热泵节能技术的界面渐进冷冻试验

　　1界面渐进冷冻系统试验装置

　　1.1试验装置在本系统建设过程中，发现原系统方案中的普通四通阀工作时会出现换向异常的情况。原因是本系统工作时高低压力差较小，不足以克服主滑阀移动时的摩擦阻力，导致主滑阀处于中间位置状态，从而造成四通阀换向异常。因此，将原系统改进为采用两台压缩机的热泵系统，省略了四通阀，并在每个压缩机吸气侧增加一个电磁阀，以防止一台压缩机工作时的排气对另一台造成影响。

　　改进后的界面渐进冷冻系统主要设有3台压缩机，2个结冰水箱，节流部件等。系统装置图如图1所示，3台压缩机分别构成3套热泵系统。系统中的压第2期韩强，等：界面渐进结冰融冰过程的试验研究缩机为上海日立电器有限公司（HIGHLY）生产的SHW33TC4-U型压缩机，功率分别为15，075，075 kW，使用R22作为制冷剂。

　　1）辅助制冷系统制冷剂从高位结冰水箱中吸收热量，高位结冰水箱中的直光管换热器表面结冰，吸收热量后的制冷剂气体经压缩机压缩后进入室外冷凝器放出热量后经储液器，干燥过滤器，电磁阀后进入节流阀节流，*后进入高位结冰水箱。

　　2）热泵循环1制冷剂从低位结冰水箱中吸收热量，低位结冰水箱中的直光管换热器表面结冰，吸收热量后的制冷剂气体经压缩机压缩后进入高位结冰水箱放出热量后经单向阀，电磁阀，储液器，干燥过滤器，单向阀后进入节流阀节流，*后进入低位结冰水箱。

　　3）热泵循环2制冷剂从高位结冰水箱中吸收热量，高位结冰水箱中的直光管换热器表面结冰，吸收热量后的制冷剂气体经压缩机压缩后进入低位结冰水箱放出热量后经单向阀，储液器，干燥过滤器，电磁阀，单向阀后进入节流阀节流，*后进入高位结冰水箱。

　　1.2界面渐进冷冻系统工作过程1）系统启动时，先将原料溶液加入高位结冰水箱，打开辅助制冷系统，通过该系统的蒸发器将高位结冰水箱内形成冰层，待冰层达到一定厚度后，关闭辅助制冷系统，打开高位结冰水箱的浓溶液排放阀，让未结冰的浓溶液靠重力作用从高位结冰水箱自动流入低位结冰水箱。

　　2）待浓溶液流完后，启动冰层喷淋洗涤系统，用少量水将冰层表面的溶质去除，待冲洗液全部流出高位结冰水箱，排放到低位结冰水箱后，关闭高位结冰水箱的浓溶液排放阀，启动热泵循环1，该系统将从流入到低位结冰水箱的浓溶液中吸收热量，使其形成冰层而实现进一步浓缩，同时将获得的热量送到高位结冰水箱的换热器中，使高位结冰水箱的冰层融化，形成融化水。

　　3）待高位结冰水箱的冰层全部融化后，关闭热泵循环子系统，同时打开高位结冰水箱的融化水阀，低位结冰水箱的浓溶液排放阀，融化水流入融化水箱，浓溶液排到浓溶液箱。

　　4）待低位结冰水箱的浓溶液流完后，启动冰层洗涤子系统，用少量水将冰层表面的溶质冲洗干净，待冲洗液全部流出低位结冰水箱，排放到浓溶液箱后，关闭高位结冰水箱的融化水阀及低位结冰水箱的浓溶液排放阀。

　　5）打开进料溶液泵，进料溶液经浓溶液箱和融化水箱吸收浓溶液与融化水的冷量，实现预冷后进入高位结冰水箱，达到要求的液位高度后，关闭进料溶液泵，启动热泵循环2，高位结冰水箱内的换热器转变为热泵系统的蒸发器，从高位结冰水箱的溶液中吸收热量从而形成冰层，同时，低位结冰水箱内的换热器作为热泵系统的冷凝器，将热量传递给低位结冰水箱的冰层，使其融化产生融化水。

　　6）在低位结冰水箱的冰层全部融化后，关闭热泵循环2，打开低位结冰水箱的融化水排放阀，让融化水从低位结冰水箱流入融化水箱。

　　7）低位结冰水箱的融化水全部流出后，关闭融化水排放阀，打开高位水箱的浓溶液排放阀，让未结冰的浓溶液靠重力作用从高位结冰水箱自动流入低位结冰水箱。

　　8）待浓溶液流完后，启动冰层洗涤子系统，用少量水将高位结冰水箱冰层表面的溶质去除，冲洗液全部流出高位水箱后，关闭高位水箱的浓溶液排放阀，启动热泵循环1，该系统将从低位结冰水箱的浓溶液中吸收热量，从而形成冰层，同时将获得的热量送到高位结冰水箱的换热器，使高位结冰水箱的冰层融化，形成融化水，如此循环往复。

　　2试验数据处理与分析本界面渐进冷冻系统试验条件：溶液初始温度5，实验装置所处环境温度8.试验中，测试温度参数采用铂电阻和国家二级标准水银温度计；冰层厚度由游标卡尺测量；蒸发，冷凝压力由压力表测量。所有试验仪器，仪表在测定前均经过标定，以保证测量数据的准确性。

　　2.1辅助制冷系统通过3组试验得到的辅助制冷系统性能曲线。

　　可知，系统运行5min后，高位结冰水箱内水溶液开始结冰，随着冰层在换热管上的生成并成长，在固液相界面，溶质从固相测被排除到液相测。开始结冰时，由于换热热阻较小，由于冰层厚度小，换热热阻小，故系统COP较大，为5；随着冰层厚度增加，换热热阻增大，系统COP迅速降低，系统运行20min后，COP缓慢降低；系统运行到40min后，COP再次迅速降低到2.辅助制冷系统平均COP为35.可知，辅助制冷系统开始结冰时，由于换热热阻较小，结冰速率较快；随着冰层变厚，换热热阻增加，结冰速率迅速降低；当结冰厚度达到35mm左右后，结冰速率缓慢降低；当结冰厚度达到5mm左右后，结冰速率再次迅速降低。

　　可知，相同时刻结冰厚度相差很小，试验数据重复性良好，验证了辅助制冷系统的可靠性。

　　2.2热泵循环1）通过3组试验得到的热泵循环1性能曲线。

　　可知，热泵循环1运行5min后，低位结冰水箱沿换热管表面开始生成冰层，高位结冰水箱内换热管上的冰层开始融化。在低位结冰水箱内，开始结冰时，由于换热热阻较小，结冰速率较快，系统COP较大，为95，随着冰层变厚，换热热阻增加，系统COP迅速降低到7；系统运行30min后，COP缓慢降低；系统运行到70min后，COP再次迅速降低到5.热泵循环一平均COP为62.可知，热泵循环1开始结冰时，由于换热热阻较小，结冰速率较快；随着冰层变厚，换热热阻增加，结冰速率迅速降低；当结冰厚度达到35mm左右后，结冰速率缓慢降低；当结冰厚度达到5mm左右后，结冰速率再次迅速降低。

　　可知，热泵循环1相同时刻结冰厚度，COP，结冰速率相差很小，验证了热泵循环1的可靠性。

　　2）热泵循环1系统运行时压力变化曲线见；实际COP与卡诺循环COP比较见。

　　可知，热泵循环COP与卡诺循环COP循环相差较大，原因是本系统采用了普通压缩机，因此在低压比运行时效率较低。而热泵循环COP约为辅助制冷系统COP的2倍，原因是本系统将蒸发器，冷凝器与界面渐进冷冻系统有机结合起来，实现蒸发器与冷凝器的功能互换，既去除固体壁面冰层，且回收利用了冰层融化过程中放出的冷量，大幅度降低了冷冻浓缩过程的能耗。

　　系统换热管表面融冰时，由于热量从管内向外传递，因此内侧冰层先融化，融化水沿冰层内侧形成的槽道缓慢流出；系统运行20min后，冰层内侧形成的槽道已经非常明显，部分融化较快的冰层已经从换热管脱落；此时系统高压开始显着升高，需要启动冰层洗涤喷淋系统，一方面加速冰层融化，另一方面为冰层脱落后的换热管提供冷量。

　　热泵循环2与热泵循环1性能相似，在此不再赘述。

　　2.3误差分析本系统中的误差主要由压缩机产生，原因是本系统采用了普通压缩机，因此在低压比运行时效率较低，如采用特殊设计的在低压比下高效运行的压缩机，系统的性能系数将会大幅提高。

　　3结论

　　本文提出了一种应用热泵节能技术的界面渐进冷冻试验系统，试验数据重复性良好，验证了所建试验系统的可靠性。通过试验研究得出以下结论：

　　1）系统开始结冰时，由于热阻较小，系统COP较大，结冰速率较大；随着热阻增加，COP迅速减小，结冰速率迅速降低；当冰层厚度到一定程度时，COP和结冰速率变化趋于平缓；当冰层厚度再次增加时，COP和结冰速率再次迅速降低。

　　2）采用特殊设计的在低压比下高效运行的压缩机，能够大幅提高系统的性能系数。

　　3）增加管排密度，减小结冰厚度或采用带肋片的换热器，能够显着提高系统的性能系数。

　　4）冰层洗涤喷淋系统能够较大幅度地提高系统的性能系数。