低温空气源热泵采暖机两种流路性能和除霜效果对比分析

李国华

（广东瑞星新能源科技有限公司，广东 东莞 523000）

在热泵和空调器的设计开发过程中，换热器的流路设计是一个复杂且重要的环节，流路设计的优劣直接影响到换热器换热能力和整机的能力、能效、化霜的可靠性甚至整机的可靠性。以最有代表性的两排管换热器为例，概况起来，有如图1所示意的6种常用流路：n型、Z型、H型、S型、n+u型、X型。

图1 几种常用的流路分布

对于不同的换热器流路设计对热泵和空调器常规性能如制冷和制热能力、制冷能效比和制热效率的影响，已有较多的研究和公开的报道，普遍认为制冷剂在换热管道内的流动要遵循下面两个总的原则：一是液往下流，气往上走，即冷凝时，制冷剂流程要从上往下走，蒸发时制冷剂流程要从下往上走。二是冷媒总体流向与空气流向成逆流，尤其是冷凝的时候，因冷凝过程温度变化较大，更须按逆流设计流路，才能更好地发挥冷凝器的效率。

邓斌［1］和姜盈霓［2］分别在 2004 年和 2007 年对翅片管换热器流路布置的研究现状进行了综述。在这两篇综述文献中，对前人研究的换热器流路布置做了一些总结分析，如“Z”字形、“U”字形、“单进单出”、“双进单出”、“单进双出”“单-双-单”等双排换热器流路形式，得出了一些有指导意义的结论。LIANG S Y等［3-4］研究结果指出当选择合适的分合点之后，“单-双-单”流路要比简单的“Z”字形布置节省约5%的面积，热流量较小时，推荐采用“Z”字形和有合适分合点的“单-双-单”流路，热流量较大时，冷凝器最好采用“双进单出”流路，而蒸发器最好采用“单进双出”的流路。黄东等［5］就支路数对热泵空调中冷凝和蒸发两用换热器性能的影响做了研究。涂小苹等［6］、严俗［7］、唐亚林［8］就变频热泵型空调器制冷和制热性能随室外换热器流路布局的变化进行了试验研究。这些研究均表明换热器流路布局对空调器性能或多或少有一定影响。

但对于不同的换热器流路设计对超低温空气源热泵性能的影响研究较少，对于非稳态的情况，如不同的流路对低温环境下化霜情况的影响未见报道。本研究的目的在于研究不同的室外翅片换热器流路对超低温空气源热泵性能的影响，尤其是化霜性能和效果的影响，探索解决目前存在的超低温空气源热泵在低环境温度下化霜不干净的问题，为低环境温度空气源热泵的设计提供一些参考。

1 典型流路选择和实验设计

1.1 流路选择

因热泵系统中制冷剂处于气态的比容比液态的比容大得多，气态制冷剂需要的流通面积比液态的要大，所以现在普遍的流路设计不再采用简单的“单进单出”或“双进双出”，而是采用蒸发“一进、中汇、两出”或冷凝“两进、中汇、一出”的流路分布方式。并且，随着空调、热泵行业的技术发展，也不再单一采用n字、u字或Z字形某一种形式的流路，而是采用复合式的流路分布方式。本文采用目前行业上应用较多的两种流路分布方式进行实验研究，两种流路分布方式如图2、图3所示。图2所示是主流采用的重力流路分布，各分路流路都遵循“液往下流，气往上走”的原则流路分布，同时综合了Z形、汇流、X形的复合流路分布，其中图a是蒸发时的流向示意，图b是冷凝时的流向示意，这种遵循“液往下流，气往上走”原则的流路称为“顺重力流向分布”，反过来，采用“液往上流，气往下走”称为“逆重力流向分布”。图3也综合了Z形、汇流、X形的复合流路分布，只是没有完全遵循“液往下流，气往上走”的原则，而是为了分配器布置的方便，简单地采用两边分流的流路分布，由于这种分流方式可以在中间简单地用个分流三通就能实现，所以在实际应用中还是会被很多人采用，这种流路上部分流路采用顺重力流向分布，下部分流路采用逆重力流向分布，称为混合流路流向布置。图a是蒸发时的流向示意，图b是冷凝时的流向示意。在本实验中，除了两种流路分流方式上述的不同外，换热器其他参数完成相同。

图2 动力流路分布

图3 混合流路分布

1.2 实验设计

图4 为本研究中的低温空气源热泵采暖机的系统图，虚线箭头方向为制热采暖时制冷剂的流向，实线箭头为制冷和除霜时的流向。在实验中，低温空气源热泵采暖机的压缩机采用5匹谷轮热泵专业涡旋压缩机，制冷剂为R22，水侧换热器选用5匹套管式换热器，空气侧换热器用翅片管式换热器，翅片为亲水膜开窗片，换热器铜管为Φ9.52高效内螺纹铜管，采用电子膨胀阀节流。测试的工况要求按标准GB/T 25127.2—2010低环境温度空气源热泵（冷水）机组，实验用仪器和仪表的精度按GB/T 10870中附录A的规定并经校准合格。空气的干湿球温度的测量按GB/T 18430.1—2007附录A的要求，测试使用的水质及水流量和阻力的要求和测量及偏差按GB/T 18430.1—2007标准的要求。

图4 低温空气源热泵采暖机的系统图

实验工况为名义制热工况：干球温度为-12 ℃，湿球温度-14 ℃，出水温度41 ℃；低温制热工况：干球温度为-20 ℃，湿球温度不做要求，出水温度41 ℃；额定制冷工况：干球温度为35 ℃，湿球温度24 ℃，出水温度7 ℃；化霜工况：干球温度-2 ℃，湿球温度-1 ℃，出水温度41 ℃。

实验中，在其他条件相同的情况下，分别采用图2所示的重力流路和图3所示混合流路，分别在名义制热工况、低温制热工况、额定制冷工况、除霜工况下对制热能力、功率、温度等进行测量和数据记录。为使不同流路分布的数据具有对比性，对于两种不同的流路分布，其他条件和参数完全相同，制冷剂充注量也完全相同，为3 300 g。电子膨胀阀的开度采用回气过热度调节方式，两种情况下回气过热度都控制在1 ℃内。

2 实验结果与分析

2.1 稳定工况实验结果分析

图5、图6、图7表示的是重力流路、混合流路两种不同流路分别在名义制热工况、低温制热工况、额定制冷工况表现的性能的差异，其中图5是在制热量（-20 ℃、-12 ℃工况）和制冷量（35 ℃工况）方面的差异，图6是在能效比方面的差异，图7是压缩机排气温度的差异。

从图中可以看出，制热方面，重力流路和混合流路在名义制热工况、低温制热工况的制热量基本无差异，重力流路在两种制热工况的能效比上表现略微好于混合流路，制冷方面，在制冷量、制冷能效比上重力流路略好于混合流路，但整体来说，差异很小，在4% 范围内。

图5 两种不同流路在不同环境温度下制热和制冷量的差异

图6 两种不同流路在不同环境温度下能效比的差异

图7 两种不同流路在不同环境温度下压缩机排气温度表现的差异

2.2 化霜过程及化霜表现实验结果分析

因化霜过程是个非稳定的瞬态过程，在实验室测试系统中数据测量和记录比较困难，本实验采取在化霜过程中每0.5 min记录一次数据的 方式。除霜侧制冷剂放热量在热泵性能实验室条件下也很难测量，忽略管道等热损失，则制冷剂在套管换热器中蒸发吸热加上热泵采暖机功率就等于制冷剂在翅片换热器侧化霜的放热量，即 Q放= Q吸+P，式中P为压缩机功率，Q吸为制冷剂在水冷媒热交换器中蒸发而从水中吸热量，Q放为用来化霜的放热量。

实验室判断化霜效果好坏的最直接有效的方法是化霜结束后看化霜是否干净。本实验中，两组实验都是在翅片换热器结满霜约10 mm厚，化霜盘管温度传感器降到-16 ℃开始化霜，结果发现，采用重力流路分布的情况，6 min就化霜干净，化霜温度传感器温度很快升到化霜退出温度20 ℃。而在混合流路分布情况下，超过8 min后翅片换热器靠底部6根管上还有薄薄的一层霜，达到最大除霜时间后霜仍没化干净，化霜温度传感器处温度升到-1 ℃左右不再上升。

由图8和图9测得的两种流路分布情况下化霜过程功率和吸热量变化也可佐证这种现象。从图8和图9可得知，图8化霜过程平均功率1 854 W，比图9化霜过程1 778 W大4%的功率。吸热量的变化就特别明显，图8化霜过程吸热量在2 min后就迅速上升，到6 min左右最高升到10 500 W，全过程平均吸热量6 013 W，而图9化霜过程吸热量在接近2 min处升到5 500 W附近又回落，后又上升到近6 000 W处又快速回落到2 200 W的制热量，整个过程平均吸热量3 789 W，只有图8平均吸热量的63% 。

图8 重力流路化霜过程功率和吸热量随除霜时间变化

从理论上分析，出现这种混合流路分布比重力流路分布化霜效果差异大的原因，主要是在混合流路中，下部分流路液体区域液体流动是逆重力流动，在相同流量情况下，流动阻力明显大于上部分流路，由于化霜过程冷媒在翅片换热器中处于低温冷凝，冷凝压力低，冷媒流动动压小，流动阻力作用明显，下部分流路因流动阻力明显大于上部分流路，造成冷媒在下部分流路的管道中流动缓慢甚至在下部分管道低位处沉积，换热效果就明显下降。

图9 混合流路化霜过程功率和吸热量随时间变化

3 结论

1）分别采用图2和图3两种不同流路分布的低环境温度空气源热泵采暖机，在名义制热工况、低温制热工况的制热量和能效比方面差异不大。2）在制冷方面，在制冷量、制冷能效比上重力流路略好于混合流路，但整体来说，差异很小，在4% 范围内。3）在化霜效果上，两种流路分布差异较大，采用图2重力流路分布方式，化霜效果好，化霜彻底，而采用图3混合流路分布方式，化霜效果差，化霜不干净，带来隐患。4）在关注稳态过程时，更要关注非稳态的一些工况和条件。