of the main representative regions in cold highland areas, calculates the frost time of heat pump with the different evaporator area by0, 1.50and 20, and analyzed its effect on frosting condition of heat pump. The results indicate that when the evaporator area is 20, the evaporating temperature can be raised about an average of 2.4℃, and the frost time in different regions can be shortened about 2.89%～13.38% in heating seasons.

cold highland areas; air source heat pump; evaporator; frost

1671-6612（2019）01-094-4

U453.5

A

陽 豪（1993.09-），男，在讀碩士研究生，E-mail：haoyangneil@163.com

雷 波（1961.05-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：leibo@home.swjtu.edu.cn

2018-04-20