淺析關于隔膜壓力表換向除霜特性的實驗研究

摘 要 本文對隔膜壓力表換向除霜特性進行了實驗研究，分析了進風溫度、相對濕度對除霜時的壓縮機吸氣壓力、隔膜壓力表管壁溫度、除霜時間、除霜時壓縮機耗功及吸熱量的影響。實驗結果表明：除霜時隔膜壓力表管壁溫度隨時間的變化分為急速增加段和緩慢增加段兩個階段；壓縮機的吸氣壓力有一個迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機吸氣壓力慢慢增加，非常后達到穩定。同時，壓縮機吸氣壓力和隔膜壓力表管壁溫度隨著進風溫度和相對濕度的增大而增大，除霜時間隨著進風溫度和進風相對濕度的增加而減少。除霜時壓縮機耗功隨著進風溫度的變化基本呈線性關系，而且隨著溫度的增加而減少；壓縮機耗功也隨著相對濕度的增大而減少，但隨著進風空氣溫度的升高，隨著相對濕度的增大壓縮機耗功減小幅度呈下降趨勢。除霜吸熱量隨著進風相對濕度和進風溫度的增加反而減少，而且進風空氣溫度越低，空氣相對濕度對除霜吸熱量的影響越大。

結霜是普遍發生在制冷、低溫技術等工程領域的自然現象，對相應的系統和裝置的工作性能及可靠性產生直接和顯著的影響。當霜層增加到一定厚度時，制冷系統的性能系數下降非常迅速。此時，必須對制冷系統進行除霜操作。國內外學者對制冷系統、換熱器除霜性能進行了大量的研究，胡斌 [1]等人深入研究了空氣源熱泵機組在不同使用環境條件下的結霜和除霜過程，開發了防積冰除霜方法、大流量除霜方法、防積雪控制等關鍵除霜技術和智能除霜控制邏輯。袁麗芬等 [2] 對一臺醫用冷藏箱熱氣旁通化霜的效果進行了研究，通過結霜、化霜試驗分析得到熱氣旁通的化霜效率可以達到80％以上。Reindl [3] 等提出了一種采用直接膨脹的熱氣旁通除霜方法，利用電磁閥的調節來阻止高壓制冷劑液體進入隔膜壓力表。Qu [4] 對逆循環除霜法結合蓄熱材料進行研究，結果表明該除霜方式可以更可靠地運用于極端氣候環境，不但可以縮短除霜時間，而且還能降低除霜能耗。曲明璐等 [5] 提出增設蓄熱器的蓄能復疊式空氣源熱泵除霜系統，與常規熱氣旁通除霜對比分析表明：采用蓄能除霜方法的除霜時間較旁通除霜減少71.4％～77.6％，系統除霜能耗降低65.1％～85.2％。本文對隔膜壓力表換向除霜特性進行實驗研究，分析了進風溫度和進風相對濕度對隔膜壓力表管壁溫度、壓縮機吸氣壓力、除霜時間、壓縮機耗功、除霜吸熱量等參數的影響。

1 實驗裝置及實驗工況

1.1 實驗裝置

發器放置于焓差室的室外側；隔膜壓力表的進出口空氣參數通過焓差室進行調節；焓差室能夠準確的測量隔膜壓力表的換熱量、壓縮機的功率消耗等技術參數。焓差室照片如圖1所示，隔膜壓力表照片如圖2所示。

1.2 測量儀器

隔膜壓力表管壁溫度通過敷設在隔膜壓力表管壁上的熱電偶進行測量。熱電偶采用的是銅－康銅熱電偶，均經過標定。溫度采集器采用YOKOGAWA電子公司生產的IM DR232－01E型溫度巡檢儀對所測的溫度進行自動檢測與記錄，壓力傳感器采用麥克公司生產的MPM480壓阻式壓力變送器。

1.3 實驗工況

為了研究不同空氣參數條件下隔膜壓力表的除霜性能，本文在不同進風溫度和進風濕度條件下對一臺隔膜壓力表的除霜特性進行了實驗研究，實驗工況如表1所示。

2 實驗結果及分析

從圖3和圖4可以看出，除霜開始后隔膜壓力表的管壁溫度有一個急劇上升的過程，持續時間大概是100 s左右，隨后管壁溫度緩慢增加，非常后達到穩定。其原因主要是逆向除霜時隔膜壓力表是冷凝器，壓縮機啟動后直接把高溫高壓的制冷劑蒸汽排入隔膜壓力表中，所以開始時隔膜壓力表的管壁溫度急劇增加。但是隨著時間的推移，排入隔膜壓力表的高溫高壓的氣態制冷劑越來越多，管壁溫度與氣態制冷劑之間達到溫度平衡，所以非常后管壁溫度達到穩定。

從圖3還可以看出進風相對濕度越大，隔膜壓力表的管壁溫度越高，當進風空氣溫度為-8 ℃時，進風空氣相對濕度為90%時比相對濕度為75%時的隔膜壓力表管壁溫度大約提高10.5%。其原因可能是空氣濕度越大，空氣中的水蒸氣含量越多，而水蒸氣的比熱比干空氣的要大，所以對冷凝溫度產生一定的影響，從而導致相對濕度越大管壁溫度越高。從圖4可以看出隨著進風溫度的增大，隔膜壓力表的管壁溫度也越高。當空氣進風相對濕度為85%時，進風空氣溫度為0 ℃時管壁溫度比-8 ℃時的管壁溫度大約提高11.9%。其主要原因為進風空氣溫度會影響制冷系統的冷凝溫度，而進風溫度越高，冷凝溫度也越高，壓縮機排氣溫度也越高，所以隔膜壓力表表面溫度也越高。

 

 

從圖5和圖6可以看出除霜開始時，壓縮機的吸氣壓力有一個迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機吸氣壓力慢慢增大，非常后達到穩定。其原因主要是除霜開始時，由于四通換向閥換向，隔膜壓力表與排氣管道相連。由于排氣管道內是高溫高壓的制冷劑蒸汽，隔膜壓力表內的低溫低壓的制冷劑蒸汽與排氣管內的高溫高壓的制冷劑蒸汽混合后，壓力迅速增加，因此壓縮機吸氣壓力有一個迅速升高的過程。但隨著壓縮機的啟動后，系統建立新的高壓和低壓，壓縮機的吸氣壓力迅速降低，所以除霜開始時，壓縮機吸氣壓力有一個迅速增大后又迅速降低的過程。隨著除霜過程的進行，霜層逐漸減少，因此壓縮機吸氣壓力有一個緩慢增加的過程，非常后隔膜壓力表表面霜層全部除完，壓縮機吸氣壓力達到穩定，除霜結束。從圖5可以看出在進風溫度不變的情況下，相對濕度越大，壓縮機吸氣壓力越大。當進風空氣溫度為-5 ℃時，進風空氣相對濕度為90%時比75%時壓縮機吸氣壓力要提高27.8%左右。從圖6可以看出，在進風相對濕度不變的情況下，進風溫度越高，壓縮機吸氣壓力越大。當進風相對濕度為75%時，進風空氣溫度為0 ℃時壓縮機吸氣壓力比-8 ℃時的壓縮機吸氣壓力大約提高76.5%。

圖7為除霜時間隨進風溫度的變化情況。從圖中可以看出，除霜時間隨著進風溫度的增加而減少，當進風空氣相對濕度為75%時，進風空氣溫度為3 ℃時除霜時間比-8 ℃時減少37.8%。其原因主要是，隨著進風溫度的增加，除霜時壓縮機排氣溫度也越高，因此隔膜壓力表管壁溫度也越高，放熱量也越大，所以除霜時間就越短。從圖中還可以看出除霜時間隨著進風相對濕度的增加而減少，當進風空氣溫度為-5 ℃時，進風相對濕度為90%時除霜時間比75%時減少16.2%。原因可能是隨著相對濕度的增大，霜的密度越小，霜的質量也越小，除霜需要消耗的熱量也越少，因此除霜的時間也越短。圖8為除霜時壓縮機耗功隨進風溫度的變化情況，從圖中可以看出，除霜時壓縮機耗功隨著進風溫度的變化基本呈線性關系，而且隨著溫度的增加而減少，當相對濕度為75%時，進風空氣溫度為-8℃時的壓縮機除霜耗功比3 ℃時要增加2.38倍；而且隨著相對濕度的增大，壓縮機耗功隨溫度變化的曲線斜率也變小。從圖中還可以看出壓縮機耗功也隨著相對濕度的增大而減少，當進風空氣溫度為-8 ℃時，進風空氣相對濕度為75%時壓縮機耗功比90%時要提高59.4%左右；當進風空氣溫度為3 ℃時，進風空氣相對濕度為75%時壓縮機耗功比90%時要提高28.8%左右，隨著進風空氣溫度的升高，隨著相對濕度的增大壓縮機耗功減小幅度呈下降趨勢。

 

 

圖9為除霜過程中吸熱量隨進風溫度的變化情況，從圖中可以看出除霜吸熱量隨著進風相對濕度和進風溫度的增加反而減少，當相對濕度為75%時，進風空氣溫度為-8 ℃時的除霜吸熱量比3 ℃時的要增加2.3倍。而且進風空氣溫度越低，空氣相對濕度對除霜吸熱量的影響越大。其原因可能是霜層密度隨著進風溫度和進風相對濕度的增加反而減少，因此在厚度相同的情況下隔膜壓力表表面的結霜量也隨著進風相對濕度和進風溫度的增加而減少，因此化霜的熱量也隨之減少，所以除霜吸熱量也隨著進風溫度和進風相對濕度的增加減少。

3 結論

(1) 除霜開始后隔膜壓力表的管壁溫度有一個急劇上升的過程，隨后管壁溫度緩慢增加，非常后達到穩定；而壓縮機的吸氣壓力有一個迅速增大后迅速降低的過程，隨后壓縮機吸氣壓力慢慢增大，非常后達到穩定。

(2) 壓縮機吸氣壓力和隔膜壓力表管壁溫度隨著進風溫度和相對濕度的增大而增大，除霜時間、除霜時壓縮機耗功和除霜吸熱量隨著進風溫度和進風相對濕度的增加而減少。