如何真正实现增益结霜目的

2023-11-29 06:00:10 字數 2695 閱讀 5073

一直以来行列都把热泵结霜作为负资产来处置,这对能源是极大的浪费,其实,结露结霜是空气中水汽凝结或凝固所释放出潜热被换热器另一侧防冻液或制冷剂吸收了,通常空气中水汽潜热量会是同等体积规模空气显热量数百倍以上,可以极大降低换热器的体积规模。

然而,传统空气能热泵基本上是把结霜作为负资产来处置的,通常化霜能耗量会占整个热泵机组运行总能耗的10%左右,在相对湿度较大的低温环境运行时很可能还会掉入到“化霜陷阱”之中,将花费许多时间用于化霜,而制热时间就会相对缩短许多,这就严重影响到用户的采暖体验。

辩证地说结霜既有害又有益,不过还要看如何去化霜,还要看结霜影响热源风量到了什么程度,采用什么样化霜方法是非常重要的,把先进的化霜技术应用好是完全可以变害为利的,还会使换热器的吸热能力提高几十倍以上。

由于凝华潜热是凝华时所释放出来的热量,其值与同温下的升华潜热相等,即为283.5×104焦耳/千克,也就是677.28kcal/kg。若热泵蒸发器出现结霜情况,说明了蒸发器另一侧流体吸收了空气中水汽凝华潜热。若要进行化霜就需要消耗等量的热量,该化霜热量的温度在5℃左右比较合理,因为温度太高热量损失就多,就会被霜水带走而造成热量的浪费;若化霜热量只有1℃左右,化霜速度就会很慢,如果环境温度很低时,流出的霜水在通道里还会再次结霜,造成霜水排不走的烦恼。

显然,677.28kcal/kg凝华潜热会有一部分热量会被霜水带走的,带走的热量是水凝固潜热再加上5℃水的显热量,因为水凝固潜热79.6kcal/kg,再加上5kcal/kg的显热量(因为流出去的霜水温度是5℃),一共就会有84.6kcal/kg热量是无法被系统冷媒所吸收利用的,这部分没有办法吸收利用的水汽凝华潜热占比只有12.49%。若采用科学合理的化霜技术,那么空气中水汽凝华潜热利用率可达87.51%,其利用率还是非常可观的。

科学合理的化霜首先须从霜层内部进行加热,才不会像霜层外部融霜时会导致许多用于化霜的热量被外部空气带走的情况,就不会造成化霜能量的浪费;其次用来化霜的热量须是从低温空气转移而来的热量,并且不存在次生结霜问题,绝不可以采用高耗能的能量转换方式所产生的电热能用于化霜;再就是不能从用户末端房间里索取热量用于化霜;也不能在化霜过程中停止制热工作;用于化霜的热量最终必须返回到采暖热量系统里,能够做到这几点才是符合科学的化霜好技术。

要想把结霜问题化害为利,最大问题是不能让结霜影响到热泵机组的正常运行,不能让热泵机组运行时其能效比变成下降的趋势,这个问题是值得深究的。经过相关研究团队对汽车空调平行流蒸发器表面结霜状态进行研究发现:当结霜面积达到整个蒸发器表面积的30%时,会出现热泵运行能效比下降的拐点,在结霜面积未达到总面积30%之前,其结霜速率与其运行能效比是成正比的,也就是说在结霜初期200秒前结霜速率是增加的,其能效比也相应增长较快,在200秒后至300秒前结霜速率相对平稳,300秒后才会出现能效比下降的情况。若采用霜层导热率低来解释结霜速率下降的现象显然是说不通的,用水汽凝华机理来解释也无法说清楚结霜初期热泵机组能效比提高及结霜300秒后能效比下降的根本原因所在。必须根据实际情况用霜层堵风道影响风量程度作为**现实客观依据,从热源量减少角度来解释这一现象才具有科学性,才能客观真实反应其原因所在。当霜层面积增加时,势必会影响到风量的减少,那么风量减少将会导致热源量的减少,进而导致机组能效比相应随之减少。

然而,为什么结霜初期200秒内同样也存在风量减少的问题,其能效比却是提高的呢?这就需要用动态平衡理论来加以解释了,这是因为热源风量的减少速度远远不如水汽凝华所释放出潜热量增加的速度来得快,这才导致热泵机组能效比上升的原因所在。到了结霜200秒至300秒时热源量减少速度与水汽凝华潜热释放量增长的速度趋于相对平衡状态了,那么热泵机组能效比也就处于相对稳定的状态。

另外,还有一组研究人员采用可调翅片宽度那种换热器对结霜速率变化而引起的换热速度变化所做的研究发现:当翅片宽度增加时蒸发器结霜速率上升周期会延长,可充分利用翅片宽度的调整最大化实现获取水汽潜热量的目的。这两项研究成果充分证明了水汽凝华潜热确实能够极大地提高热泵机组运行的能效比,并能够做到较精准地控制化霜的时间节点,从而提高热泵机组的能效比。采用蒸发器结霜方式来获得空气中更多的水汽潜热之优势是非常值得研究的,不过须让吸热冷媒温度低于环境温度相对湿度的**温度以下时才能够获得水汽潜热。

然而,水汽凝华潜热在空气中占比又会是多少呢,我们可以举一个例子:在相对湿度60%时,每立方空气从环境温度-10℃降至-20℃时,空气中水汽所能释放出的潜热量会是多少呢。显然,是可以通过计算发现其中潜热量是其本身空气显热量许多倍,从绝对与相对含湿表中查到环境温度-10℃及相对湿度60%时,其绝对含湿量是1.4g/m3,而零下-20℃时,其饱和水汽绝对含湿量是0.9g/m3,而相对湿度60%环境温度-10℃时空气的**温度为-15℃,那么必须要把空气降到其相应的**温度以下才能够获得水汽凝华潜热。依据以上数据可以计算出其水汽释放潜热量=(1.4-0.9)×0.001×593=0.2965大卡,这比空气降温10℃的显热量的0.003大卡要高出98倍以上。若环境相对湿度接近饱和度时(也就是相对湿度接近100%),其水汽潜热量将是同等体积规模空气显热量的一千多倍。

可想而知用结霜方式获取空气水汽潜热量是何等的可观。虽然如此,但结霜必须控制在蒸发器表面积的30%以内才能够使热泵机组能效比得到提高,否则结霜将变成热泵机组运行时的负资产,会造成热泵机组运行不稳定或能效比急剧下降的情况。

若想把结霜作为正资产来运作必须是化霜热量来自低温空气中转移而来的热量,且必须是热量从霜层内部扩散的方式去融霜,而化霜过程又不能耽搁制热的工作,化霜热量最终须汇集到采暖热量中去,这才是最理想的化霜技术,这才会把结霜当做正资产来运作。采用轮流交替式在其增益结霜范围内化霜,并能实现在结霜过程中化霜,在化霜过程中制热,实现制热、结霜、化霜三过程同时进行的热泵运行模式,这种热泵运行模式也会给热泵的热源构成带来改变,其热量**几乎99%以上是来自空气中的水汽潜热,而空气显热量完全可以忽略不计。

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