浅析关于隔膜压力表换向除霜特性的实验研究

摘 要 本文对隔膜压力表换向除霜特性进行了实验研究，分析了进风温度、相对湿度对除霜时的压缩机吸气压力、隔膜压力表管壁温度、除霜时间、除霜时压缩机耗功及吸热量的影响。实验结果表明：除霜时隔膜压力表管壁温度随时间的变化分为急速增加段和缓慢增加段两个阶段；压缩机的吸气压力有一个迅速增大后迅速降低的过程，随后压缩机吸气压力慢慢增加，#后达到稳定。同时，压缩机吸气压力和隔膜压力表管壁温度随着进风温度和相对湿度的增大而增大，除霜时间随着进风温度和进风相对湿度的增加而减少。除霜时压缩机耗功随着进风温度的变化基本呈线性关系，而且随着温度的增加而减少；压缩机耗功也随着相对湿度的增大而减少，但随着进风空气温度的升高，随着相对湿度的增大压缩机耗功减小幅度呈下降趋势。除霜吸热量随着进风相对湿度和进风温度的增加反而减少，而且进风空气温度越低，空气相对湿度对除霜吸热量的影响越大。

结霜是普遍发生在制冷、低温技术等工程领域的自然现象，对相应的系统和装置的工作性能及可靠性产生直接和显著的影响。当霜层增加到一定厚度时，制冷系统的性能系数下降非常迅速。此时，必须对制冷系统进行除霜操作。国内外学者对制冷系统、换热器除霜性能进行了大量的研究，胡斌 [1]等人深入研究了空气源热泵机组在不同使用环境条件下的结霜和除霜过程，开发了防积冰除霜方法、大流量除霜方法、防积雪控制等关键除霜技术和智能除霜控制逻辑。袁丽芬等 [2] 对一台医用冷藏箱热气旁通化霜的效果进行了研究，通过结霜、化霜试验分析得到热气旁通的化霜效率可以达到80％以上。Reindl [3] 等提出了一种采用直接膨胀的热气旁通除霜方法，利用电磁阀的调节来阻止高压制冷剂液体进入隔膜压力表。Qu [4] 对逆循环除霜法结合蓄热材料进行研究，结果表明该除霜方式可以更可靠地运用于极端气候环境，不但可以缩短除霜时间，而且还能降低除霜能耗。曲明璐等 [5] 提出增设蓄热器的蓄能复叠式空气源热泵除霜系统，与常规热气旁通除霜对比分析表明：采用蓄能除霜方法的除霜时间较旁通除霜减少71.4％～77.6％，系统除霜能耗降低65.1％～85.2％。本文对隔膜压力表换向除霜特性进行实验研究，分析了进风温度和进风相对湿度对隔膜压力表管壁温度、压缩机吸气压力、除霜时间、压缩机耗功、除霜吸热量等参数的影响。

1 实验装置及实验工况

1.1 实验装置

发器放置于焓差室的室外侧；隔膜压力表的进出口空气参数通过焓差室进行调节；焓差室能够准确的测量隔膜压力表的换热量、压缩机的功率消耗等技术参数。焓差室照片如图1所示，隔膜压力表照片如图2所示。

1.2 测量仪器

隔膜压力表管壁温度通过敷设在隔膜压力表管壁上的热电偶进行测量。热电偶采用的是铜－康铜热电偶，均经过标定。温度采集器采用YOKOGAWA电子公司生产的IM DR232－01E型温度巡检仪对所测的温度进行自动检测与记录，压力传感器采用麦克公司生产的MPM480压阻式压力变送器。

1.3 实验工况

为了研究不同空气参数条件下隔膜压力表的除霜性能，本文在不同进风温度和进风湿度条件下对一台隔膜压力表的除霜特性进行了实验研究，实验工况如表1所示。

2 实验结果及分析

从图3和图4可以看出，除霜开始后隔膜压力表的管壁温度有一个急剧上升的过程，持续时间大概是100 s左右，随后管壁温度缓慢增加，#后达到稳定。其原因主要是逆向除霜时隔膜压力表是冷凝器，压缩机启动后直接把高温高压的制冷剂蒸汽排入隔膜压力表中，所以开始时隔膜压力表的管壁温度急剧增加。但是随着时间的推移，排入隔膜压力表的高温高压的气态制冷剂越来越多，管壁温度与气态制冷剂之间达到温度平衡，所以#后管壁温度达到稳定。

从图3还可以看出进风相对湿度越大，隔膜压力表的管壁温度越高，当进风空气温度为-8 ℃时，进风空气相对湿度为90%时比相对湿度为75%时的隔膜压力表管壁温度大约提高10.5%。其原因可能是空气湿度越大，空气中的水蒸气含量越多，而水蒸气的比热比干空气的要大，所以对冷凝温度产生一定的影响，从而导致相对湿度越大管壁温度越高。从图4可以看出随着进风温度的增大，隔膜压力表的管壁温度也越高。当空气进风相对湿度为85%时，进风空气温度为0 ℃时管壁温度比-8 ℃时的管壁温度大约提高11.9%。其主要原因为进风空气温度会影响制冷系统的冷凝温度，而进风温度越高，冷凝温度也越高，压缩机排气温度也越高，所以隔膜压力表表面温度也越高。

 

 

从图5和图6可以看出除霜开始时，压缩机的吸气压力有一个迅速增大后迅速降低的过程，随后压缩机吸气压力慢慢增大，#后达到稳定。其原因主要是除霜开始时，由于四通换向阀换向，隔膜压力表与排气管道相连。由于排气管道内是高温高压的制冷剂蒸汽，隔膜压力表内的低温低压的制冷剂蒸汽与排气管内的高温高压的制冷剂蒸汽混合后，压力迅速增加，因此压缩机吸气压力有一个迅速升高的过程。但随着压缩机的启动后，系统建立新的高压和低压，压缩机的吸气压力迅速降低，所以除霜开始时，压缩机吸气压力有一个迅速增大后又迅速降低的过程。随着除霜过程的进行，霜层逐渐减少，因此压缩机吸气压力有一个缓慢增加的过程，#后隔膜压力表表面霜层全部除完，压缩机吸气压力达到稳定，除霜结束。从图5可以看出在进风温度不变的情况下，相对湿度越大，压缩机吸气压力越大。当进风空气温度为-5 ℃时，进风空气相对湿度为90%时比75%时压缩机吸气压力要提高27.8%左右。从图6可以看出，在进风相对湿度不变的情况下，进风温度越高，压缩机吸气压力越大。当进风相对湿度为75%时，进风空气温度为0 ℃时压缩机吸气压力比-8 ℃时的压缩机吸气压力大约提高76.5%。

图7为除霜时间随进风温度的变化情况。从图中可以看出，除霜时间随着进风温度的增加而减少，当进风空气相对湿度为75%时，进风空气温度为3 ℃时除霜时间比-8 ℃时减少37.8%。其原因主要是，随着进风温度的增加，除霜时压缩机排气温度也越高，因此隔膜压力表管壁温度也越高，放热量也越大，所以除霜时间就越短。从图中还可以看出除霜时间随着进风相对湿度的增加而减少，当进风空气温度为-5 ℃时，进风相对湿度为90%时除霜时间比75%时减少16.2%。原因可能是随着相对湿度的增大，霜的密度越小，霜的质量也越小，除霜需要消耗的热量也越少，因此除霜的时间也越短。图8为除霜时压缩机耗功随进风温度的变化情况，从图中可以看出，除霜时压缩机耗功随着进风温度的变化基本呈线性关系，而且随着温度的增加而减少，当相对湿度为75%时，进风空气温度为-8℃时的压缩机除霜耗功比3 ℃时要增加2.38倍；而且随着相对湿度的增大，压缩机耗功随温度变化的曲线斜率也变小。从图中还可以看出压缩机耗功也随着相对湿度的增大而减少，当进风空气温度为-8 ℃时，进风空气相对湿度为75%时压缩机耗功比90%时要提高59.4%左右；当进风空气温度为3 ℃时，进风空气相对湿度为75%时压缩机耗功比90%时要提高28.8%左右，随着进风空气温度的升高，随着相对湿度的增大压缩机耗功减小幅度呈下降趋势。

 

 

图9为除霜过程中吸热量随进风温度的变化情况，从图中可以看出除霜吸热量随着进风相对湿度和进风温度的增加反而减少，当相对湿度为75%时，进风空气温度为-8 ℃时的除霜吸热量比3 ℃时的要增加2.3倍。而且进风空气温度越低，空气相对湿度对除霜吸热量的影响越大。其原因可能是霜层密度随着进风温度和进风相对湿度的增加反而减少，因此在厚度相同的情况下隔膜压力表表面的结霜量也随着进风相对湿度和进风温度的增加而减少，因此化霜的热量也随之减少，所以除霜吸热量也随着进风温度和进风相对湿度的增加减少。

3 结论

(1) 除霜开始后隔膜压力表的管壁温度有一个急剧上升的过程，随后管壁温度缓慢增加，#后达到稳定；而压缩机的吸气压力有一个迅速增大后迅速降低的过程，随后压缩机吸气压力慢慢增大，#后达到稳定。

(2) 压缩机吸气压力和隔膜压力表管壁温度随着进风温度和相对湿度的增大而增大，除霜时间、除霜时压缩机耗功和除霜吸热量随着进风温度和进风相对湿度的增加而减少。