CN110173940B - 一种控制空气冷却器启动除霜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制冷系统除霜的方法，尤其是一种控制空气冷却器启动除霜的方法，包括以下步骤：将空气冷却器的结霜区域分成多个结霜分区，在进风侧安装温度传感器和湿度传感器；检测空气冷却器实时的进风温度和进风湿度；根据空气冷却器的结构参数、进风温度和进风湿度判断空气冷却器的结霜区域；记录空气冷却器的进风温度和进风湿度停留所在结霜区域的时长；根据空气冷却器的结霜分区的霜层厚度增长速率和在该结霜分区的时长计算各个结霜分区累加的霜层厚度；当累加霜层厚度达到设定值时开始除霜。该方法使得除霜开始时机准确，极大地减少了现有常规除霜控制方式所导致的“误除霜或迟除霜”的发生，同时也提高了运行中节能效果。

Description

一种控制空气冷却器启动除霜的方法

技术领域

本发明涉及一种制冷系统除霜的方法，尤其是一种控制空气冷却器启动除霜的方法。

背景技术

在制冷行业中，如果空气冷却器(冷凝器)的表面温度低于空气中水蒸气的露点温度并同时低于水的三相点温度时，水蒸气便会在其表面上凝结结霜。因此空气冷却器的结霜现象是普遍存在的，而结霜会严重影响空气冷却器以及整个制冷系统的性能，甚至造成严重的危害，因此除霜十分必要。

在现有技术中，空气冷却器的除霜控制方式可分为直接测量的除霜控制方法和间接测量的控制方法。直接测量的控制方法是指通过直接测量霜层厚度进行除霜时刻的判断，运用光电传感器测量霜层厚度的方法被较多的研究，但是受仪器灵敏度等限制难以实际应用。间接测量的控制方法是通过测量一个或多个结霜过程的物理型号判断化霜开始时刻，目前普遍采用的是“温度-时间”的控制方法，该方法是指当翅片温度或者运行时间达到设定值时即开始除霜，该除霜方式存在固定特性，经常会导致不需除霜时就除霜，或者该除霜时不除霜的现象发生，造成能源的极大浪费以及严重影响到制冷性能。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种能够根据实际情况进行准确判断是否需要化霜，节约能源同时不影响制冷性能的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，具体技术方案为：

一种控制空气冷却器启动除霜的方法，包括以下步骤：

S101、将空气冷却器的结霜区域分成多个结霜分区，并在进风侧安装温度传感器和湿度传感器；

S102、检测空气冷却器实时的进风温度和进风湿度；

S103、根据空气冷却器的结构参数、进风温度和进风湿度判断空气冷却器的结霜所位于的结霜分区；

S104、记录步骤S103中所确认的结霜分区的结霜时长，并记录为

t_A、t_B、t_C、t_D、t_E；

S105、根据空气冷却器的各结霜分区的平均结霜速率和在该结霜分区的时长计算各个结霜分区累加的霜层厚度，累加霜层厚度计算公式为：

δ_frost＝v_At_A+v_Bt_B+v_Ct_C+v_Dt_D+v_Et_E；

式中，v_A、v_B、v_C、v_D、v_E为各个结霜分区的平均结霜速率；

S106、当累加霜层厚度达到设定值时开始除霜，否则重复步骤S102至S105。

优选的，所述结霜分区的分区方法包括确定空气冷却器结霜的空气温度范围和湿度范围；确定空气冷却器的结构类型；划分结霜分区，根据不同的进风温度和进风湿度下的结霜速率利用数学拟合出等结霜速率曲线，然后根据等结霜速率曲线将结霜区域从慢到快划分出多个结霜分区，并计算各个结霜分区的平均结霜速率。

优选的，所述多个结霜分区均匀划分。

优选的，所述空气冷却器的结霜的空气温度范围：-40℃～0℃；所述空气冷却器结霜的湿度范围：翅片温度等于露点温度时的相对湿度～100％RH。

优选的，所述结霜速率的计算包括以下步骤：

S201、输入进风温度、进风湿度、风机类型、时间步长、设定时长；

S202、根据工况确定空气热物性参数；

S203、输入初始参数，所述初始参数包括霜层厚度、霜层密度、霜层表面温度和风量；

S204、计算N-1时间步的霜表面温度；

S205、计算N时间步的密度和霜厚

S206、判断累计的时间是否等于设定时长，若累计的时间与设定时长相同则进入S207，若累计的时间与设定时长不同，则进入S204；

S207、输出结霜速率。

优选的，所述S204和S205中的结霜速率的计算公式为：

水蒸气的质量变化与换热器进出口空气含湿量有关：

计算霜层密度增加引起的质量增加，推导得出公式：

其中：

霜层的热导率

k_f＝1.202·10^-3ρ_f ^0.963 (5)

ρ_f＝ρ"_f+Δρ_f (13)

δ_f＝δ"_f+Δδ_f (14)

式中，

—结霜量，kg

—由密度增加的结霜量，kg

—由厚度增加的结霜量，kg

—空气质量流率，kg/s

X_ai—进口空气的含湿量，kg/kg^′

X_ae—出口空气的含湿量，kg/kg^′

D—结霜计算系数，J/kg

i_i--进风湿度，％

i_e—出风湿度，％

k_f—霜层热导率，W/(m·K)

D_s—水蒸气扩散系数，m²/s

ρ_ice—冰密度，kg/m³

R_g—水蒸气理想气体常数，J/(kg·K)，461J/(kg·K)

T_s—霜层表面温度，K

i_sv—凝华潜热，J/kg

A_t—总传热面积，m²

Δt是时间步长，s

ρ_f—霜层密度，kg/m³

δ_f—霜层厚度，m

ρ"_f—一个时间步长前霜层密度，kg/m³

δ"_f—一个时间步长前霜层厚度，m

P_d—空气-霜表面的饱和压力，Pa。

优选的，所述进风温度为干球温度或湿球温度，所述进风湿度为相对湿度或绝对湿度。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：

本发明提供的一种控制空气冷却器启动除霜的方法基于不同的空气冷却器结构参数、实际的进风温度和进风湿度进行分区计算累加霜层厚度，从而判断除霜开始的时刻，使得除霜开始时机准确，极大地减少了现有常规除霜控制方式所导致的“误除霜或迟除霜”的发生，同时也提高了运行中节能效果。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是空气冷却上装有温度传感器和湿度传感器的结构示意图；

图3是结霜速率计算的流程图；

图4是BLT022型空气冷却器的霜层厚度随时间增长的曲线图；

图5是BLT022型空气冷却器的相对湿度-进风温度及结霜分区的划分图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种控制空气冷却器启动除霜的方法，包括以下步骤：

S101、将空气冷却器1所对应的结霜区域分成五个结霜分区，并在进风侧装有温度传感器2和湿度传感器3；

S102、检测空气冷却器1实时的进风温度和进风湿度；

S103、根据空气冷却器1的结构参数、进风温度和进风湿度判断空气冷却器的结霜1所处于的结霜分区；

S104、记录空气冷却器1的进风温度和进风湿度所在的各个结霜分区的时长，并记录为：

t_A、t_B、t_C、t_D、t_E；

S105、根据空气冷却器1的结霜分区的霜层厚度增长速率和在该结霜分区的时长计算各个结霜分区累加的霜层厚度，累加霜层厚度计算公式为：

δ_frost＝v_At_A+v_Bt_B+v_Ct_C+v_Dt_D+v_Et_E

式中，v_A、v_B、v_C、v_D、v_E为各个结霜分区的平均结霜速率；

S106、当累加霜层厚度达到设定值时开始除霜，否则重复步骤S102至S105。

为了进行区别说明，避免产生歧义，将权利要求中的t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……t_N，改为t_A、t_B、t_C、t_D、t_E……，其中A、B、C、D、E表示依次递增的自然数，权利要求1中的，v₁、v₂、v₃、v₄、v₅……v_N做适应性修改为v_A、v_B、v_C、v_D、v_E。

根据空气冷却器1的结构参数、进风温度和进风湿度判断出某一时间点的工况在哪个结霜分区，然后记录停留在该结霜分区的时间，再用该结霜分区的结霜速率乘以停留时间，即计算出结霜厚度，再把所有结霜分区、时间段内的所有计算得出的结霜厚度累加，达到预先的设定值后，开始执行化霜，能够根据实际情况进行准确判断是否需要化霜，节约能源同时不影响制冷性能。

具体的，空气冷却器1也称为蒸发器。

结霜分区的分区方法包括先确定空气冷却器1结霜的空气温度范围和湿度范围；确定空气冷却器1的结构类型；划分结霜分区，根据不同的进风温度和进风湿度下的结霜速率利用数学拟合出等结霜速率曲线，然后根据等结霜速率曲线将结霜区域从慢到快均匀划分为A、B、C、D、E五个区，并计算出各个分区的平均结霜速率v_A、v_B、v_C、v_D、v_E。

空气冷却器1的结霜的空气温度范围：-40℃～0℃；空气冷却器1结霜的湿度范围：翅片温度等于露点温度时的相对湿度～100％RH。

进风温度为干球温度或湿球温度，所述进风湿度为相对湿度或绝对湿度。

所述空气冷却器的结霜的空气温度范围：-40℃～0℃；所述空气冷却器结霜的湿度范围：翅片温度等于露点温度时的相对湿度～100％RH。

如图2所示，空气冷却器1上装有多个温度传感器2和湿度传感器3，温度传感器2和湿度传感器3均与控制器4电连接。

不同的空气冷却器1设置不同的结构参数代码。

控制器4用于记录进风温度、进风湿度、时间，并进行霜层厚度的计算，控制化霜的开启，控制器4可以输入空气冷却器的结构参数代码和霜层厚度，霜层厚度根据需要设定。

结霜速率通过理论计算和实验校核得出。

空气冷却器1在实际运行过程中，进风温度和进风湿度是不断变化的，可能会处于不同的结霜分区，可通过编写控制器4控制程序，记录处于各个结霜分区的时间。通过编写控制器4控制程序计算累加霜层厚度。

空气冷却器1的进风温度和进风湿度可通过温度传感器2和湿度传感器3 测得，温度传感器可以采用PT100，湿度传感器可采用电流型或电压型的湿度传感器，适用性较强，对环境的清洁度要求不高，可用于各种工况和场合。

空气冷却器1的结构形式不同，结霜区域的划分可能也不一样。按上述方法的得出不同空气冷却器1的结构参数代码的结霜区域分区图与平均结霜速率，作为控制器4程序的数据库，以便控制器4控制程序调用。

结霜速率的计算包括以下步骤：

S201、输入进风温度、进风湿度、风机类型、时间步长、设定时长；

S202、根据工况确定空气热物性参数；

S203、输入初始参数，所述初始参数包括霜层厚度、霜层密度、霜层表面温度和风量；

S204、计算N-1时间步的霜表面温度；

S205、计算N时间步的密度和霜厚

S206、判断累计的时间是否等于设定时长，若累计的时间与设定时长相同则进入S207，若累计的时间与设定时长不同，则进入S204；

S207、输出结霜速率。

优选的，所述S204和S205中的结霜速率的计算公式为：

水蒸气的质量变化与换热器进出口空气含湿量有关：

计算霜层密度增加引起的质量增加，推导得出公式：

其中：

霜层的热导率

k_f＝1.202·10^-3ρ_f ^0.963 (5)

ρ_f＝ρ"_f+Δρ_f (13)

δ_f＝δ"_f+Δδ_f (14)

式中，

—结霜量，kg

—由密度增加的结霜量，kg

—由厚度增加的结霜量，kg

—空气质量流率，kg/s

X_ai—进口空气的含湿量，kg/kg^′

X_ae—出口空气的含湿量，kg/kg^′

D—结霜计算系数，J/kg

i_i--进风湿度，％

i_e—出风湿度，％

k_f—霜层热导率，W/(m·K)

D_s—水蒸气扩散系数，m²/s

ρ_ice—冰密度，kg/m³

R_g—水蒸气理想气体常数，J/(kg·K)，461J/(kg·K)

T_s—霜层表面温度，K

i_sv—凝华潜热，J/kg

A_t—总传热面积，m²

Δt是时间步长，s

ρ_f—霜层密度，kg/m³

δ_f—霜层厚度，m

ρ"_f—一个时间步长前霜层密度，kg/m³

δ"_f—一个时间步长前霜层厚度，m

P_d—空气-霜表面的饱和压力，Pa。

首先得到全部结霜区域的结霜速率数据，再拟合成等结霜速率曲线，由等结霜速率曲线将全部结霜区域划分为多个结霜分区。

公式13和14除以设定时长得出密度和厚度增长速率，根据公式12，厚度增长是跟密度增长ρ"_f有关的，而计算密度增长，又要用到公式11，而公式11中，又有厚度δ"_f参数，所以密度和厚度的增长是相互迭代的，所以需要根据公式11、 12、13和14共同迭代计算，最终得出厚度的增长速率，形成数据矩阵，从数据矩阵中选出相同速率的数据点，从而拟合为等速率曲线，由这些曲线划分为多个区域，这些区域内的结霜厚度速率，取平均值，得出该区域内平均结霜厚度增长速率。

以制冷用翅片套管式空气冷却器为例进行说明，制冷用翅片套管式空气冷却器的型号为BLT022。

根据冷风机结构参数，在相应进风温度，进风相对湿度时，通过软件Matlab 按照公式编程，迭代得出该点的结霜厚度速率；然后将所有温度和相对湿度对应的点全部计算出来。例如：

BLT022型空气冷却器结构参数如下：

计算输入工况如下(举例4个工况)：

工况	进风温度℃	相对湿度	翅片温度℃	出风温度℃	出风相对湿度
						1	-10	60％	-17	-12	60％
2	-10	70％	-17	-12	70％
						3	-10	80％	-17	-12	80％
4	-10	90％	-17	-12	90％

通过软件编程，计算霜层厚度随时间增长的数据，连成曲线，结果如图4 所示。通过以上数据，用霜层厚度(mm)除以结霜时间(小时)，得出相应工况时的结霜速率。

以-10℃，相对湿度60％为例，通过上图，可以看出结霜时间为4小时时，霜层厚度为1.588mm，所以

该工况的结霜厚度速率＝1.588/4＝0.397mm/h

同理，将所有工况结霜速率全部计算出来，得到下面表格(因篇幅问题，温度和相对湿度简化为以5度为差值)：

提取该数据矩阵中相同的速率数据，如下：

根据上面数据，拟合出AB、BC、CD、DE四条曲线，即等结霜速率曲线，

等结霜速率曲线的拟合公式分别为：

AB分区等结霜速率曲线：RH＝0.0926T_a ²+2.4105T_a+51.879；

BC分区等结霜速率曲线：RH＝0.0741T_a ²+0.2606T_a+33.817；

CD分区等结霜速率曲线：RH＝0.0676T_a ²-0.9351T_a+39.201；

DE分区等结霜速率曲线：RH＝0.064T_a ²-1.889T_a+53.956；

式中Ta为进风温度。

如图5所示，将该拟合公式对应的曲线画到“相对湿度-进风温度”二维坐标图上。虚线表示空气冷却器1的等结霜速率曲线，实线表示临界结霜线；由等结霜速率曲线，将空气冷却器对应的结霜区域划分为5个结霜分区，再计算每个分区的结霜速率数据的平均值，作为该结霜区域的结霜速率值。

结霜区域A、B、C、D、E的平均霜层厚度增长速率分别为0.07mm/h、0.15mm/h、0.27mm/h、0.46mm/h、0.83mm/h。

因为数据庞大，且每条曲线的“结霜速率”差距非常小，如果有N条线，那么速率差异接近于无限小，所以在此将速率相对接近的所有线划分到同一个区域，所以理论上是可以划分为多个区域的，而在此仅以5个区域为例。再有，如果区域划分过细、过多，那么运行点中进风温度和相对湿度的焦点，就会在某一个区域内停留时间很短，也就是说一会儿在A区，一会儿又在B区，一会儿又在D区，这样的话，累加计算结霜厚度时，计算量会比较大，所以结霜区域也不必划分的太细、太多。

Claims (6)

1.一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、将空气冷却器的结霜区域分成多个结霜分区，并在进风侧安装温度传感器和湿度传感器；

S102、检测空气冷却器实时的进风温度和进风湿度；

S103、根据空气冷却器的结构参数、进风温度和进风湿度判断空气冷却器的结霜所位于的结霜分区；

S104、记录步骤S103中所确认的结霜分区的结霜时长，并记录为

t₁、t₂、t₃、t₄、t₅……t_N；

S105、根据空气冷却器的各结霜分区的平均结霜速率和在该结霜分区的时长计算各个结霜分区累加的霜层厚度，累加霜层厚度计算公式为：

δ_frost＝v₁t₁+v₂t₂+v₃t₃+v₄t₄+v₅t₅……v_Nt_N：

式中，v₁、v₂、v₃、v₄、v₅……v_N为各个结霜分区的平均结霜速率；

S106、当累加霜层厚度达到设定值时开始除霜，否则重复步骤S102至S105；

所述结霜分区的分区方法包括：

确定空气冷却器结霜的空气温度范围和湿度范围；

确定空气冷却器的结构类型；

划分结霜分区，根据不同的进风温度和进风湿度下的结霜速率利用数学拟合出等结霜速率曲线，然后根据等结霜速率曲线将结霜区域从慢到快划分出多个结霜分区，并计算各个结霜分区的平均结霜速率。

2.根据权利要求1所述的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，所述多个结霜分区均匀划分。

3.根据权利要求1所述的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，所述空气冷却器的结霜的空气温度范围：-40℃～0℃；所述空气冷却器结霜的湿度范围：翅片温度等于露点温度时的相对湿度～100％RH。

4.根据权利要求1所述的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，所述结霜速率的计算包括以下步骤：

S201、输入进风温度、进风湿度、风机类型、时间步长、设定时长；

S202、根据工况确定空气热物性参数；

S203、输入初始参数，所述初始参数包括霜层厚度、霜层密度、霜层表面温度和风量；

S204、计算N-1时间步的霜表面温度；

S205、计算N时间步的密度和霜厚

S206、判断累计的时间是否等于设定时长，若累计的时间与设定时长相同则进入S207，若累计的时间与设定时长不同，则进入S204；

S207、输出结霜速率。

5.根据权利要求4所述的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，

所述S204和S205中的结霜速率的计算公式为：

水蒸气的质量变化与换热器进出口空气含湿量有关：

计算霜层密度增加引起的质量增加，推导得出公式：

其中：

霜层的热导率

k_f＝1.202·10^-3ρ_f ^0.963 (5)

ρ_f＝ρ″_f+Δρ_f (13)

δ_f＝δ″_f+Δδ_f (14)

式中，

-结霜量，kg

-由密度增加的结霜量，kg

-由厚度增加的结霜量，kg

-空气质量流率，kg/s

X_ai-进口空气的含湿量，kg/kg′

X_ae-出口空气的含湿量，kg/kg′

D-结霜计算系数，J/kg

i_i--进风湿度，％

i_e-出风湿度，％

k_f-霜层热导率，W/(m·K)

D_s-水蒸气扩散系数，m²/s

ρ_ice-冰密度，kg/m³

R_g-水蒸气理想气体常数，J/(kg·K)，461J/(kg·K)

T_s-霜层表面温度，K

i_sv-凝华潜热，J/kg

A_t-总传热面积，m²

Δt是时间步长，s

ρ_f-霜层密度，kg/m³

δ_f-霜层厚度，m

ρ″_f-一个时间步长前霜层密度，kg/m³

δ″_f-一个时间步长前霜层厚度，m

P_d-空气-霜表面的饱和压力，Pa。

6.根据权利要求1所述的一种控制空气冷却器启动除霜的方法，其特征在于，所述进风温度为干球温度或湿球温度，所述进风湿度为相对湿度或绝对湿度。

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