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基于碳纖維材料的太陽能空氣源熱泵室外機除霜裝置的研究
2019年06月05日 10:49         所屬學院: []          點擊:


湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃

項  目  申  報 

 

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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

賀晨波

201526060314

建筑環境與能源應用工程

2015

張末

201526060111

建筑環境與能源應用工程

2015

楊歸

201526060208

建筑環境與能源應用工程

2015

李宇同

201526060214

建筑環境與能源應用工程

2015

指導教師

傅俊萍

職稱

教授

項目所屬

一級學科

動力工程及工程熱物理

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

賀晨波 獲得    

全國大學生節能減排科技與社會實踐競賽國家二等獎

美國大學生數學建模競賽(MCM/ICM)Honorable Mention獎

全國大學生數學建模競賽湖南賽區一等獎

全國大學生英語競賽國家三等獎

挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽校內選拔賽三等獎

互聯網+大學生創新創業大賽校內選拔賽三等獎

張末 獲得  

全國大學生英語競賽國家一等獎

指導教師承擔科研課題情況

1、太陽能誘導自然通風在建筑中的應用研究.湖南省建設廳科技項目.(項目主持人)

2、地源熱泵埋管高效換熱技術研究.湖南省科技廳計劃項目.(項目主持人)

3、直聯爐罩式(36.5+6.5)t/h余熱鍋爐CFD數值模擬及軟件開發. 中冶長天責任有限公司(項目主持人)

4、長沙市新能源與可再生能源利用服務平臺及監管體系的研究與建設.長沙市能源局 (熱泵技術研究中心項目主持人)

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

1、研究目的

空氣源熱泵在冬季制熱工況下運行時,蒸發器將從室外空氣中吸收熱量,當其表面的空氣溫度低至0℃時會出現結霜現象,蒸發器表面結霜會使其傳熱效率降低并使運行時的能耗增高,因此需要除霜裝置除去霜層以提高空氣源熱泵的性能。但是傳統的空氣源熱泵室外機除霜裝置存在耗能量高、制造難度大、可靠性低等問題,而本研究項目致力于設計一種節能環保、安裝容易安全可靠的空氣源熱泵室外機除霜裝置。

2、研究的內容

本項目旨在研究一種碳纖維電熱膜的太陽能空氣源熱泵除霜裝置,此裝置利用太陽能光伏電池發電,并將電能儲存至蓄電池中以保證供電的可靠性,并利用單片機設計的控制系統來協調各個部件的運行工作,當蒸發器表面結霜時,鋪設在空氣源熱泵室外機翅片換熱器上的碳纖維電熱膜開始工作,將蓄電池中的電能轉化為熱能,從而達到除霜的效果。

本項目的主要研究內容為

1)通過理論分析和研究在不同室內外環境下,空氣源熱泵冷凝器的結霜特點,并確定除霜所需熱量,同時考慮熱電轉換效率,以確定太陽能板的尺寸和蓄電池的容量;

2)通過實驗,研究碳纖維加熱膜除霜傳熱和傳熱性能以確定其在蒸發器上的最佳安裝方式;

3)研究并設計利用太陽能和碳纖維除霜系統和裝置,并通過實驗不斷調整設計方案,使此控制系統裝置最終達到預期的效果

3、要解決的主要問題

1)確定太陽能板的尺寸和蓄電池的容量;

2)要解決碳纖維與冷凝器的安裝問題,以達到高效傳熱的目的

(3)確定利用碳纖維和太陽能的除霜方案

(4)根據研究結果,設計一種“基于碳纖維材料的太陽能空氣源熱泵室外機

霜裝置”的系統和控制方案。

國內外研究現狀和發展動態

 經參考文獻,現在國內外研究的空氣源熱泵室外機除霜方法有如下幾種:

1、熱力除霜法

1)電熱除霜法

直接利用電能產生熱能進行除霜,該方法把電阻式加熱元器件安裝在室外翅片管換熱器上,一般適用于小型家用空調器;電加熱元器件有三種布置方式:一是電加熱器件放置在換熱器端部。二是將電加熱管與換熱工質管間隔布置做成一體化結構。三是將電加熱管放置在換熱工質管中。

電熱除霜法可靠性高,除霜系統與制熱系統相對獨立,除霜能力不受機組制性能和運行環境的限制。但其缺點也顯而易見,耗電量大,且僅有15%~25%的能量被用于融霜。該方法在早期的小型熱泵上使用較多,目前在實際中已較少應用,但仍可作為輔助除霜方法出現,以保證機組在惡劣環境條件下能正常使用。

(2)熱氣除霜法

逆循環除霜

通過四通換向閥的切換改變制冷劑的流向,使蒸發器和冷凝器的作用交換,制冷劑在管內的放熱使霜層融化;其融霜熱量的主要來源是室內空氣和壓縮機做功。逆循環除霜雖然能有效地進行除霜,但是其除霜時需要從室內吸取熱量,在除霜完畢切換回制熱模式后長時間無法供熱,造成室內環境溫度波動比較大,從而導致熱舒適性比較差。另外且四通換向閥切換時噪音較大,會對系統的管路和設備造成一定的沖擊,影響機組的使用壽命和可靠性。

熱氣旁通除霜

熱氣旁通除霜法是將在壓縮機排氣管和室外翅片管換熱器入口管路間增加一個旁通管路。除霜時,打開旁通電磁閥,直接將壓縮機的高溫排氣直接引入到室外換熱器中,通過壓縮機排氣的熱量將室外換熱器的霜層融化,其融霜的熱量來源于壓縮機耗功和壓縮機殼體的蓄熱。

    與逆循環除霜相比,熱氣旁通除霜具有很多優點:除霜過程中房間溫度波動小,約是逆循環除霜的1/53/10,熱舒適性較好;除霜過程和切換時,系統壓力變化平穩,造成的機械沖擊比較小;室內換熱器的表面溫度基本未下降,恢復制熱后馬上吹出熱風;啟動和終止除霜時,不會產生四通閥換向的氣流噪聲等。

蓄能除霜法

將具有合適融化溫度的材料蓄能罐與空氣源熱泵機組相連接,利用蓄熱裝置的特性將除霜工作中產生的熱損失補償回來。當空氣源熱泵處于供熱運行狀態時,機組會持續向空調系統提供熱源,同時也會向蓄熱裝置提供熱源,而當空氣源熱泵切換至除霜工作模式時,蓄熱裝置會在短時間內迅速向室內釋放熱量,同時還會為除霜系統提供充足的熱量以融化室外換熱器上的凝霜。

同逆循環除霜相比,蓄能除霜系統的除霜時間大幅減小,而且在除霜時系統的吸排壓力明顯高于逆循環除霜系統,有效避免了系統由于低壓保護而停機。在保證室內送風溫度的同時還有小縮減了除霜系統工作的時間,降低了機組除霜的頻率并極大的提高了除霜的工作效率,有效解決了空氣源熱泵冬季結霜的問題,且在一定程度上減少了除霜系統在工作過程中的能源消耗。

2、非熱力除霜法

(1)高壓電場除霜法

主要是利用霜晶在電場中受力后的不穩定性來完成除霜的;在電場的作用下,電極間的氣體會發生微放電現象,由此產生的電荷將被運輸到霜晶表面上積累起來,積累的電荷將建立一個與外加電場方向相反的電場,使得霜晶所受電場力總是使其具有離開冷表面的不穩定性。由于霜晶破碎具有某一固有頻率,這一頻率與霜晶的形狀、高度有直接的關系。因此,當施加的交流電場頻率等于或接近霜晶不穩定頻率時,霜晶就會破碎掉落,離開冷表面,從而達到除霜的目的。

雖然交流高壓電除霜法效率提升很大,但目前此項研究僅限于實驗室內,應用于空氣源熱泵冷熱水機組時,高壓放電設備的功率問題,電極材料的絕緣性問題、制熱除霜的匹配控制問題以及除霜不盡等問題仍需進一步研究。

(2)超聲波除霜法

主要是利用霜晶體和超聲波的共振效應完成的。翅片管蒸發器在高頻受迫振動下,其結霜部位激發的剪切應力值遠大于結霜的粘附應力,并且在霜晶根部激發的彎矩可將部分霜晶體從根部折斷。

超聲波除霜能耗是傳統逆循環除霜技術能耗的1/88~1/22,除霜效率是逆循環除霜效率的7~29倍,系統的COP提高6.51~15.33%。雖然超聲波除霜技術可以大大降低除霜能耗,但由于空氣源熱泵在結霜時,通過會經過以下過程:冷凝水滴→冰層→霜晶→霜枝→霜層,所以在熱泵翅片管換熱器表面形成的霜層其根部通過存在一層薄的基冰層。因此不能完全除盡霜層。

參考文獻

[1] 李玲,王景剛,鮑玲玲,等.空氣源熱泵除霜研究新進展[J].節能, 2017, (1): 73-76

[2] 曲明璐,余倩,李封澍,等.空氣源熱泵除霜問題的研究現狀及進展[J].建筑節能, 2016, (8): 1-5

[3] 孫家正.空氣源熱泵除霜方法的研究現狀及展望[J].建筑熱能通風空調, 2017, 36(8): 43-46

[4] 閆麗紅,王景剛,鮑玲玲,等.低溫空氣源熱泵研究新進展[J].建筑節能,2016,(8):2224.

[5] Minglu Qu, Liang Xia, Shirring Deng, etal. An experimental investigation on reverse-cycle defrosting performance for an air source heat pump using an electronic expansion valve[J].AppliedEnergy, 2012(97): 327-333.

[6] 賴想球,張桃.熱氣旁通除霜在變頻熱泵空調機的應用研究[J].制冷與空調,2017,17(06):24-27

[7] 楊超,蘇余昌,遲婷,等.空氣源熱泵相變蓄能除霜方式的實驗研究[J].山西建筑,2014,40(12):140-142.

[8] Haihui Tan, Guanghua Xu, Tangfei Tao. Investigation on the Ultrasonic propagation mechanism and its application on air source heat pump defrosting[J].Applied Thermal Engineering,2016,107: 479-492.

[9] Haihui Tan, Guanghua Xua, Tangfei Tao. Experimental investigation on the defrosting performance of a finned tube evaporator using intermittent ultrasonic vibration[J].Applied Energy, 2015,158: 2200232.

[10] 李寧,石文星,王寶龍,等.廣義空氣源熱泵制熱/除霜周期的性能模型[J].制冷學報,2015,(2):1-7.

[11] 郭憲民.空氣源熱泵結霜問題的研究現狀及進展[J].制冷與空調,2009,(2):16.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

1、有關的研究積累

1)發現采用太陽能供電的方式相比較采用其他能源更加節能、環保,并且太陽能板在發電過程中不會對空氣源熱泵的散熱情況產生影響,從而影響空氣源熱泵的性能;

2)發現采用碳纖維電熱膜除霜效果相比較其他電加熱材料更加顯著,不會對空氣源熱泵室外機翅片管的散熱性能產生影響,并且布置更加簡單。

2、已取得的成績

已申請實用新型專利一項“一種新型空氣源熱泵室外機除霜裝置

項目的創新點和特色

1、利用了碳纖維電熱膜除霜進行除霜因為碳纖維材料具有良好的熱電轉換性、抗腐蝕性、導熱性等,在提了系統的簡易程度的同時,也不會對夏季空調使用時的散熱產生較大影響;

2、利用了太陽能光伏電池板進行光電轉換獲取電能,并設蓄電裝置,保證空氣源熱泵室外機除霜裝置在工作條件下有足夠的供電能源,并且利用太陽能裝置融霜耗能少,具有顯著的節能效果。

項目的技術路線及預期成果

1、技術路線

圖1 工作原理流程圖

如圖1所示,基于碳纖維材料的太陽能空氣源熱泵室外機除霜裝置由微控制器、溫濕度傳感器、存儲器、太陽能板、恒流充電器、電池組、DC變換器和碳纖維加熱膜組成。微控制器首先通過濕度傳感器獲取當前空氣的濕度,通過溫度傳感器獲取碳纖維加熱膜的溫度,然后從存儲器中查詢獲取在當前的溫濕度條件下,碳纖維加熱膜加熱功率,最后控制DC變換器輸出電流,控制碳纖維膜的加熱功率,以達到高效除霜的目的。同時,為了充分利用太陽能,該裝置采用恒流充電器對電池組進行充電。該裝置充分利用覆霜規律和太陽能,達到高效除霜的目的。

圖2太陽能空氣源熱泵除霜裝置內部示意圖

圖3太陽能空氣源熱泵除霜裝置放大示意圖

①太陽能光伏電池板;②儲能裝置;③導線;④控制盒;⑤碳纖維加熱膜;

⑥溫度傳感器;⑦濕度傳感器

年度目標和工作內容(分年度寫)

1、2018年3月,查閱資料對除霜裝置的可行性進行分析及論證,并確定實驗方案;

2、2018年4月,利用Solidworks軟件空氣源熱泵室外機除霜裝置的結構進行設計,并做出三維模型圖;

3、2018年5月,利用單片機設計空氣源熱泵室外機除霜裝置自動控制部分的電路圖;

4、2018年6月—7月,搭建空氣源熱泵室外機除霜實驗系統;

5、2018年8月—9月,進行實驗研究,并且測得除霜的相關數據,驗證該方法的合理性并測試產品的實際效果,并對設備穩定性進行完善優化;
    6、2018年10月,對整個實驗項目過程中的實驗測量參數、實驗處理數據、實驗分析結果等進行整合分析,并完成結題報告。

指導教師意見

空調熱泵的冷凝器冬季結霜問題一直是影響熱泵正常舒適運行的一個主要問題。該項目的研究成果將具有較大的使用價值,并且市場前景好。項目研究內容明確,研究思路清晰可行,建議立項。

 

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