【暖通课堂】采用天然制冷剂的热气除霜技术介绍

采用天然制冷剂的热气除霜技术介绍

工业制冷领域中广泛采用天然工质作为制冷剂，首先是氨，近期则越来越多地采用二氧化碳。对于制冷系统的操作人员而言，如何实现能源的高效利用以及操作的有效性变得至关重要。本文从热气和冲霜排液方面对不同的热气融霜控制方式进行了比较，包括融霜效率和融霜速度主要参数等的分析，其中融霜速度是影响制冷系统生产效率的一个关键因素。同时，还对改进热气融霜系统的几种控制方式给出了建议。
介绍
就冷风机而言，融霜是件不可避免的“麻烦事”。在冷风机上凝结的霜会对其效率造成很大的影响，甚至可以完全阻隔空气流动，造成冷风机失效。热气除霜对系统具有一些负面的影响，例如需要压缩机做额外的功来融化在蒸发器翅片和管路中凝结的霜/冰层。这些额外的能耗有一部分转化为热量加热了冷风机并且进一步散发到冷藏室中使室温上升，这些热量都需要在后续的制冷中加以去除。此外，用于除霜的时间将占用系统可以用于制冷的时间，这对像食品加工行业这样其生产率易受除 霜时间限制的行业具有很大的影响。另外，其他的影响 虽然并不明显，但也值得我们知晓和关注。例如制冷部件将因此承受相应的机械应力。实际应用中可以发现在蒸发器附近许多的阀件和控制产品都出现了不同程度的 损坏，其原因可以归咎为阀件选型及设置的不正确。
　　机械应力主要来源于冷凝器侧的高制冷剂压力，高排气温度以及高压差。当以上因素综合起来的时候，所造成的破坏力是十分严重的。今天我们可以很普遍地看到采用二氧化碳作为低温侧的冷媒，同时采用二氧化碳热气进行融霜。这时的工况相比氨而言要更加复杂，因为其压力等级及压差都要比氨系统高的多，因此一些用户会避免选择二氧化碳的热气融霜，而是采用电融霜或盐水融霜等其他方式。
　　热气融霜是一种最高效的蒸发器融霜方式(Pearson，2006)。由于目前对于节能的关注愈发明显，采用一种快捷、高效的融霜方式对于制冷系统的总体能耗水平而言至关重要。在绝大多数的案例中，可以明显的看出热气融霜较其他融霜方式(如盐水融霜)的效果要好得多。本文则是主要介绍热气融霜系统中的阀件选用及控 制方式的优化。

融霜效率的考虑

这里有一些关于制冷系统热气融霜机理和效率的研究内容，其关键点大致可以汇总为：
　　1、热气融霜压力。一个普遍的误解是较高的融霜温度带来较好的融霜效果。但实际上一些研究表明(Stoecker，1983)低压及低温气体一样可以实现较好的融霜效果。这里可以归结为最合适的压力及温度带来最佳的融霜效率(Hoffenbecker，2005)。
　　2、热气融霜的时间。在工业制冷领域，典型的融霜时间设置是根据系统初始调试/运行时的情况来设定的。这就带来一个问题：是否有足够的除霜时间?这就可能带来融霜效果不良的问题。另一个严重影响热气融霜效率的问题就是融霜时未冷凝的蒸气直接流过融霜压力调节阀。这里产生的蒸气需要被再次压缩，同时这也造成热气融霜时向蒸发器提供 过多的热气。流过的蒸气数量取决于冲霜排液管路上的控制方式，压力控制或液位控制。
　　3、研究表明，热气融霜实际的能量消耗大致是融霜所需热量的两倍(Stoeker，1983)，多余出的热量将被用于加热冷藏室、蒸发器、管路以及水盘。
　　4、最后，需注意融 霜的过程大 致如下：冰层首先在盘管上融化，然后落到水盘内，最后完全融化掉。这里的关键点是融霜的过程是按照相应顺序进行的，刚开始盘管上的融霜所需热量较高，随后在水盘上的热量需求将上升。
　　5、当热气融霜开始时，制冷剂的涌入可能会造成液锤现象，特别是当蒸发器中的液态制冷剂未被排净时。这一问题也会出现在热气供应管路中存在积液的地方，这时积液在热气的推动下具有液锤的危险或者气体制冷剂具有发生内爆的风险。
热气融霜控制阀组
图示1展示了一个典型的采用热气除霜的工业制冷蒸发器。其中的控制阀件可以分为四组：
　　1.蒸发器采用泵供液方式。阀组按顺序包括：截止阀、过滤器、电磁阀、止回阀、调节阀和截止阀。
　　2.热气供应管路。典型配置有：截止阀、过滤器、另一个电磁阀及截止阀。
　　3.冲霜排液管路。这里我们既可以采用压力控制阀也可以采用浮球阀进行排液。我们将在稍后介绍这两种完全不同的排液方案。
　　4.湿回气管路。此管路上需要一个电磁阀以及截止阀。
　　融霜的过程可以分为四个步骤。首先，关闭蒸发器的供液。但蒸发器的风机还将工作一段时间，吸气管路的阀门将保持打开状态以确保剩余的液态制冷剂继续蒸发完毕。第二步，关闭吸气管路的阀门和蒸发器的风机，将热气电磁阀打开，对蒸发器供应热气。第三步，当融霜结束时，热气电磁阀关闭，开启吸气管路的阀门。最后，再次打开供液管路，等待蒸发器翅片上的水珠凝固后，再打开风机。
　　需要高度注意的是热气融霜过程中应避免压力/温度对系统的不利影响，以及在融霜开始时由于蒸发器中压力上升缓慢或者除霜 结束时压力下降缓慢 所带来的系统效率较低。故上述提及的热气电磁阀和主吸气管路阀门的选择对系统安全和效率至关重要。
　　考虑到上述融霜中的效率问题，需要注意的是，二氧化碳的融霜难度更大，因此在二氧化碳系统中热气融霜时需要采用更加保守的配置方式。
传统的热气融霜控制调组

供液管路

　　供液管路对热气融霜的影响最小。这里应考虑到有多少液体制冷剂被供应到了蒸发器中。一旦采用PWM(脉冲调节)的控制策略，制冷剂的供液量将相应下降，使得除去蒸发器中残存液体制冷剂所需的时间降低，预期的结冰量也将相应减少。该现象是由于采用脉冲开关控制后蒸发器后表面的换热温差下降了。
热气管路

　　最常见的对蒸发器供应热气的方式为采用常规的电磁阀。对于二氧化碳系统而言，也可以采用电动阀和电动球阀。在高压力和高压差的系统环境下，二氧化碳系统较氨系统更易出现液锤风险。很显然，采用电动阀的缺点是设置的复杂性上升，同时包含电动阀的阀组成本较常规方案也要高一些。
　　另外，对于电动球阀来讲，至关重要的是其开启的速度应设定在相应较慢的水平。采用两个电磁阀的解决方案，其中一个可提供热气融霜的全部容量，另一个的容量则是第一个的10-20%，二者采用并联方式，这是一种成本和效率上更好的解决方案。小电磁阀先对蒸发器供应热气，提升蒸发器及供气管路中的压力。然后大电磁阀启动，开始进行融霜。此方案已在许多融霜系统中成功应用。
　　在热气融霜系统中采用电动阀的优势是可以实现热气供应的智能控制。这里包括融霜系统开启和关闭的缓慢操作(或对启闭速度进行调节)。在某些不以时间来进行控制而是采用其他控制方式(例如表面温度控制)的除霜操作中，采用电动阀进行热气供 应是很好的选择。
　　最后，为了限制热气压力/融霜 温度并实现最佳的融霜效率，可以安装一个出口压力调节阀。对于一组蒸发器而言，如果它们共用一根热气管路，那么只需要在该热气管路上安装一个出口压力调节阀即可。在选型上，必须确保该出口压力调节阀能够保证同时进行除霜的所有蒸发器具有足够的热气供应。
排液管路

　　在采用热气融霜方案的蒸发器冲霜排液管路上，可以采用多种不同的控制方式。压差调节阀在这里应用是很常见的，此外也可以用压力调节阀或浮球阀来实现排液功能。如我们所讨论，浮球阀用于热气融霜排液控制的效率最高效。在冲霜排液管中，浮球阀与热气管路上的出口压力调节阀匹配是最值得推荐的，此解决方案可保证融霜压力一直处于最佳水平。
　　当然，在冲霜排液管上安装浮球阀也有一定的缺点。首先，成本会相应较高。此时可考虑在多个蒸发器共用的冲霜排液管上设置一个共同的浮球阀。其次，对于诸如二氧化碳这样的高压制冷剂，相应的浮球阀很难采购到，这样就会给设计和选用带来不小的难度。这里的替代方案可选用蒸汽疏水阀，这是应用于其他行业的控制元件，可以承受较高的压力。虽然这一解决方案的应用在逐步增加，但本文将不对这一元件做过多的阐述。需要注意的是在选用浮球阀时的各个注意事项同样也适用于疏液阀。

湿回气管路

　　在湿回供液管路上的控制阀类型为电磁阀，气动电磁阀(此二类阀件必须配置一个旁通阀来避免融霜后可能产生的液击现象)，两步开启式气动电磁阀，电动阀或是电动球阀。在此种应用中推荐选用两步开启式气动电磁阀或者电动阀。一方面它们可有效防护液击，这得益于它们的两步式开启功能，可实现操作过程中缓慢的开启。另一方面则是它们在制冷循环过程中所带来的压降相对较小，这对低温系统尤为重要。对于两步式气动阀而言，另一个优势则是它不需要额外的设置。当阀门两端的压差下降到特定值后，可以自动进行第二步开启。电动阀则需要在速度上进行调节，但不需要来自于热气管路的额外动力。电动阀在二氧化碳系统中很受欢迎，它们可以承受高压力的工况。带旁通电磁阀的电动球阀方案近期也得到了不少的应用，其优势是制冷循环中的压降较小。当然其阀杆处的泄漏风险也值得引起我们的关注。

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