空气源热泵防融霜过程的热力学与传热特性研究
Study of Thermodynamics and Heat Transfer on Frost Prevention and Retardation of Air Source Heat Pump
热泵以经济、高效而被广泛关注,但是在冬季使用时往往因为结霜严重而限制其使用范围.长江中下游地区属于热工气候分区中的夏热冬冷地区,冬季平均温度低,相对湿度较大,而且在受北方强冷空气的影响下,冬季会出现一定时间的霜冻或冰冻天气,属于典型的高湿地区.因此,低温高湿为这一地区冬季环境的主要特点,也是造成空气源热泵(包括家用空调)结霜严重及工作性能差的主要原因.空气源热泵在这种环境下工作时蒸发器极易结霜,系统工作性能衰减严重,随着时间的推移,生长成的霜层导致换热过程的恶化.传统的融霜方式有逆循环除霜和热气旁通融霜,传统的除霜方式在这种的恶劣环境下一般都处于不稳定的工作状态,供热效果和供热时间都不能保证.本文针对低温高湿环境下空气源热泵系统存在的易结霜问题,总结和分析了空气源热泵系统蒸发器侧的结霜特性,提出了防融霜新技术,并通过试验及计算机仿真相结合的方法对该新技术进行热力学分析,同时对热泵的蒸发器进行了传热过程的性能预测.因此本文将从空气源热泵结霜性能和防融霜方法方面展开工作,其研究内容主要有以下几个方面:(1)在前人的研究基础上,利用量纲理论与神经网络大数据相结合的方法提出了可适用于6种制冷剂(R22、R12、R134a、R407C、R410A、R600a)的结霜量计算的通用关联式.该关联式是结合了使用地的气候特点、制冷剂种类及换热器的结构尺寸得到的结霜量通用关联式,能较高精度地预测不同环境工况的结霜量.同时,在关联式推导过程中,本文还提出了预测结霜量的无量纲参数-神经网络关联式的自适应网络控制算法,该算法优化了传统的神经网络算法控制流程,在隐含层的选取,最优函数的获得以及与之相适应的学习率的选取上更加灵活、客观和可靠.这方面的工作为防融霜控制辅热量的大小提供了依据,为防融霜新系统的设计与控制奠定理论基础,具有重要的工程意义和应用价值.(2)以计算出的结霜量为研究基础,提出热泵理想最小防融霜能量概念,从机理上分析热泵防融霜装置工作的原因,计算热泵防融霜所需的最小的辅热量,使在结霜工况下运行的室外蒸发器处于湿工况运行,制冷剂能从环境中获得最大能量.该理论为热泵在结霜工况下的高效运行提供理论依据,对热泵防融霜智能化提供依据.(3)建立试验台,针对现有的空气源热泵除霜及延缓结霜方法的不足,提出了一种更为操作简便的防融霜新方法(前置式防融霜方法),以适当提高制冷剂进入蒸发器的温度,强化制冷剂与外界空气之间的换热,弥补环境工况中空气能量或焓值过低的不足,能让制冷剂从空气中吸取到足够的热量进行换热,从而达到防融霜的目的,解决传统逆循环除霜频繁的开启/关闭问题.并通过实验的方法验证这种新型防融霜系统的可行性与可靠性.另外,本文以前置式防融霜方法为基础,提出一种跨越式防融霜装置,对解决热泵回液过多具有积极作用,提高系统的运行性能.(4)采用正交试验法设计热泵在不同环境工况(温度、湿度)和不同辅热量(前、后辅热量)对热泵的性能影响,试验设计选用L25(56)的正交表,试验分析采用极差法和方差分析法进行,分析具有防融霜装置热泵系统的性能及影响因素,及各因素对热泵防融霜运行的显著性影响.(5)建立带防融霜装置的空气源热泵机组的热力学与传热模型,分别针对不同环境工况(干工况、湿工况和结霜工况)建立数学模型.并将其模块化(环境工况模块,热泵主要部件模块和防融霜装置模块),使将来的研究者们使用时能根据自身功能条件进行模块选择.利用质量守恒、动量守恒和能量守恒定律将各部件的数学模块耦合,进行数值求解,假设室外换热器的结霜过程是准稳态过程,采用分布参数法计算热泵运行的稳态和动态运行性能.(6)建立的计算机仿真模型在通过COP和制热量等性能参数的试验对比研究,验证了该仿真模型的可靠性,然后采用该模型预测换热器中制冷剂的换热情况,包括制冷剂的流量、压降、制冷剂的传热系数、制冷剂及空气的热流密度、翅片管壁温度等性能参数.该仿真模型方便研究者将来在一个较大的工况范围内设计和研究热泵系统性能.本文提出了一种新型的空气源热泵防融霜系统,能因地制宜的对热泵防融霜问题提供的辅热进行定量调节的方法,使热泵在结霜工况下也能高效运行.该防融霜装置操作简便,方便厂家设计及优化现有热泵系统,设计出针对不同地区不同环境工况下的防融霜装置.对节能减排和可持续发展具有重要的意义和应用价值.
- 作者：
- 唐瑾晨
- 学位授予单位：
- 湖南大学
- 专业名称：
- 供热、供燃气、通风及空调工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2016年
- 导师姓名：
- 龚光彩；汤广发
- 中图分类号：
- TU83
- 关键词：
- 空气源热泵；防融霜；无量纲参数-神经网络；结霜量关联式；动态性能；热力学；传热
- Air source heat pumps; Frost retardation and prevention; Dynamic performance; Thermodynamics; Heat transfer;