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空调系统再热除湿性能研究

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《制冷学报》2015年第六期

摘要

本文设计并搭建了再热除湿多联式变制冷剂流率(VRF)的实验系统,对6种工况下VRF系统的除湿量进行了实验考察,并对再热电子膨胀阀(EVW)开度和再热器换热面积对室内机出风温度的影响进行了详细的实验研究。实验结果表明:VRF系统应用并联式再热器能有效提升除湿量,室内机1#和2#的再热除湿量分别增加了11.7%~40.4%和10.5%~28.9%。EVW开度存在最优值,使得再热提升温差取得最大值,最优EVW开度随着室温Ti的降低而增加。为了实现等温除湿,室内机1#和2#所需的EVW开度分别为9.6%~9.9%和6.5%~7.0%。为了实现升温除湿,所需的EVW开度随室温Ti的降低和再热器面积的降低而增加。

关键词

变制冷剂流率系统;空气调节系统;电子膨胀阀;制冷性能实验;除湿

空调系统为了达到夏季除湿的目的,需将送风温度降至空气露点以下[1-3]。在过渡季节或梅雨季节,降温除湿的方式容易导致室内机出风温度过低,使得房间热舒适特性较差且系统能效特性较低。家用空调通过再热除湿的方式,利用冷凝器排热提升降温除湿后空气的温度,以避免“冷吹风感”[4-6]。对于大容量应用场合,应用变频多联式空调系统(VRF系统)取代多个单元式空调器,可获得较高的系统能效特性并保证不同房间的灵活控制[7-11]。家用空调可以通过停止或降低室外侧风扇的转动、将室外电子膨胀阀全开并利用除湿电磁阀节流,将冷凝热转移到室内机的再热器中。该方式无法在VRF系统中实现,主要是因为多联式VRF系统某个房间进行再热除湿时,其它房间有可能需要进行制冷运行,因此其室外侧风扇需保持运转。刘敏[12]设计了三管制全热处理的VRF系统,以实现室内新风换气和温、湿度独立控制。但该技术方案需要对现有换热器的翅片进行吸湿材料涂层处理,对现有工艺及材料的改动较大,且室内机设计复杂。因此,刘敏等[13]基于现有主流的多联式VRF系统技术方案,进一步设计了多功能热回收的VRF系统,以保证系统中任意室内机可独立运行制冷、制热或再热除湿三种工况,最大程度发挥多联式VRF系统的技术优势。多联式VRF系统结构复杂、系统庞大、内部参数高度耦合、边界条件多样,目前国内外知名的变频多联机厂家出于商业保密,很少报道VRF系统再热除湿相关的研究结果,有关技术方案请参考文献[12-16]。本文基于文献[13]的技术方案,搭建了相应实验系统,对机组的再热除湿性能进行实验研究,并详细考察了再热电子膨胀阀EVW开度和再热器换热面积对出风温度的影响。

1实验系统

本文采用的实验系统如图1所示。室外机基于型号为RAS-160FXPNQ的海信日立公司的VRF机组改造而来,主要由变频压缩机、油分离器、单向阀、四通阀、室外换热器、室外侧电子膨胀阀EVO、气液分离器、回油毛细管、回油电磁阀、电磁阀A和电磁阀B构成。压缩机采用日立的E500HHD-36A2涡旋压缩机;EVO采用型号为CAM-50YGHS-1的不二工机电子膨胀阀,阀口径为Φ2.4mm;电磁阀A和电磁阀B型号均为VPV-1204DQ50的鹭宫电磁阀,阀口径为Φ11mm;回油电磁阀是型号为SR10D-87的日电工业电磁阀;回油毛细管外径、壁厚及长度分别为Φ2.5mm、0.55mm及2320mm。室内机1#和室内机2#均由蒸发器、再热器、室内侧电子膨胀阀EVI和电子膨胀阀EVW构成。EVI-A、EVI-B、EVW-A及EVW-B均采用型号为CAM-50YGHS-1的不二工机电子膨胀阀,阀口径均为Φ2.4mm。室外换热器、蒸发器A、再热器A、蒸发器B和再热器B的结构参数如表1所示,换热器的铜管外径及壁厚分别为Φ7.0mm及0.31mm。该系统的6种运行模式下各部件的详细控制方法可参见文献[13]。本文以室内机1#及2#均进行再热除湿运行为例进行简要介绍。该模式下,室外机进行制冷运转,室外换热器作为冷凝器;电磁阀A打开且电磁阀B关闭;EVW-A及EVW-B均全开,使得再热器A及再热器B均作为冷凝器;EVI-A及EVI-B均节流降压,使得换热器A及换热器B均作为蒸发器。当电磁阀A及电磁阀B均关闭且电子膨胀阀EVW全闭时,此时室内机进行普通的降温除湿模式运行,室内机中再热器不起作用,仅蒸发器进行降温除湿。

2数据采集系统

本文中多联式VRF系统的实验数据由标准焓差实验室测得。使用的焓差实验室符合以下国家标准:GB/T18837—2002、GB/T7725—2004、GB/T17758—1999、GB/T18836—2002、GB/T19232—2003及GB/T19413—2003。焓差实验室的主要传感器测量精度如下:T型热电偶精度为±0.5℃;铂电阻热电偶精度为±0.1℃;压力传感器精度为±0.5%FS;频率计精度为±1%;功率计精度为±0.2%FS。在空气温度均匀性方面,实验室要求稳定时室内侧被测机回风口温度偏差小于0.5℃,室外侧被测机回风口温度偏差小于1℃。实验精度方面,保证三次独立安装后测试结果的平均值与标准样机三次测试结果平均值的偏差在﹣2%~2%以内。实验数据的采集周期为10s。室内机的除湿量可结合进出风含湿量和风量计算得到,也可以通过称量室内机排除的冷凝水实测得到。焓差实验室长期测试结果显示,实测所得除湿量比计算数据更为准确。因此,本文以机组稳定运行60min时实际称量的除湿量作为采集数据,称重器具的精度为±0.005kg。

3实验结果及分析

本文对6种工况下机组的除湿量进行了实验考察,实验结果如表2所示。从表2可以看出,室内相对湿度RH恒定情况下,室内机1#及2#的除湿量随室内回风干球温度Ti的降低而降低。例如,当室外干球温度Ta=35℃且室内RH=95%时,Ti从18℃降低到12℃,室内机1#的降温除湿量从1.33kg/h减少为1.03kg/h。主要是因为Ti的降低会减少空气中的含湿量,从而削弱机组的除湿能力。从表2还可以看出,对于室内机1#和2#,相同工况下再热除湿量均大于降温除湿量,主要原因:与普通降温除湿模式的相比,再热除湿模式下室外冷凝器的制冷剂流率小,使得室外冷凝器出口的制冷剂过冷度增加;另一方面,与室内侧再热器换热的空气是经过室内蒸发器的低温空气,比环境温度低得多,也会使得再热器中冷凝后的制冷剂过冷度增加。两方面的因素导致再热除湿模式下蒸发器入口处制冷剂温度比普通降温除湿模式的低,蒸发器移除潜热的能力更大,增大了室内机的除湿量。相比于降温除湿量,室内机1#的再热除湿量增加了11.7%~40.4%,室内机2#的再热除湿量增加了10.5%~28.9%。本文主要目的是考察不同工况下EVW开度对室内机出风温度To的影响,以获得在过渡季节或梅雨季节运行再热除湿模式时优化的EVW开度。图2~图4所示为模拟多联式VRF系统在实际应用场合下(Ta=Ti)EVW开度对再热器温度提升能力的影响。通常情况下,Ti=12~18℃低于多联式VRF系统要求的最小室内回风温度,该工况出现在过渡季节或梅雨季节。该温度条件下,室内的热负荷较小,压缩机运行频率较低,以防止室内机出风温度过低。

图2所示为Ta=Ti=18℃时EVW开度对室内机1#和2#出风温度的影响。从图2可以看出,EVW开度对流经蒸发器后的空气温度(除湿后再热前温度)影响很小。该工况下,经过蒸发器A和蒸发器B后的空气温度为10.1~11.5℃。再热器提升To的能力大体随EVW开度的增加而增加。对于室内机1#,EVW-A开度≤18%时空气流经再热器A后温度提升值由1.6℃(EVW-A开度=7%)增加到15.5℃(EVW-A开度=18%);EVW-A开度>18%时,开度进一步增加对再热器的温度提升能力影响很小。对于室内机2#,EVW-B开度增加到12%后,进一步增加EVW-B开度同样对To的提升影响很小,EVW-B开度=12%时再热提升温度为14.1℃。如图3所示为Ta=Ti=16℃时EVW开度对室内机1#和2#出风温度的影响。从图3可以看出,EVW-A开度≤20%时,再热提升温度随EVW-A开度的增加而增加。对于室内机2#,EVW-B开度最优值约为15%,且其对应的再热提升温度为16.8℃,EVW-B开度进一步增加使得再热提升温度变化很小甚至降低。上述结果主要是因为EVW开度的初步增加会增大再热器中高压制冷剂的流率,增加再热器的冷凝排热量,从而提高出风温度。EVW开度进一步增加使再热器出口(蒸发器入口)制冷剂呈气液两相状态,一方面再热器的冷凝排热几乎维持恒定,另一方面削弱蒸发器的制冷能力,除湿后再热前温度增加(如图2及3中EVW-B=20%时的除湿后再热前温度),最终再热器提升温度值几乎维持恒定甚至降低。图4所示为Ta=Ti=12℃时EVW开度对室内机1#和2#出风温度的影响。由于实测数据量的限制,该工况下未能获得两个室内机的最优EVW开度值。从图4可以看出,该工况下两室内机的除湿后再热前温度为1~3℃,若直接送风会导致较强的“冷吹风感”,热舒适特性较差;另一方面该情况下室内机的容易出现结霜,导致室内机风量降低,机组出现停机保护。从图2~图4可以看出,Ti由18℃降低至12℃时,室内机2#的最优EVW-B开度由12%(Ti=18℃)增加至约15%(Ti=16℃),再增加至高于15%的开度(Ti=12℃)。可见,最优EVW开度随着Ti的降低而增加。

本文进一步考察了另外3种工况下不同室内机达到特定To所需的EVW开度。如图5所示为Ta=35℃时为了实现等温除湿(即To=Ti)效果EVW开度随Ti的变化。从图5可以看出,所需EVW开度随Ti的降低而降低,主要是因为Ti降低时室内机制冷能力降低,因此对应所需再热量也降低。从图5还可以看出,再热器A换热面积约为蒸发器A换热面积的1/6,再热器B换热面积约为蒸发器B换热面积的1/4,再热器B的换热面积高于再热器A,使得相同工况下室内机2#实现等温除湿所需制冷剂流率比室内机1#的更小,导致2#所需的EVW-B开度比1#所需的EVW-A开度小。图6和图7示所示为多联式VRF系统为实现升温除湿(即To>Ti)时两室内机所需的EVW开度。从图可知,Ti从18℃降低至12℃时,室内机1#为了获得20℃及22℃的出风温度,EVW-A开度分别从10.5%增加至15%和从11.8%增加至17%;类似地,室内机2#为了获得20℃及22℃的出风温度,EVW-B开度分别从8.1%增加至13.5%和从9.3%增加至16.5%。主要是因为Ti降低使再热提升温度增加,所需要再热器的冷凝排热量加大,从而所需的EVW开度增加。从图6和图7还可以看出,为了获得特定的出风温度To,给定Ti条件下室内机2#所需的EVW开度比室内机1#的小。主要是因为给定再热提升温度时,再热器换热面积的增加使得所需高温制冷剂气体流率降低,进而使得所需EVW开度降低。因此,为实现升温除湿效果所需的EVW开度随Ti的降低和再热器换热面积的降低而增加。

4结论

本文基于开发的再热除湿多联式VRF方案,搭建了相应VRF实验系统,对再热除湿的除湿量进行了实验,并对不同工况下(Ti=12~18℃,Ta=Ti或35℃)EVW开度及再热器换热面积对出风温度的影响进行了实验研究。结果表明:1)VRF系统中并联式再热器的应用能提高室内机蒸发器入口的制冷剂过冷度,从而增加室内机的除湿量;室内机1#和2#的再热除湿量分别增加了11.7%~40.4%和10.5%~28.9%。2)Ta=Ti时,存在最优EVW开度使得再热器对空气的再热温度提升取得最大值,过度增加EVW开度会使得蒸发器入口处制冷剂呈气液两相状态,从而降低再热器的温度提升能力;最优EVW开度随着Ti的降低而增加。3)Ta=35℃时,为实现等温除湿效果,所需EVW开度随Ti的增加和再热器换热面积的降低而增加;室内机1#和2#所需的EVW开度分别为9.6%~9.9%和6.5%~7%。4)Ta=35℃时,为实现升温除湿效果,所需的EVW开度随Ti的降低和再热器换热面积的降低而增加。

作者:刘敏 王远鹏 石靖峰 林文涛 单位:青岛海信日立空调系统有限公司开发中心

制冷学报责任编辑:杨雪    阅读:人次