改进热泵式空调器除霜的研究及教学应用

何宁芝

热泵式空调器作为一种环保、节能的冷热两用空调器,能有效地实现夏天制冷和冬天制热,目前已被推广使用,并有着广泛的市场。但其自身特点导致在使用中具有局限性,主要问题就是,在冬季气温较低且相对湿度较大的地区制热运行时,蒸发器会结霜。霜层不仅会形成附加热阻,而且会增加空气流动阻力,导致风机流量减少,使热泵系统性能恶化,甚至影响其正常工作,严重时还会引起压缩机烧毁等故障。因此,为了保证热泵式空调器可靠、高效地工作,必须对其进行周期性除霜。然而由于目前市面上各种除霜方法都存在缺陷,在制冷与空调行业当中关于热泵式空调器的除霜问题依然是一个热门的研究课题。

笔者十多年担任技工学校制冷与空调专业教师,在教学过程中对热泵式空调器的除霜方法进行了深入研究和不断试验,通过反复研究、试用,终于探索出一种简易的除霜方法。这种方法具有明显的实效性,为技工学校制冷专业的学生提供了一个更广阔的知识空间,同时也拓展了他们的创造性思维。

一、常用的除霜方法

热泵式空调器除霜的方法有多种,目前常用的一种方法是利用关停风扇原理,在需要除霜时将空调系统转为制冷模式运行,依靠制冷剂冷凝时释放出的热量为室外侧换热器融霜。这种除霜方法存在以下几方面的弊端:

第一,换热器与霜层热量传递的方式主要为导热和辐射,然而疏松的霜层是热的不良导体。一方面外层的霜不能及时融化导致除霜过程缓慢;另一方面,制冷剂冷凝过程中产生的热量不能被充分吸收,可能导致冷凝压力过高,影响空调系统的正常工作。

第二,当霜层较厚时,一旦附着在换热器表面的霜融化,与换热器间形成空隙,换热器就无法通过导热的方式向霜层传热,最终可能形成难以去除的空鼓霜壳。

第三,室外侧换热器初期只在进风侧结霜,只有在反复除霜不尽、霜层越积越厚时,才有可能在换热器出风侧结霜。所以通常除霜时室外侧换热器非结霜侧的温度较高,非结霜侧附近的空气被加热后温度上升而未用于结霜侧的除霜。

第四,霜层融化后的水渗入换热片的缝隙,在换热片表面被加热蒸发,带走热量的结果是降低了换热器表面的温度,浪费能源的同时影响了除霜效果。

第五,这种除霜方法在除霜过程中空调系统实际已转换成制冷模式,除霜时间越长则热量损失越多,导致热泵制热效率下降。

二、改进除霜方法

1.方法简介

为了对上述除霜方法进行有效的改进,笔者通过与学校制冷教研组专业老师的共同深入研究和多次试验,发现在不改变热泵结构的基础上加装接触器、中间继电器、时间继电器和压力开关,在除霜过程中启动风扇反转按原风扇相反的方向送风,强制使空气由非结霜侧进入室外侧换热器并向结霜侧流动,将被加热的空气吹向霜层。实践证明,这种方式不但能快速有效地除霜,对因长期除霜不尽最终结成的冰壳也能迅速去除,因而提高了热泵的制热效率,节约了能源。

这种除霜方式充分利用室外侧换热器的热量,依靠对流、导热、辐射三种方式同时融霜,而对流传热融霜的效率明显优于导热和辐射,因而除霜迅速彻底,同时解决了除霜过程中可能产生的冷凝压力过高的问题。反向送风产生的气流还能阻止融霜产生的水向换热片缝隙中渗透,减少水在换热片表面蒸发带走热量产生的不良影响。如果附着在换热器表面的霜被融化,与换热器间形成空隙,导热传热虽然停止,但对流和辐射传热仍在进行,风压还能促使霜壳瓦解脱离换热器表面。

2.具体试验方法

在热泵内安装启动(或停止)风扇正、反转的电路,如图1和图2所示。

图1为普通三相异步电动机通过交流接触器的切换,调换两相电源启动或停止时正、反转风扇的电路原理图。当风扇电动机交流接触器2的常开触点2K断开,风扇电动机交流接触器1的常开触点1K闭合时,风扇电动机3得电正转;当风扇电动机交流接触器1的常开触点1K断开,风扇电动机交流接触器2的常开触点2K闭合时,风扇电动机3得电反转;当触点1K和触点2K同时断开时,风扇电动机3失电停转。

图2为单向电动机通过交流接触器的切换改变相电源的接入方式启动或停止时正、反转风扇的电路原理图。当风扇电动机交流接触器2的常开触点2K断开,风扇电动机交流接触器1的常开触点1K闭合时,风扇电动机3得电正转;当风扇电动机交流接触器1的常开触点1K断开,风扇电动机交流接触器2的常开触点2K闭合时,风扇电动机3得电反转;当触点1K和触点2K同时断开时,风扇电动机3失电停转。

在空调机内加装经过改装的控制风扇正反转的电路,参见图3。

热泵制热运行时,其控制电路输出原风扇电动机交流接触器的吸合电压V,中间继电器4得电,其常开触点4K闭合,时间继电器5得电,延时后时间继电器5的常开触点5K闭合,此时风扇电动机交流接触器2的常闭触点2b闭合,风扇电动机交流接触器1得电,其常开触点1K闭合,风扇电动机3得电正转(参见图1和图2)。

热泵的除霜过程是由以下方式实现控制的:

在室外侧换热器上加装压力开关,当冷凝压力上升到设定压力的上限时,其常闭触点7断开;而当冷凝压力下降到设定压力的下限时,其常闭触点7闭合,因而该触点可用作控制除霜过程的信号开关。

热泵开始除霜时按原程序要关停风扇,原风扇电动机交流接触器的吸合电压V变为0,中间继电器4失电,其常开触点4K断开,时间继电器5失电,风扇电动机交流接触器1因时间继电器5的常开触点5K断开而失电,其常开触点1K断开,正转的风扇电动机3失电逐渐停转。

此时由于压缩机仍在工作,压缩机交流接触器的辅助常开触点8处于接通状态,时间继电器6因中间继电器4的常闭触点4b闭合而得电,延时后时间继电器6的常开触点6K闭合,此时若压力没有达到设定条件,信号触点7不闭合,风扇电动机交流接触器2不得电,其常开触点2K不闭合,风扇仍维持停转状态(见图1和图2),室外侧换热器依靠导热和辐射两种方式融霜。当系统冷凝压力逐渐升高达到设定压力的上限时,信号触点7接通。由于此时风扇电动机交流接触器1的常闭触点1b闭合,风扇电动机交流接触器2得电,其常开触点2K闭合,风扇电动机3得电反转(参见图1和图2),将被加热的空气吹向霜层,依靠对流、导热和辐射三种传热方式融霜。在此过程中,当系统内的压力逐渐下降至设定压力的下限时,信号触点7又会断开,风扇逐渐停止转动。若系统冷凝压力逐渐升高重新达到设定压力的上限时,风扇又启动按原风扇相反的方向送风,再次依靠对流、导热和辐射三种传热方式融霜,如此反复进行,直至除霜结束。

除霜结束时,热泵控制电路重新输出原风扇电动机交流接触器的吸合电压V,中间继电器4得电,其常闭触点4b断开,时间继电器6失电,其常开触点6K断开,风扇电动机交流接触器2失电,其常开触点2K断开,反转的风扇电动机失电逐渐停转(参见图1和图2)。此时中间继电器4的常开触点4K闭合,时间继电器5得电,延时后其常开触点5K闭合,此时交流接触器2的常闭触点2b闭合,风扇电动机交流接触器1得电,其常开触点1K闭合,风扇电动机3得电重新正转(参见图1和图2),系统恢复制热。

电路中的时间继电器5和6保证风扇电动机3不会在高速运转时瞬间反转。电路中还串联了压缩机交流接触器辅助常开触点8,在空调器不工作时常开触点8断开,避免热泵不工作时时间继电器6处于常有电状态。

此项关于热泵式空调器除霜方法的研究,经过试验证明改良效果明显。在研究过程中还发现可以利用温度控制代替压力控制,取消中间继电器、时间继电器和压力开关。即在除霜过程中,当室外侧换热器的温度逐渐升高达到设定温度的上限时,启动风扇反转;此过程中如果换热器的温度逐渐下降至设定温度的下限时风扇停转,中间继电器和时间继电器的功能由控制器完成。也可以考虑用时间控制风扇的反转与停转,但由于外界环境变化影响除霜的因素较多,控制时间的设定相对比较困难。

三、改进除霜方法在教学中的应用

对热泵式空调器除霜方法进行改进的试验,既可以应用于技校制冷专业理论教学,也可以作为实操教学的演示、实习(试验)。有助于教学中由浅入深地引入制冷机除霜知识和操作技能,充实教学内容,提高学生专业操作技能水平与能力,培养适应市场需求的实用型人才。

1.适应市场需求的新变化,把除霜改进技术引入教学

随着新技术在生产中的广泛应用,技工教育也要适应目前市场的要求,大量培养一专多能、复合型中级技工和高级技工,甚至技师和高级技师。许多技工学校都开设了制冷与空调专业,而制冷技术在开发新技术方面还有比较大的空间,改进热泵式空调器的除霜技术,并且渗透到教学过程当中,使之成为制冷专业教学中生动、形象、直观的教材。

2.形象、直观、多用,易激发学生的学习欲望

改进后的除霜试验模型,演示起来形象、直观,可以激发学生的兴趣,同时还培养了学生的观察能力,增强感性认识,扩大了学生的思维空间,有利于对知识的理解。在教学中也可联系就业市场的要求,如较多用人单位提出“懂得新技术、新知识者优先”,激发学生的学习欲望。

通过对热泵式空调器的除霜技术的改进试验,把试验过程成功地渗透到教学过程当中,不但能培养学生理论知识的应用能力、实际操作能力以及分析和解决问题的能力,而且可以引发学生对未来事物的创新、思考,树立起未来对工作的信心。

通过对热泵式空调器两种除霜方法的分析比较,明确了利用反转风扇原理除霜的多方面优点,特别是其安全、节能、环保的优势,确实能解决常用除霜方法存在的缺陷。然而要真正推广到实际中,还要联系空调系统的实际工况加以深入研究,才能促进该项除霜技术研究更趋成熟,从而达到实用化的水平。在教学过程中除了要积极研究,大胆探索新技术、新知识,还要注重一点一滴地运用到教学实践当中,才能达到教与学相长的目的。

(作者单位:广东省肇庆市第二技工学校)