關于翅片管式換熱器制冷劑流路及配管方式對除霜效果的影響研究

1 前言

目前，在家用空調產品開發過程中，熱泵空調經常出現制熱除霜不徹底的情況。除霜不徹底，會直接影響到空調器的制熱性能，而且隨著運行時間的加長，未除徹底的余霜會累積成冰，余霜未化區域會逐漸越大，從而嚴重影響制熱效果。因此，在開發過程中，如何保證熱泵空調制熱時穩定可靠運行，是開發的一個重要環節。

2 除霜效果影響因素理論及實驗分析

2.1換熱器制冷劑流路對除霜效果的影響

受外側換熱器結構影響，在除霜過程中，翅片上的霜融化成水后，在重力作用下，自上而下流動，再經導水機構排走。因此開始除霜以后，換熱器上側的積霜通常除得較快，受上側水流經過的影響，換熱器下側的部分熱量會被水流吸收帶走，從而使得換熱器下側除霜所需時間變長。如圖一所示，換熱器下部(圖示7、8及其以下部分)除霜所需時間較長。特別對于4P、5P的家用高效機，室外機換熱器高度大，水流對除霜的影響更為明顯。

某家用熱泵空調器在開發過程中，自動除霜(20／12，2／1)工況運行時，圖一所示7、8附近有霜不能化完。通過測試此點溫度，發現除霜結束時7點溫度為－0.3℃，8點溫度為－1.2℃，均低于冰的熔化點，測試數據見表一。結合冷凝器的分路，分析其原因為，制熱運行結束進入除霜以后，冷媒從1進5出，2進6出，3進7出，4進8出(9、10所示為過冷管進出位置)，根據冷媒流動特性，各支路冷媒沿流動方向壓力、溫度逐漸下降，并且與積霜產生熱交換，在圖一所示5、6、7、8點處溫度達到最低，同時進一步受到換熱器上部水流經過的影響，7、8點在除霜結束時溫度最低。需要提高此處溫度，才能徹底解決問題。考慮到7、8點“緊排”在一起，溫度最低，且溫升速度慢。因此通過調整換熱器的走管方式，采用圖二所示流路，利用銅管和鋁箔“復熱”傳熱的特點，將7、8間隔分布，再次進行實驗，除霜結束時，此處溫度明顯升高，除霜干凈完全，測試數據見表一。

2.2換熱器冷媒分氣方式對除霜效果的影響

在家用空調器中，由壓縮機排出的高壓氣體，通常會采用“并聯”方式，分為多條支路，同時在外側換熱

器中進行熱交換。由于結構限制原因，冷媒通常從換熱器的上部導入，由上向下依次分流給各條支路，如圖三示。某家用熱泵空調器開發過程中，采用圖三流路在低溫制熱工況(20／15，－7℃／RH80％)運行時，除霜完成后，位置16處有霜不能化完。

通過對各支路布溫度點進行測試，進入化霜4分鐘以后，各支路進口溫度相差最大11.6℃(1點溫度為13℃，8點溫度為1.4℃)，出口溫度相差最大3.3℃(9點溫度為0.4℃，16點溫度為2.9℃)，測試數據見表二。其中換熱器最下側一條支路(8～16)，進口溫度最低(1.4℃)，出口溫度更低(－2.9℃)，除霜結束時，此處溫度仍在0℃以下，低于冰的熔化點，因此必然會出現有余霜不能化完的情況。

通過測試數據可以看出，各支路的進口溫度在除霜過程中，換熱器上、下差別較大，越靠近壓縮機排氣口的上部支路，除霜時進口對應的溫度越高，而遠離壓縮機排氣口的下部支路，除霜時進口對應的溫度相比較低。根據傳熱學的原理，進口溫度越高，換熱溫差越大，越有利于除霜。因此對圖三的分路進行改進，采用圖四的流路方式(冷凝器中部分氣)，再次進行實驗。實驗進入化霜4分鐘以后，各支路進口溫度相差最大1.9℃(9點溫度為5.9℃，8點溫度為4.0℃)，同圖三分路相比，溫差大幅縮小。出口溫度相差最大2.5℃(最上面為1.6℃，16點溫度為－0.9℃)。除霜結束時，此處溫度為0.7℃，高于水的凝固點，除霜干凈完全。兩種流路除霜效果相比，圖四流路優于圖三流路。

2.3換熱器各支路毛細管對除霜效果的影響

家用空調器，為了充分發揮換熱器的性能通常會在各支路上增加毛細管，起到分流作用，以保證進入各支路的制冷劑流量相近，換熱效果達到最佳。某家用熱泵空調器采用圖五所示流路方式設計，毛細管A、B、C、D采用等長毛細管φ2.4X350分流，在進行自動除霜(20／12，2／1)實驗時，除霜結束以后，位置4有余霜不能化完，通過測定其溫度為－1.2℃，低于冰的熔化點。

需要提高此點的溫度，才能解決除霜不徹底的問題。根據傳熱學原理，由于機組運行工況及換熱面積已確定，且受結構限制，換熱器流路不能再作調整，因此要增加位置4的換熱量，只能改變此處冷媒的循環量。結合毛細管具有一定的流量調節能力，通過調整該支路毛細管的長度再次進行實驗，實驗結果表明，隨著毛細管D的長度減短，除霜效果逐漸變好，當毛細管D長度由350mm減短至250mm后，整個換熱器除霜干凈完全，測試數據見表三。

2.4除霜效果的其它影響因素

對于個別家用空調器，當除霜結束時，換熱器上留有極少微霜沒有化完，可以通過增加系統冷媒充注量及調節節流參數來改善。增加系統冷媒充注量，主要是為了增加除霜過程中的制冷劑循環量及增加系統運行時的蒸發壓力和冷凝壓力，除霜過程中，系統的冷凝壓力越高越有利于除霜。但增加冷媒充注量的同時需要結合制熱運行情況，冷媒充注過多，制熱時可能導致室外側換熱不充分，制冷劑不能完全蒸發，從而使得外側換熱器更容易結霜。制熱運行時間變短，頻繁出現除霜，進而影響用戶使用的舒適性。

節流參數的調整，主要是考慮增加除霜時系統中冷媒的循環量，從而改善除霜效果。對于電子膨脹閥節流系統可以通過調節設定參數來實現，對于毛細管節流系統，除考慮除霜效果外，還需要考慮毛細管參數的改變是否會影響常規制冷、制熱的運行效果，最終需要經過實驗進行驗證確認。

除以上方法外，還可通過調整空調器控制程序來實現。縮短制熱運行周期，從而使的除霜開始時間提前，如此空調器在運行過程中會出現頻繁除霜動作，需要進行詳細的實驗驗證。

3 結論

本文結合理論通過實驗分析，研究結果表明合理的換熱器制冷劑流路，以及換熱器分氣、集液方式對除霜效果有較大改進。該結果可有效指導空調產品設計人員在開發過程中進行合理的換熱器制冷劑流路及配管設計，當然針對不同產品最終需要進行實驗確認。