前言

　　空气源热泵空调机组具有夏季制冷、冬季制热的双重功能,因而受到越来越多用户的青睐。然而,其应用也受到一定的限制。在某些地方冬季运行时,由于室外空气温度较低,蒸发器表面容易结霜,影响其正常供热;随着室外空气温度的降低,房间热负荷增大,但空调机组供热能力却逐渐减少,满足不了用户的使用要求。因此,提高空气源热泵在低温环境下的制热能力,已成为近年来非常重视的研究课题。本文提出了一种新的空气源热泵流程,并对采用该空气源热泵的低温制热性能进行了实验研究。研究思路及改进措施

　　在系统中增设一个气液分离器,气液分离器(储液器)是空气源热泵机组中的一个辅助部件,在以往的制冷系统实验研究中并没有受到充分重视。但对于空气源热泵除霜过程特性,气液分离器具有比较重要的影响,因为它一方面储存了系统中多余的制冷剂,另一方面,研究表明气液分离器对除霜效率和整个系统的动态特性具有不可忽视的影响。Nutter等的研究表明[1] ,气液分离器降低了系统除霜结束或启动过程中的响应时间。在系统中增设一条分流循环回路,经分流制冷剂调压后,分流循环回路中的制冷剂能够调节压缩机吸入的制冷剂的状态,使得压缩机能够吸入密度较大的气态制冷剂,这样空气源热泵系统即使在较低的环境温度下运行,也能保证空气源热泵系统内部的制冷剂的质量流量,从而使得空气热源热泵系统能够向室内提供充足的热量。在系统的主循环回路中设置转换阀,使离开室内换热器的制冷剂在进入第一膨胀阀之前,与气液分离器中的制冷剂进行热量交换,从而使制冷剂以气态的形式被压缩机吸入,避免压缩机吸入、压缩夹含液体的制冷剂现象发生[2]。其系统结构如图1所示。

　　图1 　新型空气源热泵系统流程示意

　　常用的节流膨胀机构有毛细管、膨胀阀等。前者多用于小型制冷装置,后者则适用于热负荷变化很大的场合[3 ]。本次实验属于小型低温空气源热泵实验,制冷剂在整个系统中的膨胀量不大,故采用毛细管作为膨胀机构。　　为了避免气液分离器中的制冷剂通过主循环回路回流到室外换热器,在室外换热器与气液分离器之间的主循环回路上增设单向阀。单向阀的作用是:只能允许主循环回路内的制冷剂从室外换热器向气液分离器之间的单向流动。这是因为气液分离器里进行的是一个强烈的闪蒸过程,压缩机可能出现进液现象甚至空转现象,因此需要设此单向阀。

　　图2所示为低温空气热源热泵系统在制冷运行时的流程示意图。

　　图2 　热泵系统制冷流程示意

　　系统制冷运行时,制冷剂分流循环回路不工作,制冷剂主循环回路工作。其中,制冷剂主循环回路的流程为:压缩机排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀然后进入室外换热器,在室外换热器中,制冷剂通过室外换热器向室外环境释放热量,凝结成高压液体后,离开室外换热器,然后进入第一毛细管进行节流膨胀,然后依次通过打开的第二三通换向阀和第一三通换向阀进入室内换热器,在室内换热器中,制冷剂通过室内换热器向室内提供冷量,蒸发成气体后再依次流经分流阀、四通换向阀、单向阀进入气液分离器,最后被压缩机吸入。

　　(a) 　制冷剂分流循环回路不工作

　　　(b) 　制冷剂分流循环回路工作

　　图3 　热泵系统制热流程示意

　　图3所示为低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度为- 5℃下的制热循环流程示意图。二者区别为:图3 (a)为制冷剂分流循环回路不工作,图3 (b)为制冷剂分流循环回路工作。其中,制冷剂主循环回路的流程:压缩机排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀,然后,流经分流阀进入室内换热器,在室内换热器中,制冷剂通过室内换热器向室内提供热量后,凝结成高压液体后,离开室内换热器,再依次流经第一三通换向阀和第二三通换向阀,进入第一毛细管进行膨胀,然后进入室外换热器,在室外换热器中,制冷剂通过室外换热器从室外环境中吸收热量,蒸发成气体后再依次流经四通换向阀、单向阀进入气液分离器,最后被压缩机吸入。制冷剂分流循环回路的流程:通过分流阀将压缩机排出的高温高压制冷剂气体进行分流。分流的这部分高温高压制冷剂气体,通过第二毛细管进行适度膨胀减压后进入气液分离器,与来自室外换热器的主流制冷剂进行混合调压,制冷剂在气液分离器中混合调压后,被压缩机吸入。(a) 　制冷剂分流循环回路不工作(b) 　制冷剂分流循环回路工作

　　图4 　过冷热泵系统制热流程示意

　　图4所示为低温空气热源热泵系统在室外空气环境温度为- 5℃下(存在过冷,蒸发器出来的制冷剂流经气液分离器)的制热循环流程示意图。图4 (a)、(b)的区别仍然在于制冷剂分流循环回路是否工作。其中,制冷剂主循环回路的流程:压缩机排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀。然后流经分流阀进入室内换热器,在室内换热器中,制冷剂通过室内换热器向室内提供热量后,凝结成高压液体后,离开室内换热器,通过第一三通换向阀,将制冷剂导向气液分离器,通过气液分离器对气液分离器中的制冷剂进行适度加热,然后流经第二三通换向阀进入第一毛细管,进行膨胀后进入室外换热器,在室外换热器中,制冷剂通过室外换热器从室外环境中吸收热量,蒸发成气体后再依次流经四通换向阀、单向阀进入气液分离器,最后被压缩机吸入。制冷剂分流循环回路的流程是:压缩机排出的高温高压制冷剂气体首先通过四通换向阀,然后流经分流阀,进入第二毛细管进行膨胀减压后进入气液分离器,在气液分离器中,两个循环回路中的制冷剂进行混合调压,最后离开气液分离器,被压缩机吸入。主循环回路中的制冷剂经第一三通换向阀,经过气液分离器至第二三通换向阀段与分流循环回路中的制冷剂在气液分离器中,只进行热量交换,不进行混合。

　　(a) 　室内外温度随时间的变化曲线

　　　(b) 　压缩机吸排气压力随时间的变化曲线

　　　(c) 　部件温度随时间的变化曲线

　　(d) 　功耗及产热量随时间的变化曲线

　　(e) 　热泵COP随时间的变化曲线

　　图5 　第二毛细管在图4 (a)实验中的温度、压力、功率、性能曲线示意

　　(a) 　室内外温度随时间的变化曲线

　　(b) 　压缩机吸排气压力随时间的变化曲线

　　　(c) 　部件温度随时间的变化曲线

　　(d) 　功耗及产热量随时间的变化曲线

　　(e) 　热泵COP随时间的变化曲线

　　图6 　第二毛细管在图4 (b)实验中的温度、压力、功率、性能曲线示意通过图3、4的横向对比,说明加制冷剂分流循环回路对制冷系统的影响;通过图3 (a)和图4(a)、图3 (b)和图4 (b)的纵向对比,说明了过冷对制冷系统的影响。

　　　3 　试验结果

　　加制冷剂分流循环回路改变了制冷系统主路的制冷剂流量,而在充注量一定的情况下,制冷剂流量的控制是通过毛细管内径和长度的变化来实现的。本次试验是在无锡小天鹅集团空调所实验室进行的,对不同的第二毛细管进行了替换测试实验。图5所示为内径1. 3mm、长度2. 0m的第二毛细管在图4 (a)实验中的温度、压力、功率、性能曲线图;图6所示为该毛细管在图4 (b)实验中的温度、压力、功率、性能曲线图。图5 ,6中,A室为室内侧,D室为室外侧,设定模拟室外环境温度为- 5℃。由于篇幅有限,本文未能把所有实验数据全部列出,仅列出几组数据以供参考。结论(1)通过试验数据可知,在室内外环境温度相同的情况下,加制冷剂分流循环回路后,压缩机的排气压力、排气温度有显著提高,制热量增加,功耗略有增加, COP值提高2 %左右。(2)在室内外环境温度相同的情况下,蒸发器出来的制冷剂流经气液分离器后,再经第二三通换向阀到室外换热器,会使压缩机的排气压力、排气温度相对提高,制热量、功耗有所增加, COP值略有提高。(3)经过试验发现,不同的第二毛细管对整个系统的影响是不一样的,第二毛细管也存在与系统制冷剂流量最佳匹配的问题。当该毛细管长度与流量不匹配时,加制冷剂分流循环回路,反而会使热泵系统COP值有所下降,即与前述结论正好相反。(4)改进的系统主要用于改善低温环境条件下(比如- 5℃以下)热泵的炙热性能。主要改善指标在于:1)增加绝对制热量;2)延长结霜时间,对能效比的评价需要考虑除霜条件。在除霜控制不变的情况下,能效比下降是必然的。作为分流回路中的节流机构的那根毛细管的作用还在于调节压缩机的吸气压力,它的确定以及流量分配控制对热泵的性能影响很大。试验数据不理想,可能与此因素有关。(5)制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂的最佳流量之比与室外环境温度、室外环境的相对湿度及热泵系统所使用的制冷剂的种类有关。(6)有待进一步研究的课题:进一步试验以确定与机组最佳匹配的第二毛细管的长度。确定制冷剂分流循环回路内制冷剂的流量与制冷剂主循环回路内制冷剂流量的最佳比例。