CN108592452B - 一种co2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种CO2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法，包括压缩机、气体冷却器、回热器、电子膨胀阀、电磁阀、蒸发器、气液分离器和回热电动调节阀；压缩机的排气口通过管路依次连接气体冷却器的循环工质管路、回热器的第一管路、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热电动调节阀和回热器的第二管路后回到压缩机的回气口，形成热泵循环通路；电磁阀与电子膨胀阀并联。本发明采用变频压缩机，热气直流和增加了回热电动调节阀的方案。从而使系统能够在除霜模式的全温度区间内提供恰当的除霜热量，并且保证了在除霜模式下全温度区间内系统运行的可靠性，进而在除霜模式下的全温度区间内实现较好的除霜效果。

Description

一种CO2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法
技术领域
本发明属于热泵技术领域，特别涉及一种CO2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法。
背景技术
随着世界经济的发展，能源在人类的活动中发挥的作用越来越重要,甚至可以说是人类社会赖以生存和发展的主要物质基础。而在我国，能源短缺业已成为制约我国国民经济能够持续快速发展的一个障碍，鉴于此，我国政府将工业、民用等所有领域的节能、环保以及低碳经济的问题提到了全国经济活动中前所未有的高度。在技术和经济性上，热泵技术是解决工农业生产供热问题具有较大优势的一种节能有效的途径。同时，作为能源领域优先发展的方向，大力发展和规模化应用热泵技术在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中也被重点提出，这为我国热泵技术的发展提供了良好的外部环境和强劲的动力。
空气源跨临界CO2空调热泵系统具有绿色环保、高能节能、应用范围广的特点，在较广的环境温度范围内可以提供60℃到90℃的热水。它将热泵的高效节能作用和CO2的优秀环保性能结合在一起，符合目前世界范围内的环保要求，具有重要的节能环保意义，而且应用范围特别广，特别是在低环境温度条件下的供暖和供热水问题，为了解决空气源跨临界CO2热泵热水器进一步广泛应用的技术障碍，在低温环境条件下系统除霜方法的控制研究至关重要。
目前，在空气源跨临界CO2空调热泵系统中可行的除霜方法主要包括自然循环除霜，热气直流除霜，排气节流除霜，电加热除霜，热水蓄热除霜和超声波除霜等。相比较于热气节流除霜，自然循环除霜停机除霜时间长，排气节流除霜节流压差大，电加热除霜需要额外电能并且除霜时间无优势，热水除霜存在水可能冻结的问题，而超声波除霜技术代价高昂并且技术困难。而传统的热气节流除霜也存在部分环境温度区间除霜效果差，除霜时系统可靠性差的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种CO2空调热泵除霜系统，包括压缩机、气体冷却器、回热器、电子膨胀阀、电磁阀、蒸发器、气液分离器和回热电动调节阀；压缩机的排气口通过管路依次连接气体冷却器的循环工质管路、回热器的第一管路、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器、回热电动调节阀和回热器的第二管路后回到压缩机的回气口，形成热泵循环通路；电磁阀与电子膨胀阀并联。
进一步的，蒸发器处设置有风机。
进一步的，气体冷却器中还设置有包括进水管和出水管的水路循环管路。
进一步的，压缩机为变频压缩机，压缩机连接有变频器与所述的压缩机相联。
一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，包括：
启动除霜模式：
调节压缩机转速，控制压缩机排气压Ph；排气压力Ph由关联式确定：
其中te为蒸发温度；
打开与电子膨胀阀并联的电磁阀，电子膨胀阀控制CO2节流后进入蒸发器压力，进而控制压缩机的压比，并且保证除霜时CO2饱和温度≥5℃，节流后的压力Pl由关联式确定：
其中te为蒸发温度；
自压缩机排气口排出的气体经过气体冷却器和回热器，通过电子膨胀阀和电磁阀，进入蒸发器部分冷凝放热后进入气液分离器；控制回热电动调节阀，使压缩机的吸气过热度>2℃。
进一步的，包括启动制热模式：
关闭电磁阀，CO2从压缩机排气口进入气体冷却器加热水路后通过回热器第一管路；经过回热器第一管路的高压气体经电子膨胀阀节流成两相后进入蒸发器，两相的CO2在蒸发器中蒸发吸取空气中的热量；两相的CO2经过蒸发器后再经气液分离器变为饱和气体，经过回热器第二管路过热获得5℃的过热度后再重新回到压缩机吸气口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
针对现有的CO2空调热泵除霜系统除霜时间长、部分环境温度区间除霜效果差、除霜时系统可靠性不高的问题，本发明提出的CO2空调热泵除霜系统提出采用变频压缩机，热气直流和增加了回热电动调节阀的方案。在实验或实际生产中蒸发器结霜的严重程度随环境温度的变化较大，本发明通过大量实测数据根据蒸发温度拟合了相应的吸排气压力，通过该种方式控制不同温度所需区间的除霜热量，进而保证了本发明的有效性，使系统能够在除霜模式的全温度区间内提供恰当的除霜热量，并且保证了在除霜模式下全温度区间内系统运行的可靠性，实现在除霜模式下的全温度区间内较好的除霜效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明提供的一种CO2空调热泵除霜系统及其除霜控制方法，下面将对本发明描述中所需要的附图作简单介绍。
图1为以本发明实施提供的一种CO2空调热泵除霜系统的原理示意图。
图中标号名称：压缩机、变频器、气体冷却器、回热器、电子膨胀阀、电磁阀、蒸发器、风机、气液分离器和回热电动调节阀。
图2为本发明实施提供的一种CO2空调热泵除霜系统的压焓图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种CO2空调热泵除霜系统，包括压缩机101、变频器102、气体冷却器103、回热器104、电子膨胀阀105、电磁阀106、蒸发器107、风机108、气液分离器109和回热电动调节阀110。
压缩机101的排气口通过管路依次连接气体冷却器103的循环工质管路、回热器104的第一管路、电子膨胀阀105、蒸发器107、气液分离器109、回热电动调节阀110和回热器104 的第二管路后回到压缩机101的回气口，形成热泵循环通路。
电磁阀106与电子膨胀阀105并联，风机108设置于蒸发器107处，气体冷却器103中还设置有包括进水管和出水管的水路循环管路，压缩机101为变频压缩机，变频器102与压缩机 101相联，回热电动调节阀110还与经过回热器104第二管路的出口相连，回热电动调节阀110 将通过气液分离器109的CO2分为两股，从而调节进入回热器104进行换热的CO2的比例，另一股则与经过回热器104换热的CO2混合进入压缩机101，进而调节压缩机101入口的吸气过热度。
本发明还提供一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其包括：
启动除霜模式：
本发明提供的除霜方法属于热气直流除霜，除霜功率等于压缩机101功率，为了满足不同温度下除霜的热量要求，控制变频器102，调节压缩机101转速，并且控制压缩机101的排气压力。除霜模式开启的环境温度为te≤10℃，通过理论模型分析和系统优化以及大量的实验，不断总结反复改进，付出巨大的创造性劳动，本发明获得了该模式下的最佳排气压力：
其中te为蒸发温度。
湿度与温度是影响蒸发器107结霜的两个关键因素，在0-5℃时，环境湿度大，结霜最严重，这从以上的关联式也可以看出，在这一环境温度区间内，除霜模式下压缩机101排气压力 10MPa，相应的排气温度为105℃，以此来保证有足够的除霜功率并且实现较好的除霜效果。当环境温度低于-15℃时，虽然温度很低，但由于在该温度区间内含湿量少，因此结霜并不严重，从关联式可以看出，在这一区间内，除霜模式下压缩机101排气压力为8MPa，相应的排气温度为85℃。本发明提供的除霜控制方法，相较于一般的在CO2空调热泵系统中采用的热气直流除霜方式，能够在不同的环境区间提供恰当的除霜功率，从而实现全环境温度区间内较好的除霜效果。
在本发明提供的除霜方法中，除霜功率等于压缩机101功率，因此，为了获得适当的除霜功率，必须保证适当的压缩机101功率，压缩机101的压比必须得到控制。打开与电子膨胀阀 105并联的电磁阀106，电子膨胀阀105控制CO2节流后进入蒸发器107的压力，保证除霜模式下不同温度区间内都能提供恰当的除霜功率，并且保证除霜时CO2饱和温度≥5℃，节流后的压力Pl通过理论模型分析和系统优化以及大量的实验验证获得，整理为如下的关联式：
其中te为蒸发温度；
在本发明提供的除霜控制方法中，气体自压缩机101排气口排出经过气体冷却器103和回热器104，通过电子膨胀阀105和电磁阀106，进入蒸发器107，部分冷凝放热后进入气液分离器109，保证进入回热器104的CO2都为饱和气体，从而保证了系统运行的可靠性。
在本发明提供的除霜控制方法中，较于一般的热气直流除霜，增加了回热电动调节阀110，用来控制进入回热器104中进行换热的气体量，从而能够确保压缩机101的吸气过热度>2℃，防止液态CO2进入压缩机101从而引起压缩机101液击，增加了系统在除霜模式下运行的可靠性。
启动制热模式：
关闭电磁阀106，CO2从压缩机101排气口进入气体冷却器103加热水路后通过回热器104 的第一管路。经过回热器104第一管路的高压气体经电子膨胀阀105节流成两相后进入蒸发器 107，两相的CO2在蒸发器107中蒸发吸取空气中的热量。两相的CO2经过蒸发器107后再经气液分离器109变为饱和气体，经过回热器104的第二管路过热获得一定的过热度后再重新回到压缩机101吸气口。
从图2中可以看出，该除霜系统可描述为6个过程：过程1-2表示整个压缩过程，把低压低温的CO2压缩成高温高压的CO2。过程2-3表示了压缩机101排气在气体冷却器103内的部分降压和降温过程。过程3-4表示中间压力的CO2在回热器104第一管路中与蒸发器107出口的低温低压CO2的换热过程。过程4-5表示CO2在经过电子膨胀阀105和电磁阀106内的节流过程，通过节流后压力降低，变成低压和高温CO2气体。过程5-6表示部分CO2在蒸发器107中被冷凝释放热量，同时融化蒸发器107翅片上的霜层。过程6-1表示了在回热器104 第二管路中的加热过程，CO2被加热到低压力的过热蒸汽，使CO2有一定的过热度，有助于防止压缩机101液击。

Claims (5)

1.一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其特征在于，基于一种CO2空调热泵除霜系统，所述CO2空调热泵除霜系统包括压缩机(101)、气体冷却器(103)、回热器(104)、电子膨胀阀(105)、电磁阀(106)、蒸发器(107)、气液分离器(109)和回热电动调节阀(110)；压缩机(101)的排气口通过管路依次连接气体冷却器(103)的循环工质管路、回热器(104)的第一管路、电子膨胀阀(105)、蒸发器(107)、气液分离器(109)、回热电动调节阀(110)和回热器(104)的第二管路后回到压缩机(101)的回气口，形成热泵循环通路；电磁阀(106)与电子膨胀阀(105)并联；
所述除霜控制方法包括：
启动除霜模式：
调节压缩机(101)转速，控制压缩机(101)排气压Ph；排气压力Ph由关联式确定：
其中te为蒸发温度；
打开与电子膨胀阀(105)并联的电磁阀(106)，电子膨胀阀(105)控制CO2节流后进入蒸发器(107)压力，进而控制压缩机(101)的压比，并且保证除霜时CO2饱和温度≥5℃，节流后的压力Pl由关联式确定：
其中te为蒸发温度；
自压缩机(101)排气口排出的气体经过气体冷却器(103)和回热器(104)，通过电子膨胀阀(105)和电磁阀(106)，进入蒸发器(107)部分冷凝放热后进入气液分离器(109)；控制回热电动调节阀(110)，使压缩机(101)的吸气过热度>2℃。
2.根据权利要求1所述的一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其特征在于，包括：
启动制热模式：
关闭电磁阀(106)，CO2从压缩机(101)排气口进入气体冷却器(103)加热水路后通过回热器(104)第一管路；经过回热器(104)第一管路的高压气体经电子膨胀阀(105)节流成两相后进入蒸发器(107)，两相的CO2在蒸发器(107)中蒸发吸取空气中的热量；两相的CO2经过蒸发器(107)后再经气液分离器(109)变为饱和气体，经过回热器(104)第二管路过热获得5℃的过热度后再重新回到压缩机(101)吸气口。
3.根据权利要求1所述的一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其特征在于，蒸发器(107)处设置有风机(108)。
4.根据权利要求1所述的一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其特征在于，气体冷却器(103)中还设置有包括进水管和出水管的水路循环管路。
5.根据权利要求1所述的一种CO2空调热泵除霜系统的除霜控制方法，其特征在于，压缩机(101)为变频压缩机，压缩机(101)连接有变频器(102)与所述的压缩机(101)相联。
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