何寧芝

熱泵式空調(diào)器作為一種環(huán)保、節(jié)能的冷熱兩用空調(diào)器,能有效地實(shí)現(xiàn)夏天制冷和冬天制熱,目前已被推廣使用,并有著廣泛的市場(chǎng)。但其自身特點(diǎn)導(dǎo)致在使用中具有局限性,主要問(wèn)題就是,在冬季氣溫較低且相對(duì)濕度較大的地區(qū)制熱運(yùn)行時(shí),蒸發(fā)器會(huì)結(jié)霜。霜層不僅會(huì)形成附加熱阻,而且會(huì)增加空氣流動(dòng)阻力,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)流量減少,使熱泵系統(tǒng)性能惡化,甚至影響其正常工作,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起壓縮機(jī)燒毀等故障。因此,為了保證熱泵式空調(diào)器可靠、高效地工作,必須對(duì)其進(jìn)行周期性除霜。然而由于目前市面上各種除霜方法都存在缺陷,在制冷與空調(diào)行業(yè)當(dāng)中關(guān)于熱泵式空調(diào)器的除霜問(wèn)題依然是一個(gè)熱門(mén)的研究課題。

筆者十多年擔(dān)任技工學(xué)校制冷與空調(diào)專(zhuān)業(yè)教師,在教學(xué)過(guò)程中對(duì)熱泵式空調(diào)器的除霜方法進(jìn)行了深入研究和不斷試驗(yàn),通過(guò)反復(fù)研究、試用,終于探索出一種簡(jiǎn)易的除霜方法。這種方法具有明顯的實(shí)效性,為技工學(xué)校制冷專(zhuān)業(yè)的學(xué)生提供了一個(gè)更廣闊的知識(shí)空間,同時(shí)也拓展了他們的創(chuàng)造性思維。

一、常用的除霜方法

熱泵式空調(diào)器除霜的方法有多種,目前常用的一種方法是利用關(guān)停風(fēng)扇原理,在需要除霜時(shí)將空調(diào)系統(tǒng)轉(zhuǎn)為制冷模式運(yùn)行,依靠制冷劑冷凝時(shí)釋放出的熱量為室外側(cè)換熱器融霜。這種除霜方法存在以下幾方面的弊端:

第一,換熱器與霜層熱量傳遞的方式主要為導(dǎo)熱和輻射,然而疏松的霜層是熱的不良導(dǎo)體。一方面外層的霜不能及時(shí)融化導(dǎo)致除霜過(guò)程緩慢;另一方面,制冷劑冷凝過(guò)程中產(chǎn)生的熱量不能被充分吸收,可能導(dǎo)致冷凝壓力過(guò)高,影響空調(diào)系統(tǒng)的正常工作。

第二,當(dāng)霜層較厚時(shí),一旦附著在換熱器表面的霜融化,與換熱器間形成空隙,換熱器就無(wú)法通過(guò)導(dǎo)熱的方式向霜層傳熱,最終可能形成難以去除的空鼓霜?dú)ぁ?/p>

第三,室外側(cè)換熱器初期只在進(jìn)風(fēng)側(cè)結(jié)霜,只有在反復(fù)除霜不盡、霜層越積越厚時(shí),才有可能在換熱器出風(fēng)側(cè)結(jié)霜。所以通常除霜時(shí)室外側(cè)換熱器非結(jié)霜側(cè)的溫度較高,非結(jié)霜側(cè)附近的空氣被加熱后溫度上升而未用于結(jié)霜側(cè)的除霜。

第四,霜層融化后的水滲入換熱片的縫隙,在換熱片表面被加熱蒸發(fā),帶走熱量的結(jié)果是降低了換熱器表面的溫度,浪費(fèi)能源的同時(shí)影響了除霜效果。

第五,這種除霜方法在除霜過(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)實(shí)際已轉(zhuǎn)換成制冷模式,除霜時(shí)間越長(zhǎng)則熱量損失越多,導(dǎo)致熱泵制熱效率下降。

二、改進(jìn)除霜方法

1.方法簡(jiǎn)介

為了對(duì)上述除霜方法進(jìn)行有效的改進(jìn),筆者通過(guò)與學(xué)校制冷教研組專(zhuān)業(yè)老師的共同深入研究和多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在不改變熱泵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加裝接觸器、中間繼電器、時(shí)間繼電器和壓力開(kāi)關(guān),在除霜過(guò)程中啟動(dòng)風(fēng)扇反轉(zhuǎn)按原風(fēng)扇相反的方向送風(fēng),強(qiáng)制使空氣由非結(jié)霜側(cè)進(jìn)入室外側(cè)換熱器并向結(jié)霜側(cè)流動(dòng),將被加熱的空氣吹向霜層。實(shí)踐證明,這種方式不但能快速有效地除霜,對(duì)因長(zhǎng)期除霜不盡最終結(jié)成的冰殼也能迅速去除,因而提高了熱泵的制熱效率,節(jié)約了能源。

這種除霜方式充分利用室外側(cè)換熱器的熱量,依靠對(duì)流、導(dǎo)熱、輻射三種方式同時(shí)融霜,而對(duì)流傳熱融霜的效率明顯優(yōu)于導(dǎo)熱和輻射,因而除霜迅速?gòu)氐?同時(shí)解決了除霜過(guò)程中可能產(chǎn)生的冷凝壓力過(guò)高的問(wèn)題。反向送風(fēng)產(chǎn)生的氣流還能阻止融霜產(chǎn)生的水向換熱片縫隙中滲透,減少水在換熱片表面蒸發(fā)帶走熱量產(chǎn)生的不良影響。如果附著在換熱器表面的霜被融化,與換熱器間形成空隙,導(dǎo)熱傳熱雖然停止,但對(duì)流和輻射傳熱仍在進(jìn)行,風(fēng)壓還能促使霜?dú)ね呓饷撾x換熱器表面。

2.具體試驗(yàn)方法

在熱泵內(nèi)安裝啟動(dòng)(或停止)風(fēng)扇正、反轉(zhuǎn)的電路,如圖1和圖2所示。

圖1為普通三相異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)交流接觸器的切換,調(diào)換兩相電源啟動(dòng)或停止時(shí)正、反轉(zhuǎn)風(fēng)扇的電路原理圖。當(dāng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2的常開(kāi)觸點(diǎn)2K斷開(kāi),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1的常開(kāi)觸點(diǎn)1K閉合時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電正轉(zhuǎn);當(dāng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1的常開(kāi)觸點(diǎn)1K斷開(kāi),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2的常開(kāi)觸點(diǎn)2K閉合時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電反轉(zhuǎn);當(dāng)觸點(diǎn)1K和觸點(diǎn)2K同時(shí)斷開(kāi)時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3失電停轉(zhuǎn)。

圖2為單向電動(dòng)機(jī)通過(guò)交流接觸器的切換改變相電源的接入方式啟動(dòng)或停止時(shí)正、反轉(zhuǎn)風(fēng)扇的電路原理圖。當(dāng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2的常開(kāi)觸點(diǎn)2K斷開(kāi),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1的常開(kāi)觸點(diǎn)1K閉合時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電正轉(zhuǎn);當(dāng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1的常開(kāi)觸點(diǎn)1K斷開(kāi),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2的常開(kāi)觸點(diǎn)2K閉合時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電反轉(zhuǎn);當(dāng)觸點(diǎn)1K和觸點(diǎn)2K同時(shí)斷開(kāi)時(shí),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3失電停轉(zhuǎn)。

在空調(diào)機(jī)內(nèi)加裝經(jīng)過(guò)改裝的控制風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)的電路,參見(jiàn)圖3。

熱泵制熱運(yùn)行時(shí),其控制電路輸出原風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常開(kāi)觸點(diǎn)4K閉合,時(shí)間繼電器5得電,延時(shí)后時(shí)間繼電器5的常開(kāi)觸點(diǎn)5K閉合,此時(shí)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2的常閉觸點(diǎn)2b閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1得電,其常開(kāi)觸點(diǎn)1K閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電正轉(zhuǎn)(參見(jiàn)圖1和圖2)。

熱泵的除霜過(guò)程是由以下方式實(shí)現(xiàn)控制的:

在室外側(cè)換熱器上加裝壓力開(kāi)關(guān),當(dāng)冷凝壓力上升到設(shè)定壓力的上限時(shí),其常閉觸點(diǎn)7斷開(kāi);而當(dāng)冷凝壓力下降到設(shè)定壓力的下限時(shí),其常閉觸點(diǎn)7閉合,因而該觸點(diǎn)可用作控制除霜過(guò)程的信號(hào)開(kāi)關(guān)。

熱泵開(kāi)始除霜時(shí)按原程序要關(guān)停風(fēng)扇,原風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器的吸合電壓V變?yōu)?,中間繼電器4失電,其常開(kāi)觸點(diǎn)4K斷開(kāi),時(shí)間繼電器5失電,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1因時(shí)間繼電器5的常開(kāi)觸點(diǎn)5K斷開(kāi)而失電,其常開(kāi)觸點(diǎn)1K斷開(kāi),正轉(zhuǎn)的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3失電逐漸停轉(zhuǎn)。

此時(shí)由于壓縮機(jī)仍在工作,壓縮機(jī)交流接觸器的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)8處于接通狀態(tài),時(shí)間繼電器6因中間繼電器4的常閉觸點(diǎn)4b閉合而得電,延時(shí)后時(shí)間繼電器6的常開(kāi)觸點(diǎn)6K閉合,此時(shí)若壓力沒(méi)有達(dá)到設(shè)定條件,信號(hào)觸點(diǎn)7不閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2不得電,其常開(kāi)觸點(diǎn)2K不閉合,風(fēng)扇仍維持停轉(zhuǎn)狀態(tài)(見(jiàn)圖1和圖2),室外側(cè)換熱器依靠導(dǎo)熱和輻射兩種方式融霜。當(dāng)系統(tǒng)冷凝壓力逐漸升高達(dá)到設(shè)定壓力的上限時(shí),信號(hào)觸點(diǎn)7接通。由于此時(shí)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1的常閉觸點(diǎn)1b閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2得電,其常開(kāi)觸點(diǎn)2K閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電反轉(zhuǎn)(參見(jiàn)圖1和圖2),將被加熱的空氣吹向霜層,依靠對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射三種傳熱方式融霜。在此過(guò)程中,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力逐漸下降至設(shè)定壓力的下限時(shí),信號(hào)觸點(diǎn)7又會(huì)斷開(kāi),風(fēng)扇逐漸停止轉(zhuǎn)動(dòng)。若系統(tǒng)冷凝壓力逐漸升高重新達(dá)到設(shè)定壓力的上限時(shí),風(fēng)扇又啟動(dòng)按原風(fēng)扇相反的方向送風(fēng),再次依靠對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射三種傳熱方式融霜,如此反復(fù)進(jìn)行,直至除霜結(jié)束。

除霜結(jié)束時(shí),熱泵控制電路重新輸出原風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器的吸合電壓V,中間繼電器4得電,其常閉觸點(diǎn)4b斷開(kāi),時(shí)間繼電器6失電,其常開(kāi)觸點(diǎn)6K斷開(kāi),風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器2失電,其常開(kāi)觸點(diǎn)2K斷開(kāi),反轉(zhuǎn)的風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)失電逐漸停轉(zhuǎn)(參見(jiàn)圖1和圖2)。此時(shí)中間繼電器4的常開(kāi)觸點(diǎn)4K閉合,時(shí)間繼電器5得電,延時(shí)后其常開(kāi)觸點(diǎn)5K閉合,此時(shí)交流接觸器2的常閉觸點(diǎn)2b閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)交流接觸器1得電,其常開(kāi)觸點(diǎn)1K閉合,風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3得電重新正轉(zhuǎn)(參見(jiàn)圖1和圖2),系統(tǒng)恢復(fù)制熱。

電路中的時(shí)間繼電器5和6保證風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)3不會(huì)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)瞬間反轉(zhuǎn)。電路中還串聯(lián)了壓縮機(jī)交流接觸器輔助常開(kāi)觸點(diǎn)8,在空調(diào)器不工作時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)8斷開(kāi),避免熱泵不工作時(shí)時(shí)間繼電器6處于常有電狀態(tài)。

此項(xiàng)關(guān)于熱泵式空調(diào)器除霜方法的研究,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明改良效果明顯。在研究過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)可以利用溫度控制代替壓力控制,取消中間繼電器、時(shí)間繼電器和壓力開(kāi)關(guān)。即在除霜過(guò)程中,當(dāng)室外側(cè)換熱器的溫度逐漸升高達(dá)到設(shè)定溫度的上限時(shí),啟動(dòng)風(fēng)扇反轉(zhuǎn);此過(guò)程中如果換熱器的溫度逐漸下降至設(shè)定溫度的下限時(shí)風(fēng)扇停轉(zhuǎn),中間繼電器和時(shí)間繼電器的功能由控制器完成。也可以考慮用時(shí)間控制風(fēng)扇的反轉(zhuǎn)與停轉(zhuǎn),但由于外界環(huán)境變化影響除霜的因素較多,控制時(shí)間的設(shè)定相對(duì)比較困難。

三、改進(jìn)除霜方法在教學(xué)中的應(yīng)用

對(duì)熱泵式空調(diào)器除霜方法進(jìn)行改進(jìn)的試驗(yàn),既可以應(yīng)用于技校制冷專(zhuān)業(yè)理論教學(xué),也可以作為實(shí)操教學(xué)的演示、實(shí)習(xí)(試驗(yàn))。有助于教學(xué)中由淺入深地引入制冷機(jī)除霜知識(shí)和操作技能,充實(shí)教學(xué)內(nèi)容,提高學(xué)生專(zhuān)業(yè)操作技能水平與能力,培養(yǎng)適應(yīng)市場(chǎng)需求的實(shí)用型人才。

1.適應(yīng)市場(chǎng)需求的新變化,把除霜改進(jìn)技術(shù)引入教學(xué)

隨著新技術(shù)在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,技工教育也要適應(yīng)目前市場(chǎng)的要求,大量培養(yǎng)一專(zhuān)多能、復(fù)合型中級(jí)技工和高級(jí)技工,甚至技師和高級(jí)技師。許多技工學(xué)校都開(kāi)設(shè)了制冷與空調(diào)專(zhuān)業(yè),而制冷技術(shù)在開(kāi)發(fā)新技術(shù)方面還有比較大的空間,改進(jìn)熱泵式空調(diào)器的除霜技術(shù),并且滲透到教學(xué)過(guò)程當(dāng)中,使之成為制冷專(zhuān)業(yè)教學(xué)中生動(dòng)、形象、直觀(guān)的教材。

2.形象、直觀(guān)、多用,易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望

改進(jìn)后的除霜試驗(yàn)?zāi)Ｐ?演示起來(lái)形象、直觀(guān),可以激發(fā)學(xué)生的興趣,同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的觀(guān)察能力,增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí),擴(kuò)大了學(xué)生的思維空間,有利于對(duì)知識(shí)的理解。在教學(xué)中也可聯(lián)系就業(yè)市場(chǎng)的要求,如較多用人單位提出“懂得新技術(shù)、新知識(shí)者優(yōu)先”,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望。

通過(guò)對(duì)熱泵式空調(diào)器的除霜技術(shù)的改進(jìn)試驗(yàn),把試驗(yàn)過(guò)程成功地滲透到教學(xué)過(guò)程當(dāng)中,不但能培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)的應(yīng)用能力、實(shí)際操作能力以及分析和解決問(wèn)題的能力,而且可以引發(fā)學(xué)生對(duì)未來(lái)事物的創(chuàng)新、思考,樹(shù)立起未來(lái)對(duì)工作的信心。

通過(guò)對(duì)熱泵式空調(diào)器兩種除霜方法的分析比較,明確了利用反轉(zhuǎn)風(fēng)扇原理除霜的多方面優(yōu)點(diǎn),特別是其安全、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì),確實(shí)能解決常用除霜方法存在的缺陷。然而要真正推廣到實(shí)際中,還要聯(lián)系空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際工況加以深入研究,才能促進(jìn)該項(xiàng)除霜技術(shù)研究更趨成熟,從而達(dá)到實(shí)用化的水平。在教學(xué)過(guò)程中除了要積極研究,大膽探索新技術(shù)、新知識(shí),還要注重一點(diǎn)一滴地運(yùn)用到教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中,才能達(dá)到教與學(xué)相長(zhǎng)的目的。

(作者單位:廣東省肇慶市第二技工學(xué)校)