淺析關(guān)于隔膜壓力表換向除霜特性的實(shí)驗(yàn)研究

摘 要 本文對隔膜壓力表換向除霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了進(jìn)風(fēng)溫度、相對濕度對除霜時(shí)的壓縮機(jī)吸氣壓力、隔膜壓力表管壁溫度、除霜時(shí)間、除霜時(shí)壓縮機(jī)耗功及吸熱量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：除霜時(shí)隔膜壓力表管壁溫度隨時(shí)間的變化分為急速增加段和緩慢增加段兩個(gè)階段；壓縮機(jī)的吸氣壓力有一個(gè)迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機(jī)吸氣壓力慢慢增加，#后達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力和隔膜壓力表管壁溫度隨著進(jìn)風(fēng)溫度和相對濕度的增大而增大，除霜時(shí)間隨著進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而減少。除霜時(shí)壓縮機(jī)耗功隨著進(jìn)風(fēng)溫度的變化基本呈線性關(guān)系，而且隨著溫度的增加而減少；壓縮機(jī)耗功也隨著相對濕度的增大而減少，但隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度的升高，隨著相對濕度的增大壓縮機(jī)耗功減小幅度呈下降趨勢。除霜吸熱量隨著進(jìn)風(fēng)相對濕度和進(jìn)風(fēng)溫度的增加反而減少，而且進(jìn)風(fēng)空氣溫度越低，空氣相對濕度對除霜吸熱量的影響越大。

結(jié)霜是普遍發(fā)生在制冷、低溫技術(shù)等工程領(lǐng)域的自然現(xiàn)象，對相應(yīng)的系統(tǒng)和裝置的工作性能及可靠性產(chǎn)生直接和顯著的影響。當(dāng)霜層增加到一定厚度時(shí)，制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)下降非常迅速。此時(shí)，必須對制冷系統(tǒng)進(jìn)行除霜操作。國內(nèi)外學(xué)者對制冷系統(tǒng)、換熱器除霜性能進(jìn)行了大量的研究，胡斌 [1]等人深入研究了空氣源熱泵機(jī)組在不同使用環(huán)境條件下的結(jié)霜和除霜過程，開發(fā)了防積冰除霜方法、大流量除霜方法、防積雪控制等關(guān)鍵除霜技術(shù)和智能除霜控制邏輯。袁麗芬等 [2] 對一臺(tái)醫(yī)用冷藏箱熱氣旁通化霜的效果進(jìn)行了研究，通過結(jié)霜、化霜試驗(yàn)分析得到熱氣旁通的化霜效率可以達(dá)到80％以上。Reindl [3] 等提出了一種采用直接膨脹的熱氣旁通除霜方法，利用電磁閥的調(diào)節(jié)來阻止高壓制冷劑液體進(jìn)入隔膜壓力表。Qu [4] 對逆循環(huán)除霜法結(jié)合蓄熱材料進(jìn)行研究，結(jié)果表明該除霜方式可以更可靠地運(yùn)用于極端氣候環(huán)境，不但可以縮短除霜時(shí)間，而且還能降低除霜能耗。曲明璐等 [5] 提出增設(shè)蓄熱器的蓄能復(fù)疊式空氣源熱泵除霜系統(tǒng)，與常規(guī)熱氣旁通除霜對比分析表明：采用蓄能除霜方法的除霜時(shí)間較旁通除霜減少71.4％～77.6％，系統(tǒng)除霜能耗降低65.1％～85.2％。本文對隔膜壓力表換向除霜特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度對隔膜壓力表管壁溫度、壓縮機(jī)吸氣壓力、除霜時(shí)間、壓縮機(jī)耗功、除霜吸熱量等參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)工況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

發(fā)器放置于焓差室的室外側(cè)；隔膜壓力表的進(jìn)出口空氣參數(shù)通過焓差室進(jìn)行調(diào)節(jié)；焓差室能夠準(zhǔn)確的測量隔膜壓力表的換熱量、壓縮機(jī)的功率消耗等技術(shù)參數(shù)。焓差室照片如圖1所示，隔膜壓力表照片如圖2所示。

1.2 測量儀器

隔膜壓力表管壁溫度通過敷設(shè)在隔膜壓力表管壁上的熱電偶進(jìn)行測量。熱電偶采用的是銅－康銅熱電偶，均經(jīng)過標(biāo)定。溫度采集器采用YOKOGAWA電子公司生產(chǎn)的IM DR232－01E型溫度巡檢儀對所測的溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測與記錄，壓力傳感器采用麥克公司生產(chǎn)的MPM480壓阻式壓力變送器。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為了研究不同空氣參數(shù)條件下隔膜壓力表的除霜性能，本文在不同進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)濕度條件下對一臺(tái)隔膜壓力表的除霜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)工況如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖3和圖4可以看出，除霜開始后隔膜壓力表的管壁溫度有一個(gè)急劇上升的過程，持續(xù)時(shí)間大概是100 s左右，隨后管壁溫度緩慢增加，#后達(dá)到穩(wěn)定。其原因主要是逆向除霜時(shí)隔膜壓力表是冷凝器，壓縮機(jī)啟動(dòng)后直接把高溫高壓的制冷劑蒸汽排入隔膜壓力表中，所以開始時(shí)隔膜壓力表的管壁溫度急劇增加。但是隨著時(shí)間的推移，排入隔膜壓力表的高溫高壓的氣態(tài)制冷劑越來越多，管壁溫度與氣態(tài)制冷劑之間達(dá)到溫度平衡，所以#后管壁溫度達(dá)到穩(wěn)定。

從圖3還可以看出進(jìn)風(fēng)相對濕度越大，隔膜壓力表的管壁溫度越高，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-8 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣相對濕度為90%時(shí)比相對濕度為75%時(shí)的隔膜壓力表管壁溫度大約提高10.5%。其原因可能是空氣濕度越大，空氣中的水蒸氣含量越多，而水蒸氣的比熱比干空氣的要大，所以對冷凝溫度產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致相對濕度越大管壁溫度越高。從圖4可以看出隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增大，隔膜壓力表的管壁溫度也越高。當(dāng)空氣進(jìn)風(fēng)相對濕度為85%時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣溫度為0 ℃時(shí)管壁溫度比-8 ℃時(shí)的管壁溫度大約提高11.9%。其主要原因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)空氣溫度會(huì)影響制冷系統(tǒng)的冷凝溫度，而進(jìn)風(fēng)溫度越高，冷凝溫度也越高，壓縮機(jī)排氣溫度也越高，所以隔膜壓力表表面溫度也越高。

 

 

從圖5和圖6可以看出除霜開始時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣壓力有一個(gè)迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機(jī)吸氣壓力慢慢增大，#后達(dá)到穩(wěn)定。其原因主要是除霜開始時(shí)，由于四通換向閥換向，隔膜壓力表與排氣管道相連。由于排氣管道內(nèi)是高溫高壓的制冷劑蒸汽，隔膜壓力表內(nèi)的低溫低壓的制冷劑蒸汽與排氣管內(nèi)的高溫高壓的制冷劑蒸汽混合后，壓力迅速增加，因此壓縮機(jī)吸氣壓力有一個(gè)迅速升高的過程。但隨著壓縮機(jī)的啟動(dòng)后，系統(tǒng)建立新的高壓和低壓，壓縮機(jī)的吸氣壓力迅速降低，所以除霜開始時(shí)，壓縮機(jī)吸氣壓力有一個(gè)迅速增大后又迅速降低的過程。隨著除霜過程的進(jìn)行，霜層逐漸減少，因此壓縮機(jī)吸氣壓力有一個(gè)緩慢增加的過程，#后隔膜壓力表表面霜層全部除完，壓縮機(jī)吸氣壓力達(dá)到穩(wěn)定，除霜結(jié)束。從圖5可以看出在進(jìn)風(fēng)溫度不變的情況下，相對濕度越大，壓縮機(jī)吸氣壓力越大。當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-5 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣相對濕度為90%時(shí)比75%時(shí)壓縮機(jī)吸氣壓力要提高27.8%左右。從圖6可以看出，在進(jìn)風(fēng)相對濕度不變的情況下，進(jìn)風(fēng)溫度越高，壓縮機(jī)吸氣壓力越大。當(dāng)進(jìn)風(fēng)相對濕度為75%時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣溫度為0 ℃時(shí)壓縮機(jī)吸氣壓力比-8 ℃時(shí)的壓縮機(jī)吸氣壓力大約提高76.5%。

圖7為除霜時(shí)間隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化情況。從圖中可以看出，除霜時(shí)間隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加而減少，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣相對濕度為75%時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣溫度為3 ℃時(shí)除霜時(shí)間比-8 ℃時(shí)減少37.8%。其原因主要是，隨著進(jìn)風(fēng)溫度的增加，除霜時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度也越高，因此隔膜壓力表管壁溫度也越高，放熱量也越大，所以除霜時(shí)間就越短。從圖中還可以看出除霜時(shí)間隨著進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而減少，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-5 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)相對濕度為90%時(shí)除霜時(shí)間比75%時(shí)減少16.2%。原因可能是隨著相對濕度的增大，霜的密度越小，霜的質(zhì)量也越小，除霜需要消耗的熱量也越少，因此除霜的時(shí)間也越短。圖8為除霜時(shí)壓縮機(jī)耗功隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化情況，從圖中可以看出，除霜時(shí)壓縮機(jī)耗功隨著進(jìn)風(fēng)溫度的變化基本呈線性關(guān)系，而且隨著溫度的增加而減少，當(dāng)相對濕度為75%時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-8℃時(shí)的壓縮機(jī)除霜耗功比3 ℃時(shí)要增加2.38倍；而且隨著相對濕度的增大，壓縮機(jī)耗功隨溫度變化的曲線斜率也變小。從圖中還可以看出壓縮機(jī)耗功也隨著相對濕度的增大而減少，當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-8 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣相對濕度為75%時(shí)壓縮機(jī)耗功比90%時(shí)要提高59.4%左右；當(dāng)進(jìn)風(fēng)空氣溫度為3 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣相對濕度為75%時(shí)壓縮機(jī)耗功比90%時(shí)要提高28.8%左右，隨著進(jìn)風(fēng)空氣溫度的升高，隨著相對濕度的增大壓縮機(jī)耗功減小幅度呈下降趨勢。

 

 

圖9為除霜過程中吸熱量隨進(jìn)風(fēng)溫度的變化情況，從圖中可以看出除霜吸熱量隨著進(jìn)風(fēng)相對濕度和進(jìn)風(fēng)溫度的增加反而減少，當(dāng)相對濕度為75%時(shí)，進(jìn)風(fēng)空氣溫度為-8 ℃時(shí)的除霜吸熱量比3 ℃時(shí)的要增加2.3倍。而且進(jìn)風(fēng)空氣溫度越低，空氣相對濕度對除霜吸熱量的影響越大。其原因可能是霜層密度隨著進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加反而減少，因此在厚度相同的情況下隔膜壓力表表面的結(jié)霜量也隨著進(jìn)風(fēng)相對濕度和進(jìn)風(fēng)溫度的增加而減少，因此化霜的熱量也隨之減少，所以除霜吸熱量也隨著進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加減少。

3 結(jié)論

(1) 除霜開始后隔膜壓力表的管壁溫度有一個(gè)急劇上升的過程，隨后管壁溫度緩慢增加，#后達(dá)到穩(wěn)定；而壓縮機(jī)的吸氣壓力有一個(gè)迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機(jī)吸氣壓力慢慢增大，#后達(dá)到穩(wěn)定。

(2) 壓縮機(jī)吸氣壓力和隔膜壓力表管壁溫度隨著進(jìn)風(fēng)溫度和相對濕度的增大而增大，除霜時(shí)間、除霜時(shí)壓縮機(jī)耗功和除霜吸熱量隨著進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)風(fēng)相對濕度的增加而減少。