空氣源熱泵防融霜過程的熱力學(xué)與傳熱特性研究.pdf

1、熱泵以經(jīng)濟(jì)、高效而被廣泛關(guān)注，但是在冬季使用時(shí)往往因?yàn)榻Y(jié)霜嚴(yán)重而限制其使用范圍。長(zhǎng)江中下游地區(qū)屬于熱工氣候分區(qū)中的夏熱冬冷地區(qū)，冬季平均溫度低，相對(duì)濕度較大，而且在受北方強(qiáng)冷空氣的影響下，冬季會(huì)出現(xiàn)一定時(shí)間的霜凍或冰凍天氣，屬于典型的高濕地區(qū)。因此，低溫高濕為這一地區(qū)冬季環(huán)境的主要特點(diǎn)，也是造成空氣源熱泵（包括家用空調(diào)）結(jié)霜嚴(yán)重及工作性能差的主要原因。空氣源熱泵在這種環(huán)境下工作時(shí)蒸發(fā)器極易結(jié)霜，系統(tǒng)工作性能衰減嚴(yán)重，隨著時(shí)間的推移，生長(zhǎng)

2、成的霜層導(dǎo)致?lián)Q熱過程的惡化。傳統(tǒng)的融霜方式有逆循環(huán)除霜和熱氣旁通融霜，傳統(tǒng)的除霜方式在這種的惡劣環(huán)境下一般都處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，供熱效果和供熱時(shí)間都不能保證。
　　本文針對(duì)低溫高濕環(huán)境下空氣源熱泵系統(tǒng)存在的易結(jié)霜問題，總結(jié)和分析了空氣源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)的結(jié)霜特性，提出了防融霜新技術(shù)，并通過試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法對(duì)該新技術(shù)進(jìn)行熱力學(xué)分析，同時(shí)對(duì)熱泵的蒸發(fā)器進(jìn)行了傳熱過程的性能預(yù)測(cè)。因此本文將從空氣源熱泵結(jié)霜性能和防融霜方法方

3、面展開工作，其研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:
　　(1)在前人的研究基礎(chǔ)上，利用量綱理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法提出了可適用于6種制冷劑(R22、R12、R134a、R407C、R410A、R600a)的結(jié)霜量計(jì)算的通用關(guān)聯(lián)式。該關(guān)聯(lián)式是結(jié)合了使用地的氣候特點(diǎn)、制冷劑種類及換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸得到的結(jié)霜量通用關(guān)聯(lián)式，能較高精度地預(yù)測(cè)不同環(huán)境工況的結(jié)霜量。同時(shí)，在關(guān)聯(lián)式推導(dǎo)過程中，本文還提出了預(yù)測(cè)結(jié)霜量的無量綱參數(shù)—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)式的自

4、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，該算法優(yōu)化了傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法控制流程，在隱含層的選取，最優(yōu)函數(shù)的獲得以及與之相適應(yīng)的學(xué)習(xí)率的選取上更加靈活、客觀和可靠。這方面的工作為防融霜控制輔熱量的大小提供了依據(jù)，為防融霜新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制奠定理論基礎(chǔ)，具有重要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)以計(jì)算出的結(jié)霜量為研究基礎(chǔ)，提出熱泵理想最小防融霜能量概念，從機(jī)理上分析熱泵防融霜裝置工作的原因，計(jì)算熱泵防融霜所需的最小的輔熱量，使在結(jié)霜工況下運(yùn)行的室外蒸發(fā)器處

5、于濕工況運(yùn)行，制冷劑能從環(huán)境中獲得最大能量。該理論為熱泵在結(jié)霜工況下的高效運(yùn)行提供理論依據(jù)，對(duì)熱泵防融霜智能化提供依據(jù)。
　　(3)建立試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)現(xiàn)有的空氣源熱泵除霜及延緩結(jié)霜方法的不足，提出了一種更為操作簡(jiǎn)便的防融霜新方法（前置式防融霜方法），以適當(dāng)提高制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的溫度，強(qiáng)化制冷劑與外界空氣之間的換熱，彌補(bǔ)環(huán)境工況中空氣能量或焓值過低的不足，能讓制冷劑從空氣中吸取到足夠的熱量進(jìn)行換熱，從而達(dá)到防融霜的目的，解決傳統(tǒng)逆循環(huán)

6、除霜頻繁的開啟/關(guān)閉問題。并通過實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證這種新型防融霜系統(tǒng)的可行性與可靠性。另外，本文以前置式防融霜方法為基礎(chǔ)，提出一種跨越式防融霜裝置，對(duì)解決熱泵回液過多具有積極作用，提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。
　　(4)采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)熱泵在不同環(huán)境工況（溫度、濕度）和不同輔熱量（前、后輔熱量）對(duì)熱泵的性能影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用L25(56)的正交表，試驗(yàn)分析采用極差法和方差分析法進(jìn)行，分析具有防融霜裝置熱泵系統(tǒng)的性能及影響因素，及各因素對(duì)熱泵

7、防融霜運(yùn)行的顯著性影響。
　　(5)建立帶防融霜裝置的空氣源熱泵機(jī)組的熱力學(xué)與傳熱模型，分別針對(duì)不同環(huán)境工況（干工況、濕工況和結(jié)霜工況）建立數(shù)學(xué)模型。并將其模塊化（環(huán)境工況模塊，熱泵主要部件模塊和防融霜裝置模塊），使將來的研究者們使用時(shí)能根據(jù)自身功能條件進(jìn)行模塊選擇。利用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律將各部件的數(shù)學(xué)模塊耦合，進(jìn)行數(shù)值求解，假設(shè)室外換熱器的結(jié)霜過程是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程，采用分布參數(shù)法計(jì)算熱泵運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。

8、>　　(6)建立的計(jì)算機(jī)仿真模型在通過COP和制熱量等性能參數(shù)的試驗(yàn)對(duì)比研究，驗(yàn)證了該仿真模型的可靠性，然后采用該模型預(yù)測(cè)換熱器中制冷劑的換熱情況，包括制冷劑的流量、壓降、制冷劑的傳熱系數(shù)、制冷劑及空氣的熱流密度、翅片管壁溫度等性能參數(shù)。該仿真模型方便研究者將來在一個(gè)較大的工況范圍內(nèi)設(shè)計(jì)和研究熱泵系統(tǒng)性能。
　　本文提出了一種新型的空氣源熱泵防融霜系統(tǒng)，能因地制宜的對(duì)熱泵防融霜問題提供的輔熱進(jìn)行定量調(diào)節(jié)的方法，使熱泵在結(jié)霜工況下也