蓄熱除霜系統(tǒng)除霜舒適性及可靠性研究

林康桂，莊晉文，左雙全

（珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

空調(diào)在制熱模式下，當(dāng)室外換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度且低于0 ℃會(huì)發(fā)生結(jié)霜，影響換熱性能及使用舒適性。目前，家用空調(diào)常用的除霜方法有潛熱化霜和熱氣旁通化霜等。潛熱化霜，即逆循環(huán)除霜，除霜過程中四通閥換向使冷凝器和蒸發(fā)器功能交換，室內(nèi)機(jī)處于制冷狀態(tài)。這種除霜方法除霜速度慢，溫度波動(dòng)大，即使在除霜時(shí)關(guān)閉了內(nèi)風(fēng)機(jī)，除霜結(jié)束后的出風(fēng)溫度也比較低，影響舒適性；而且頻繁的轉(zhuǎn)換對(duì)系統(tǒng)的可靠性也有影響。而熱氣旁通系統(tǒng)主要靠引出一支旁通回路將壓縮機(jī)排氣引到室外換熱器除霜，除霜時(shí)間長，且吸氣過熱度低，易出現(xiàn)壓縮機(jī)回液。本文介紹了一種新型的蓄熱除霜系統(tǒng)。該系統(tǒng)在雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)蓄熱器，實(shí)現(xiàn)制熱和除霜同步進(jìn)行，解決了空調(diào)行業(yè)化霜舒適性差的技術(shù)難題。

1 蓄熱除霜的原理

張杰等[1]從除霜時(shí)間、除霜結(jié)束時(shí)外側(cè)翅片溫度和室內(nèi)恢復(fù)供熱溫度的時(shí)間等方面，比較了逆向除霜、熱氣旁通除霜和蓄熱除霜三種方式，實(shí)驗(yàn)表明蓄熱除霜時(shí)間更短，除霜后室內(nèi)恢復(fù)正常供熱也更快；其比較時(shí)使用的蓄熱除霜系統(tǒng)除霜時(shí)，四通閥不換向，壓縮機(jī)出來的高溫高壓氣體先流經(jīng)外側(cè)換熱器進(jìn)行除霜，然后流經(jīng)蓄熱裝置回到壓縮機(jī)，不再經(jīng)過室內(nèi)側(cè)換熱器，除霜熱量來自蓄熱材料的儲(chǔ)熱，不用向室內(nèi)取熱，室內(nèi)溫度波動(dòng)較其余兩者小，舒適性較好。胡文舉等[2]分析了相變蓄熱器對(duì)熱泵系統(tǒng)不同供熱方式的影響，其蓄熱除霜系統(tǒng)除霜前有約20 min蓄熱時(shí)間，蓄熱時(shí)冷媒不流經(jīng)室內(nèi)換熱器，蓄熱結(jié)束再進(jìn)行供熱，但長達(dá)20 min的蓄熱時(shí)間對(duì)室內(nèi)供熱舒適性影響較大。曲明璐等[3]研究串聯(lián)供熱模式時(shí)，高溫制冷劑先流經(jīng)室內(nèi)換熱器，在保證供熱的前提下再流經(jīng)蓄熱器。日本松下曾推出一款蓄熱除霜空調(diào)，與除霜時(shí)蓄熱器充當(dāng)換熱器系統(tǒng)不同的是，他的蓄熱器包裹在壓縮機(jī)周圍，與壓縮機(jī)緊密相貼，將正常制熱時(shí)吸收的壓縮機(jī)余熱在除霜時(shí)又通過壓縮機(jī)搬運(yùn)出來，四通閥不用換向，壓縮機(jī)也不用停機(jī)，但由于壓縮機(jī)的振動(dòng)，蓄熱材料的固定是需要重點(diǎn)考慮的問題[4]。

本文介紹的蓄熱除霜系統(tǒng)利用的是壓縮機(jī)排氣的漏熱。該蓄熱除霜系統(tǒng)是在二級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)上增加蓄熱器，把壓縮機(jī)一部分排氣熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱器中，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到蓄熱除霜條件時(shí)，四通閥不換向，即在制熱的條件下除霜，從而提高空調(diào)的舒適性、出風(fēng)溫度、系統(tǒng)可靠性以及化霜時(shí)間（化霜系統(tǒng)流路如圖1中實(shí)線）。

從圖1可以直觀的看出，空調(diào)運(yùn)行制熱模式時(shí)，壓縮機(jī)出來的排氣進(jìn)入蓄熱器將部分熱量?jī)?chǔ)存起來，然后進(jìn)入室內(nèi)機(jī)冷凝放熱，經(jīng)過電子膨脹閥B閥進(jìn)行一級(jí)節(jié)流，然后在閃發(fā)器里面把蒸汽分離出來通入壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，雖然該系統(tǒng)是利用閃發(fā)器里面的相對(duì)低溫低壓的蒸汽來冷卻來自低壓級(jí)壓縮機(jī)的排氣，但是閃發(fā)蒸汽分離器只能使其溫度稍有下降，在進(jìn)入下級(jí)壓縮時(shí)制冷劑仍保持過熱蒸汽狀態(tài)，故稱為不完全中間冷卻系統(tǒng)。閃發(fā)器中制冷劑飽和液體經(jīng)過A閥進(jìn)行二級(jí)節(jié)流后在室外機(jī)蒸發(fā)吸熱，通過三通閥流回壓縮機(jī)完成一個(gè)制熱循環(huán)。

因?yàn)橹茻嵫h(huán)使系統(tǒng)室外機(jī)長時(shí)間處在低溫下吸熱吹冷風(fēng)，容易導(dǎo)致室外機(jī)結(jié)成霜層。當(dāng)空調(diào)器檢測(cè)到系統(tǒng)外管溫達(dá)到蓄熱除霜條件時(shí)，進(jìn)入蓄熱除霜模式，這時(shí)三通閥換向，接通蓄熱器管路再進(jìn)入壓縮機(jī)，補(bǔ)氣二通閥、室內(nèi)風(fēng)機(jī)關(guān)閉，壓縮機(jī)出來的排氣在室內(nèi)冷凝，節(jié)流閥B、A節(jié)流，然后在室外機(jī)進(jìn)行換熱除霜，再通過蓄熱器吸熱蒸發(fā)增焓，流回壓縮機(jī)完成蓄熱除霜循環(huán)。制熱和蓄熱除霜模式的壓焓循環(huán)圖如圖2和圖3。

圖2為具有蓄熱除霜功能的制熱循環(huán)，從壓縮機(jī)出來的高溫高壓氣體3在蓄熱器與相變材料進(jìn)行換熱，把熱量?jī)?chǔ)存起來，然后降溫之后的高溫高壓氣體4通過室內(nèi)機(jī)冷凝，冷凝出來的低溫高壓制冷劑液體5再通過電子膨脹閥B進(jìn)行一級(jí)節(jié)流達(dá)到狀態(tài)6，然后進(jìn)入閃發(fā)蒸汽分離器。這樣飽和狀態(tài)的液體制冷劑再經(jīng)過膨脹閥A節(jié)流至狀態(tài)8進(jìn)入室外機(jī)，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)后制冷劑變成了低壓的蒸汽，經(jīng)過一級(jí)壓縮后至狀態(tài)2；而來自閃發(fā)蒸汽分離器的飽和蒸汽與過熱的氣態(tài)冷媒混合后，狀態(tài)處于2′，再經(jīng)二級(jí)壓縮至狀態(tài)3，狀態(tài)3中高溫高壓的氣態(tài)冷媒進(jìn)入冷凝器冷凝換熱到狀態(tài)5。由于增加了蓄熱器,所以必須增大壓縮機(jī)的功率以便于獲得更高的排氣溫度，再通過換熱儲(chǔ)存在蓄熱器中。

圖1 蓄熱化霜系統(tǒng)圖

圖2 制熱循環(huán)壓焓圖

圖3 蓄熱除霜循環(huán)壓焓圖

圖3為蓄熱除霜循環(huán)壓焓圖，蓄熱除霜時(shí)，中間補(bǔ)氣二通閥關(guān)閉，三通閥動(dòng)作轉(zhuǎn)向接通室外機(jī)跟蓄熱器管路，壓縮機(jī)出來的高溫高壓氣體2經(jīng)過內(nèi)機(jī)冷凝形成狀態(tài)3，再經(jīng)過節(jié)流降溫達(dá)到狀態(tài)4，再與原制熱循環(huán)中殘留在閃發(fā)器中的液體混合降溫到狀態(tài)5，然后在外機(jī)中換熱除霜到達(dá)狀態(tài)6，經(jīng)過三通閥的節(jié)流孔節(jié)流至狀態(tài)7，進(jìn)入蓄熱器換熱增焓到狀態(tài)8,在氣液分離器中氣液分離后的飽和氣1進(jìn)入壓縮機(jī)，而液體冷媒留在氣液分離器中。

2 蓄熱除霜的優(yōu)點(diǎn)

圖4為相近工況蓄熱化霜和常規(guī)化霜的切換實(shí)驗(yàn)功率圖，根據(jù)曲線變化及表1數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，蓄熱除霜相比常規(guī)化霜具備了以下優(yōu)點(diǎn)：

1）蓄熱化霜利用相變蓄熱技術(shù)，熱泵機(jī)組將自身的余熱儲(chǔ)存在有機(jī)相變材料即蓄熱器中，并在除霜時(shí)釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)熱泵機(jī)組的不間斷制熱，在除霜過程中依然可以向室內(nèi)供熱，改善舒適性。

在采用蓄熱化霜時(shí)，室內(nèi)換熱器的內(nèi)管溫始終維持在較高的溫度，實(shí)現(xiàn)了一邊化霜，一邊吹出熱風(fēng)，減小室內(nèi)溫度波動(dòng)。化霜結(jié)束可立即得到 35 ℃以上的熱風(fēng)，使室內(nèi)環(huán)境溫度保持在20 ℃以上，對(duì)房間的舒適性改善明顯。

2）蓄熱除霜過程中，四通閥不換向，壓縮機(jī)不停機(jī)，直接將壓縮機(jī)排出的高溫高壓冷媒通入室外換熱器，快速完成化霜。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不停機(jī)化霜，從而使化霜過程中壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性更高。

傳統(tǒng)的化霜需先停機(jī)，電子膨脹閥復(fù)位，四通閥換向，然后調(diào)節(jié)電子膨脹閥，開機(jī)制冷，室外機(jī)吹熱風(fēng)，使霜層融化。但蓄熱除霜系統(tǒng)，壓縮機(jī)無需停機(jī)，只需要三通閥換向，可以在4～8 min內(nèi)完成化霜，節(jié)省了傳統(tǒng)化霜時(shí)電子膨脹閥與四通閥動(dòng)作的時(shí)間，還有壓縮機(jī)開停機(jī)的時(shí)間。并且化霜時(shí)內(nèi)管溫較高，化霜完成后可以馬上得到熱風(fēng)，不會(huì)出現(xiàn)常規(guī)化霜后由于內(nèi)管溫低而需進(jìn)入防冷風(fēng)狀態(tài)。總的說，化霜時(shí)間短，重新得到熱風(fēng)快。

3 蓄熱除霜系統(tǒng)的可靠性問題分析

雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)用于低溫環(huán)境下，其系統(tǒng)本身在閥開度調(diào)節(jié)不當(dāng)時(shí)，易發(fā)生液壓縮而影響系統(tǒng)可靠性。結(jié)合系統(tǒng)原理圖可知，在除霜過后或者停開機(jī)時(shí)，會(huì)有部分油液混合物存在于閃發(fā)器中，補(bǔ)氣二通閥打開后，蒸發(fā)的冷媒可能攜帶潤滑油進(jìn)入壓縮機(jī)，導(dǎo)致油壓縮，改變壓縮機(jī)負(fù)載，引發(fā)AC電流保護(hù)，影響系統(tǒng)可靠性。

為了驗(yàn)證在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)是否會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，筆者選取了超低溫工況做化霜實(shí)驗(yàn)。

在超低溫制熱（0/0；-20/-）運(yùn)行時(shí)，除霜過后或者停開機(jī)時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)AC電流保護(hù)，保護(hù)值17 A左右。

圖5為系統(tǒng)運(yùn)行過程中的功率曲線，可以看到除霜過后或者停開機(jī)時(shí)功率曲線有明顯波動(dòng)。

表1 蓄熱與常規(guī)化霜后對(duì)比數(shù)據(jù)

圖4 蓄熱-常規(guī)化霜切換實(shí)驗(yàn)圖

為了驗(yàn)證是否是油壓縮原因?qū)е碌腁C電流保護(hù)停機(jī)，首先必須計(jì)算油過熱度。油過熱度即油實(shí)際溫度與壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度之差。油過熱度是壓縮機(jī)腔體內(nèi)潤滑油的狀態(tài)參數(shù)，主要表征油在不同溫度下與冷媒的互溶程度，便于判斷冷媒與油互溶后其物理性質(zhì)的改變情況，如油與冷媒混合后的粘度變化，冷卻效果等，而這些都會(huì)影響壓縮機(jī)內(nèi)機(jī)械配合部位的運(yùn)動(dòng)效果[5]。

此系統(tǒng)所采用的壓縮機(jī)是高壓腔壓縮機(jī)，所采用的潤滑油是POE油RB68EP。經(jīng)翻閱相關(guān)文獻(xiàn)[6]，可知油在不同溫度下與冷媒的互溶程度不同。壓力瞬間降低時(shí)，冷媒飽和溫度降低，一部分冷媒閃蒸析出，就可能帶出潤滑油至壓縮機(jī)，這是產(chǎn)生油擊現(xiàn)象的根本原因。

表2為測(cè)試數(shù)據(jù)，通過表2可計(jì)算出油過熱度，從而可判斷是否為壓縮機(jī)油擊引起的AC電流保護(hù)。

結(jié)合表2整改前數(shù)據(jù)，可以得知以下幾點(diǎn)：

1）開機(jī)前（頻率為0 Hz），通過查表，閃蒸器中的含油率大概在60 %左右，比例較少。

2）當(dāng)開機(jī)時(shí)，由于二通閥還沒開啟，且運(yùn)行頻率較低，排氣溫度不高，冷媒經(jīng)過內(nèi)機(jī)和B閥后，基本變成液態(tài)，儲(chǔ)存在閃蒸器中。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行到二通閥開啟頻率32 Hz后，補(bǔ)氣閥開啟，中壓卸了下來，導(dǎo)致該壓力下冷媒對(duì)應(yīng)的飽和溫度變小，大量冷媒不斷閃發(fā)為氣態(tài)。此時(shí)溫度降低，并不斷將閃發(fā)器內(nèi)的油打到壓縮機(jī)中壓腔。由于壓縮機(jī)中壓腔體內(nèi)有一個(gè)緩沖腔，油在此不斷增多，當(dāng)累積滿后，直接被正在快速升頻的壓縮機(jī)吸進(jìn)高壓壓縮腔體中，導(dǎo)致AC電流升高超過保護(hù)值而停機(jī)。

圖5 低溫制熱下發(fā)生AC電流保護(hù)的功率圖

為了解決油壓縮問題，需要系統(tǒng)中壓在該過程中降低節(jié)流強(qiáng)度，通過調(diào)大制熱運(yùn)行的電子膨脹閥（A閥）的開度，保證節(jié)流過后還是存在氣液混合態(tài)的冷媒，儲(chǔ)存在閃發(fā)器中，系統(tǒng)壓力不會(huì)因?yàn)槎ㄩy開啟突然下降，避免閃蒸器中的冷媒蒸發(fā)把油壓回中壓。對(duì)比表2整改前與整改后數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：壓縮機(jī)運(yùn)行到32 Hz后，B閥前的溫度比整改前降低了2 ℃左右，中壓壓力降低，過熱度升高，表明儲(chǔ)存在閃蒸器中液態(tài)冷媒量減少，從而減少冷媒潤滑油帶進(jìn)壓縮機(jī)的量。保證了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。經(jīng)過調(diào)整后的正常運(yùn)行曲線如圖6。

實(shí)際上，對(duì)于雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，由于進(jìn)入中壓的補(bǔ)氣量不可調(diào)節(jié)，電子膨脹閥調(diào)節(jié)大小就直接影響到進(jìn)入壓縮機(jī)的補(bǔ)氣量，從而影響排氣溫度和壓力，系統(tǒng)狀態(tài)隨之也會(huì)變化。因此雙級(jí)壓縮系統(tǒng)不同負(fù)荷下電子閥調(diào)節(jié)是否適當(dāng)還需要經(jīng)過不同狀態(tài)的驗(yàn)證。

4 結(jié)語

本文介紹了一種新型的基于雙級(jí)壓縮二級(jí)節(jié)流系統(tǒng)的蓄熱除霜系統(tǒng)，闡述了其利用排氣漏熱量除霜的原理，并基于其原理推出該系統(tǒng)可能出現(xiàn)的油擊問題，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并提出了優(yōu)化方式。綜合全文，可以得出以下結(jié)論：

表2 整改前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 低溫制熱正常運(yùn)行功率圖

1）蓄熱除霜系統(tǒng)保證室內(nèi)出風(fēng)溫度，顯著地提高了空調(diào)的舒適性。

2）相比另外兩個(gè)除霜方式，采用蓄熱除霜方式的系統(tǒng)，其可靠性以及優(yōu)化化霜時(shí)間等方面都得到很好的改善。

3）通過調(diào)節(jié)合適電子膨脹閥的步數(shù)解決了開機(jī)后油擊的問題，但依然需要長期考究。