一种CO2热泵除霜方法的实现
2016-06-08杨军红昆明船舶设备研究试验中心昆明650051
杨军红(昆明船舶设备研究试验中心 昆明 650051)
一种CO2热泵除霜方法的实现
杨军红
(昆明船舶设备研究试验中心昆明650051)
【摘要】空气源CO2热泵在冬季运行时,由于外部环境温度低、空气湿度大等原因,往往会在蒸发器表面形成霜层,从而降低热泵运行效率,甚至影响热泵机组的正常运行,根据CO2热泵的实际应用,设计一种CO2热泵智能除霜方法,用于解决空气源CO2热泵低温、高湿环境下的除霜问题。
【关键词】CO2热泵;结霜;除霜;蒸发器;热气旁通
作者(通讯作者)简介:杨军红(1984.11-),男,工学硕士,工程师,E-mail:a303537285@163.com
0 引言
空气源CO2热泵是一种以CO2作为冷媒、空气作为低温热源的制热设备,其通过CO2吸收空气中的热量,然后经过制冷循环,达到蓄热的目的。CO2热泵作为一种高效、节能、环保的制热设备,在酒店节能、替代燃煤和燃油供热、居民集中供热等工程中有着很好的应用前景,发展和应用CO2热泵将是未来暖通行业可持续发展的基本方向。但是从目前运行情况来看,CO2热泵与其它空气源热泵一样存在结霜问题,当CO2热泵在冬季运行时,随着环境温度的降低、空气湿度的加大会在蒸发器的表面形成霜层从而降低CO2热泵机组的运行效率及可靠性,因此有效的除霜方式将是空气源CO2热泵推广与应用的关键,本文将结合空气源CO2热泵实际应用情况,设计一种有效的智能除霜方式,以保障CO2热泵在冬季可靠的运行。
1 除霜方法介绍
目前空气源热泵常用的除霜方法主要有热电除霜、逆循环除霜、热气旁通除霜、相变蓄能除霜等。
热电除霜:热电除霜的方法是通过在蒸发器上安装适当的功率电阻,当蒸发器表面结霜到一定程度时,通过电阻丝通电发热来化霜。
逆循环除霜:逆循环除霜是通过四通换向阀在除霜时改变制冷剂流向,改制热状态为制冷状态,压缩机排除的高温气体直接通至蒸发器进行化霜。
热气旁通除霜:热气旁通除霜时,不改变制冷剂流向、制热工作状态,压缩机排除的高温气体通过旁通管路直接流向蒸发器进行化霜。
相变蓄能除霜:相变蓄能除霜是通过在热泵系统中增加相变蓄能装置,热泵运行时相变蓄能装置进行蓄能,热泵除霜时相变蓄能装置为蒸发器提供能量化霜。
2 除霜方法选择
热泵除霜的实质是能量传递的过程,即将获取的能量传递至蒸发器表面结霜层,从而达到融化蒸发器表面霜层的目的。而从能量的转换与传递角度来看,除霜的关键在于除霜过程中能量的获取与分配。
空气源CO2热泵运行时高压端一般工作在超零界(>7.36MPa)状态,其高压端压力比一般的热泵要高出很多,若采用逆循环除霜,高低压对接过程中会对系统各部件产生比较严重的冲击,从而影响系统的可靠性。且CO2热泵运行过程中高压端压力、温度比一般热泵要高出很多,其自身蓄积的能量加上除霜过程中压缩机产生的能量足够除霜的使用。因此,在设计中采用热气旁通的方式进行除霜,即在CO2热泵压缩机排气端与蒸发器之间安装旁通管路,在除霜时打开旁通管路将CO2热泵高压端高温、高压气体直接送入蒸发器以达到除霜的目的。
3 除霜方案设计
CO2热泵在运行过程中随着环境温度的降低、空气湿度的加大会在蒸发器的表面形成霜层从而降低CO2热泵机组的运行效率及可靠性。因此针对不同地域、不同气候条件,CO2热泵结霜的判断、除霜的周期及除霜结束自动返回是除霜控制的关键。
3.1硬件配置
根据设计需求及系统特点,选择瑞士ABB公司的AC500系列PLC作为控制器,AC500系列PLC 是ABB公司推出的一款可升级和灵活的自动化控制系统,其采用模块化结构,用户可根据需求选用合适的CPU以及I/O扩展模块。在设计中PLC选用ABB公司的PM554-TP-ETH及相应I/O扩展模块,安装在热泵机组高、低压端的温度传感器、压力传感器等信号通过相应I/O扩展模块与PLC连接。
3.2软件设计
软件部分包括结霜判断和除霜及返回两部分。结霜判断部分软件主要是根据CO2热泵机组运行过程中吸气压力的变化判断蒸发器翅片是否结霜。除霜及返回部分则主要是完成除霜过程中热泵机组相关部件的开启与关闭,同时根据除霜过程中热泵机组吸气压力的变化判断是否结束除霜,返回正常运行状态。
3.2.1结霜判断
除霜控制的最佳方式是按需除霜,即利用各种检测元件和方法,直接或间接地检测蒸发器表面结霜情况,判断是否进行除霜动作,并在除霜达到预定效果时能够及时的结束除霜,返回正常运行状态。考虑到CO2热泵运行过程中吸气压力受外界干扰相对较小,压力值相对而言比较稳定,且吸气压力的变化能够反映出蒸发器的结霜状况。因此在设计中采用吸气压力值的变化作为除霜启动及结束的判断依据。
当CO2热泵机组运行稳定后,通过安装在压缩机前端的压力传感器采集吸气压力值作为参考压力值(P0),然后用参考压力值与实时的吸气压力值(P)进行比较,当吸气压力下降一定值(ΔP)后启动除霜。而在除霜过程中,当吸气压力恢复到一定值或除霜时间达到设定值后结束除霜,结霜判断流程如图1所示。
图1 结霜判断流程图Fig.1 Flow chart of frost judgment
3.2.2除霜及返回
CO2热泵机组化霜过程中为保证翅片上霜层完成融化,除压缩机外其它部件均停止工作,其流程如图2所示。当机组进入除霜程序后,首先是风机停机、给水泵关闭、给水阀关闭,然后延时打开除霜阀、关闭毛细管。当除霜进行时间超过预定或吸时间或吸气压力上升到预定值时除霜完成,重新开启风机、毛细管、给水阀、给水泵,然后关闭除霜阀,CO2热泵机组返回正常运行状态。
图2 除霜流程图Fig.2 Flow chart of defrost
4 结束语
目前该除霜方法已应用于某型空气源CO2热泵(该型空气源CO2热泵为“十二五”国家科技支撑项目),实际使用结果表明,运行该除霜方式能够很好的解决CO2热泵在低温、高湿环境下的除霜问题,其除霜稳定、可靠、干净。
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The Realizationofa CO2HeatPump Defrosting Method
Yang Junhong
( Kunming Shipborne Equipment Research and Test Center, Kunming, 650051 )
【Abstract】Air sourceCO2heatpump runningin winter,duetothe external environmentoflow temperature,highair humidity and so on, often formation frost layer in the evaporator surface, thereby reducing the efficiency of the heat pump, and even affect the normal operation of the heat pump units, this paper will according to the practical application of the CO2heat pump, design a CO2heat pump intelligent defrosting method, is used to solve the CO2air source heat pump defrost problem under the low temperature,high humidity environment.
【Keywords】CO2heat pump;frost judgment;defrosting; evaporator; hot gay bypass
中图分类号TK523
文献标识码A
文章编号:1671-6612(2016)01-030-03
收稿日期:2015-03-04