制冷劑泄漏對除濕機(jī)結(jié)霜特性的影響研究

馬佩佩 談裕輝 田潔 劉丹華 譚裕鋒

海信家電集團(tuán)股份有限公司 廣東順德 528300

0 引言

除濕機(jī)目前被廣泛用于降低室內(nèi)環(huán)境的相對濕度，從而營造舒適的室內(nèi)環(huán)境或用于保護(hù)精密儀器和圖書等。基于目前的工藝水平限制，除濕機(jī)在生產(chǎn)過程中制冷管路的焊接部位較多，使之在使用過程中不可避免的發(fā)生制冷劑泄漏。加之除濕機(jī)一般需要持續(xù)運(yùn)行較長的時間，在運(yùn)行過程中又受到使用環(huán)境中各種化學(xué)物的作用，這將加劇制冷劑泄漏發(fā)生的可能性。除濕機(jī)采用的節(jié)流部件以毛細(xì)管為主，基于毛細(xì)管節(jié)流不能依據(jù)負(fù)荷變化而自動調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，采用毛細(xì)管節(jié)流的除濕機(jī)，當(dāng)制冷劑充注量變化時，對除濕機(jī)性能的影響很大[1]。制冷劑泄漏過程中，隨著除濕機(jī)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量的減少，一方面會出現(xiàn)壓縮機(jī)的排氣溫度升高導(dǎo)致壓縮機(jī)高溫?zé)龤У膯栴}，另一方面也會出現(xiàn)導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)口溫度降低從而引起蒸發(fā)器結(jié)霜等問題。

現(xiàn)有除濕機(jī)制冷劑泄漏的研究主要集中在制冷劑檢漏及保護(hù)壓縮機(jī)方面，關(guān)于制冷劑泄漏導(dǎo)致的蒸發(fā)器結(jié)霜的研究仍較為少見。楊祖煌基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建除濕機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)與制冷劑量間的關(guān)系，以提升除濕機(jī)缺氟的檢測性能[2]。田潔等依據(jù)環(huán)境溫度與蒸發(fā)器管溫的差值設(shè)定除濕機(jī)制冷劑泄漏規(guī)則，并確保當(dāng)制冷劑泄漏率達(dá)到50%以上時，除濕機(jī)可自動進(jìn)入制冷劑泄漏保護(hù)，從而起到保護(hù)除濕機(jī)的作用[3]。

關(guān)于除濕機(jī)在制冷劑泄漏過程中，蒸發(fā)器結(jié)霜的現(xiàn)象目前仍未有相關(guān)研究。除濕機(jī)的制冷劑泄漏是一個較為緩慢的過程，當(dāng)除濕機(jī)制冷劑泄漏到一定范圍內(nèi)，除濕機(jī)會出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)霜現(xiàn)象，減少空氣流通面積從而影響除濕機(jī)的整機(jī)除濕效果[4]。受限于除濕機(jī)的使用場景一般為濕度較高的室內(nèi)環(huán)境如地下室等，以及現(xiàn)有除濕機(jī)的制冷劑泄漏保護(hù)模式一般設(shè)定為制冷劑泄漏率高于50%時才發(fā)出制冷劑泄漏報(bào)警信息，使得用戶不能及時發(fā)現(xiàn)除濕機(jī)處于異常工作狀態(tài)，致使錯失人為干預(yù)的最佳時間?，F(xiàn)有除濕機(jī)的除霜方式有風(fēng)機(jī)除霜和旁通閥除霜兩種，風(fēng)機(jī)除霜是當(dāng)前除濕機(jī)中最常用的除霜方式[5]。當(dāng)前的風(fēng)機(jī)除霜保護(hù)控制程序主要依據(jù)除濕機(jī)正常運(yùn)行時收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)除濕機(jī)處于制冷劑泄漏狀態(tài)時，現(xiàn)有的除霜保護(hù)程序可能出現(xiàn)失效保護(hù)。

為此，針對除濕機(jī)在制冷劑泄漏過程中的蒸發(fā)器結(jié)霜過程進(jìn)行分析，并基于此分析現(xiàn)有的除霜保護(hù)機(jī)制，對實(shí)際的工程應(yīng)用具有一定的意義。此外，與當(dāng)前廣泛應(yīng)用于除濕機(jī)的R410A相比，R32的GWP（675）同比下降67.9%，R32的環(huán)保性能更優(yōu)[6]。目前美國加州已出臺相關(guān)環(huán)保政策，要求2023年起加州境內(nèi)銷售的除濕機(jī)制冷劑GWP需低于750，可以推斷R32具有更好的市場應(yīng)用前景。本文將選用R32制冷劑進(jìn)行除濕機(jī)制冷劑泄漏的除霜保護(hù)研究。

本文主要針對除濕機(jī)R32制冷劑泄漏過程的結(jié)霜情況及除霜保護(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先針對室內(nèi)干球溫度及制冷劑泄漏率對除濕機(jī)結(jié)霜情況的影響進(jìn)行分析；而后對不同制冷劑泄漏率時除濕機(jī)蒸發(fā)器的溫度分布進(jìn)行分析，以便更深入的了解制冷劑泄漏過程中的結(jié)霜情況；最后針對制冷劑泄漏過程中的現(xiàn)有除濕機(jī)除霜保護(hù)程序的啟動情況進(jìn)行分析。本文對理解除濕機(jī)的結(jié)霜過程具有一定的意義，對后續(xù)除濕機(jī)結(jié)霜保護(hù)程序設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

1 制冷劑泄漏下的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)

本文所涉及的實(shí)驗(yàn)均在焓差室內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所選用的除濕機(jī)型號為DH70K1RCA，R32制冷劑初始充注量為130 g，測試電參數(shù)為115 V/60 Hz。測試工況為：室內(nèi)干球溫度范圍為12℃～28℃，室內(nèi)相對濕度均為60%。本文通過改變除濕機(jī)充注制冷劑量質(zhì)量百分比來模擬除濕機(jī)制冷劑泄漏狀態(tài)，共設(shè)置6種除濕機(jī)制冷劑泄漏率（0%、30%、40%、50%、60%、70%），制冷劑泄漏率的計(jì)算公式見式（1）。

該除濕機(jī)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，該除濕機(jī)蒸發(fā)器共12根U管，感溫管布置位置位于U4右側(cè)彎頭。為研究不同制冷劑泄漏率及不同工況下蒸發(fā)器的溫度分布，分別在蒸進(jìn)（蒸發(fā)器制冷劑進(jìn)口）、U1～U11及蒸出（蒸發(fā)器制冷劑出口）處布置熱電偶，布點(diǎn)均在蒸發(fā)器感溫管的同側(cè)。利用采樣器等設(shè)備保證焓差室內(nèi)工況的穩(wěn)定，利用計(jì)時器記錄除濕機(jī)的未結(jié)霜時間。本實(shí)驗(yàn)的熱電偶布置方式為直接粘貼法，受到實(shí)驗(yàn)室電磁場的環(huán)境影響較大，并且熱電偶的測溫動態(tài)特性較差，使得實(shí)驗(yàn)過程的溫度測定具有一定的不確定性。此外，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)霜時間和結(jié)霜面積測量均為人工測量，可能受到人為主觀判斷的干擾。

圖1 除濕機(jī)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

本文分別利用結(jié)霜面積比和結(jié)霜時間來表示蒸發(fā)器的結(jié)霜情況，結(jié)霜面積比和結(jié)霜時間越高則蒸發(fā)器越難除霜，反之則越容易除霜。

結(jié)霜面積比是指蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)側(cè)的結(jié)霜面積占蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)側(cè)總面積的百分比，其計(jì)算公式見式（2），式中：b為蒸發(fā)器的端板距離，mm；h為蒸發(fā)器的高度，mm；b1為蒸發(fā)器結(jié)霜面積的折合寬度，mm；h1為蒸發(fā)器結(jié)霜面積的折合高度，mm。為便于測量計(jì)算，將實(shí)際蒸發(fā)器中不規(guī)則形狀的結(jié)霜面積近似處理成為長方形。

未結(jié)霜時間是指先觀測1個小時，如果除濕機(jī)在該時段內(nèi)發(fā)生結(jié)霜，則從下一次化霜后除濕機(jī)重新啟動開始計(jì)時，至發(fā)現(xiàn)除濕機(jī)開始結(jié)霜時停止計(jì)時，該時段即為除濕機(jī)的未結(jié)霜時間；如若除濕機(jī)在該時段內(nèi)未結(jié)霜，則未結(jié)霜時間為20 min；結(jié)霜時間是指結(jié)霜時間等于20 min減去未結(jié)霜時間，20 min為設(shè)定時間。未結(jié)霜時間和結(jié)霜時間的關(guān)系見式（3）。

將除濕機(jī)安裝在焓差室內(nèi)，調(diào)節(jié)焓差室內(nèi)工況達(dá)到設(shè)定值，將采樣器布置在除濕機(jī)的進(jìn)風(fēng)口處30 cm處，以調(diào)節(jié)焓差室內(nèi)的工況保持穩(wěn)定。等待焓差室內(nèi)的工況穩(wěn)定后，啟動除濕機(jī)并開始計(jì)時，觀測1個小時內(nèi)除濕機(jī)是否發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象，如果有，則等待下一次化霜，除濕機(jī)啟動后重新計(jì)時，記錄除濕機(jī)的未結(jié)霜時間。在除濕機(jī)化霜前，記錄蒸發(fā)器的結(jié)霜面積和除霜保護(hù)程序的啟動情況。更改除濕機(jī)的制冷劑充注量和焓差室工況，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 除濕機(jī)的制冷劑泄漏除霜保護(hù)分析

當(dāng)前除濕機(jī)的結(jié)霜保護(hù)的設(shè)置為：當(dāng)除濕機(jī)的感溫包感溫溫度在持續(xù)一段時間內(nèi)低于設(shè)定溫度值，除濕機(jī)自動進(jìn)入除霜模式。進(jìn)入除霜模式后，風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行除霜，當(dāng)檢測到感溫包感溫溫度高于設(shè)定溫度值時，除濕機(jī)退出除霜模式。

如表1所示，除濕機(jī)制冷劑泄漏率為0%～30%時，除濕機(jī)除霜保護(hù)程序啟動情況與除濕機(jī)結(jié)霜情況一致，表明在該制冷劑泄漏率范圍內(nèi)，除濕機(jī)的除霜保護(hù)程序可以起到有效的除霜保護(hù)。當(dāng)除濕機(jī)制冷劑泄漏率為60%～70%時，除濕機(jī)雖然會結(jié)霜，但是并未啟動除霜保護(hù)，其原因在于此時的制冷劑泄漏率達(dá)到進(jìn)入制冷劑泄漏保護(hù)的條件，除濕機(jī)進(jìn)入制冷劑泄漏保護(hù)程序而非除霜保護(hù)程序。

表1 不同室內(nèi)干球溫度下及制冷劑泄漏率的除濕機(jī)除霜保護(hù)啟動匯總表

除濕機(jī)制冷劑泄漏率為40%～50%時，除濕機(jī)除霜保護(hù)程序啟動情況與除濕機(jī)結(jié)霜情況不一致。當(dāng)室內(nèi)干球溫度分別為24℃～28℃時，制冷劑泄漏率為40%～50%時均會發(fā)生結(jié)霜，然而除濕機(jī)并未啟動除霜模式。其原因在于，現(xiàn)有的除霜保護(hù)機(jī)制并沒有考慮除濕機(jī)制冷劑泄漏的情況，隨著制冷劑泄漏率的提高，除濕機(jī)從靠近蒸發(fā)器制冷劑進(jìn)口的底部開始結(jié)霜且除濕機(jī)的結(jié)霜面積減少至感溫包位置（第4根U管處）以下，感溫包的感溫溫度高于設(shè)定除霜保護(hù)溫度，故并未觸發(fā)除濕機(jī)的除霜保護(hù)程序，出現(xiàn)除濕機(jī)除霜不干凈的現(xiàn)象，從而影響除濕機(jī)的除濕效果。此外，由于R32制冷劑的飽和氣體粘度和飽和液體粘度均較R410A低，并且飽和液體比熱容和飽和氣體比熱容比R410A大，同等質(zhì)量的R32制冷劑比R410A的換熱能力更高，除濕機(jī)的R32制冷劑充注量僅為R410A的60%～70%。隨著制冷劑泄漏率的提高，充注R32制冷劑的蒸發(fā)器進(jìn)口段的結(jié)霜情況較R410A制冷劑更為嚴(yán)重。

對此，需要對除濕機(jī)制冷劑泄漏過程中的除濕機(jī)結(jié)霜情況和蒸發(fā)器空間溫度分布進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析，從而對現(xiàn)有的結(jié)霜保護(hù)程序做進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.2 除濕機(jī)制冷劑泄漏結(jié)霜情況分析

圖2～圖6分別為室內(nèi)干球溫度為12℃～28℃間變化時除濕機(jī)充注不同制冷劑量的結(jié)霜情況。如圖2～圖6所示，除濕機(jī)制冷劑泄漏率為0%時，僅當(dāng)室內(nèi)干球溫度為12℃～16℃時，出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象；制冷劑泄漏率為30%的除濕機(jī)，僅當(dāng)室內(nèi)干球溫度為12℃～20℃時出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象；制冷劑泄露率為40%～70%的除濕機(jī)，當(dāng)室內(nèi)干球溫度為12℃～28℃時均出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。

圖2 12℃下除濕機(jī)不同制冷劑泄漏率的結(jié)霜情況

圖3 16℃下除濕機(jī)不同制冷劑泄漏率的結(jié)霜情況

圖4 20℃下除濕機(jī)不同制冷劑泄漏率的結(jié)霜情況

圖6 28℃下除濕機(jī)不同制冷劑泄漏率的結(jié)霜情況

圖5 24℃下除濕機(jī)不同制冷劑泄漏率的結(jié)霜情況

當(dāng)除濕機(jī)制冷劑泄漏率及室內(nèi)濕球溫度不變時，隨著室內(nèi)干球溫度的升高，蒸發(fā)器的結(jié)霜面積和結(jié)霜時間均隨之降低，制冷劑泄漏率分別為0%、30%、40%、50%、60%、70%的除濕機(jī)，隨著室內(nèi)干球溫度的升高，除濕機(jī)的結(jié)霜面積比分別從100%、100%、70.8%、66.67%、41.67%及2.08%下降至0%、0%、35%、16.67%、6.67%及1.04%，除濕機(jī)的結(jié)霜時間分別從13 min、14 min、19 min、19 min、19 min及17 min下降至0 min、0 min、8 min、19 min、17 min、6 min。其原因在于，本文選用除濕機(jī)的壓縮機(jī)為定速壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)能力、毛細(xì)管規(guī)格及兩器規(guī)格不變的情況下，隨著室內(nèi)干球溫度的升高，蒸發(fā)器的進(jìn)口溫度和掠過蒸發(fā)器翅片的室內(nèi)空氣干球溫度隨之升高，不利于在蒸發(fā)器表面結(jié)霜。

當(dāng)室內(nèi)干球溫度及濕球溫度不變時，除濕機(jī)的結(jié)霜情況與制冷劑泄漏率為非線性關(guān)系。原因在于，除濕機(jī)的結(jié)霜面積與制冷劑泄漏量的關(guān)系取決于蒸發(fā)器進(jìn)口溫度，在制冷劑泄漏率和室內(nèi)干球溫度的耦合作用下，在某一不變的室內(nèi)干球溫度，隨著制冷劑泄漏量的升高，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度均在0℃以下時，在該室內(nèi)干球溫度下，結(jié)霜面積與制冷劑泄漏量呈負(fù)線性相關(guān)；而在另一室內(nèi)干球溫度下，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度隨著制冷劑泄漏量的升高從0℃以上降低至0℃以下時，結(jié)霜面積與制冷劑泄漏量呈非線性相關(guān)，此時結(jié)霜面積的峰值出現(xiàn)在蒸發(fā)器進(jìn)口溫度首次進(jìn)入0℃以下時所對應(yīng)的制冷劑泄漏率，而后隨著制冷劑泄漏率的升高，結(jié)霜面積也依次減少。除濕機(jī)的結(jié)霜時間則受到蒸發(fā)器進(jìn)口溫度和蒸發(fā)器進(jìn)口干度的共同影響，隨著制冷劑泄漏率的升高，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度隨之降低，但蒸發(fā)器進(jìn)口干度升高，使得蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑汽化過熱的速度加快，當(dāng)制冷劑泄漏率升高至一定范圍內(nèi)時，雖然蒸發(fā)器進(jìn)口溫度在-20℃以下，但由于蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑量較少，制冷劑量在蒸發(fā)器內(nèi)相變速度加快，使得蒸發(fā)器的結(jié)霜時間變短。

2.3 結(jié)霜工況下蒸發(fā)器溫度空間分布分析

圖7～圖12分別為不同室內(nèi)干球溫度工況及不同制冷劑泄漏率時的除濕機(jī)蒸發(fā)器溫度空間分布。圖中將蒸發(fā)器劃分為進(jìn)口段、中間段和出口段共3個區(qū)域，并在3個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分段擬合獲得相應(yīng)的溫度曲線，圖中的溫度點(diǎn)為各個布點(diǎn)在結(jié)霜期間的平均溫度。如圖7～圖12所示，不同制冷劑泄漏率和不同室內(nèi)干球溫度工況下，在蒸發(fā)器進(jìn)口段中的溫度點(diǎn)均出現(xiàn)溫度升高的趨勢；當(dāng)室內(nèi)干球溫度不變時，隨著制冷劑泄漏率的升高，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度隨之下降，蒸發(fā)器初始結(jié)霜位置從蒸發(fā)器出口段逐漸過渡到蒸發(fā)器進(jìn)口段。

圖7 不同工況下0%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

圖12 不同工況下70%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

圖9 不同工況下40%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

圖10 不同工況下50%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

如圖7可知，當(dāng)制冷劑泄漏率為0%時，蒸發(fā)器的進(jìn)口段均呈現(xiàn)過熱狀態(tài)，蒸發(fā)器的中間段均呈現(xiàn)過冷狀態(tài)，受到室內(nèi)干球溫度變化的影響不明顯。而在蒸發(fā)器的出口區(qū)，該區(qū)域的溫度變化受到室內(nèi)干球溫度的變化較為明顯，隨室內(nèi)干球溫度的升高而從過冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱狀態(tài)，該工況下蒸發(fā)器初始結(jié)霜的位置主要位于蒸發(fā)器出口段。

如圖8～10可知，當(dāng)制冷劑泄漏率為30%～50%時，蒸發(fā)器的進(jìn)口段和出口段均呈現(xiàn)過熱狀態(tài)，隨著制冷劑泄漏率的升高，蒸發(fā)器進(jìn)口段的溫度變化速率隨之加快，而蒸發(fā)器進(jìn)口段的溫度變化速率隨之減小。此時蒸發(fā)器的過冷現(xiàn)象集中出現(xiàn)在蒸發(fā)器中間段，蒸發(fā)器初始結(jié)霜位置位于蒸發(fā)器中間段。

圖8 不同工況下30%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

如圖11～12可知，當(dāng)制冷劑泄漏率為60%～70%時，蒸發(fā)器溫度點(diǎn)均呈現(xiàn)過熱趨勢，隨著制冷劑泄漏率的升高，蒸發(fā)器內(nèi)的過熱情況愈發(fā)嚴(yán)重，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差可高達(dá)50℃，而蒸發(fā)器的溫度空間分布變化受室內(nèi)干球溫度的影響不明顯。此外，在12℃～28℃工況下，蒸發(fā)器中0℃以下的溫度點(diǎn)均在蒸發(fā)器進(jìn)口段，該工況下蒸發(fā)器最開始結(jié)霜的位置均位于蒸發(fā)器進(jìn)口段。

圖11 不同工況下60%制冷劑泄漏率的蒸發(fā)器溫度空間分布

3 結(jié)論及展望

本文對除濕機(jī)R32制冷劑除霜保護(hù)及制冷劑泄漏時的結(jié)霜情況進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有除濕機(jī)在設(shè)置除霜保護(hù)程序時并未考慮制冷劑泄漏的情況，加之R32制冷劑換熱能力較好且制冷劑充注量僅為R410A的60%～70%，從而當(dāng)制冷劑泄露率為40%～50%且室內(nèi)干球溫度較高時，容易發(fā)生除霜保護(hù)不啟動導(dǎo)致R32制冷劑除濕機(jī)結(jié)霜情況嚴(yán)重的現(xiàn)象。

（2）當(dāng)除濕機(jī)制冷劑泄漏率及室內(nèi)濕球溫度不變時，隨著室內(nèi)干球溫度升高，蒸發(fā)器的結(jié)霜面積最高可從100%下降至0%，結(jié)霜時間可從13 min下降至0 min，呈線性負(fù)相關(guān)。當(dāng)室內(nèi)干球溫度及濕球溫度不變時，在除濕機(jī)發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象的制冷劑泄漏率區(qū)間內(nèi)，結(jié)霜面積與制冷劑泄漏量為線性負(fù)相關(guān)。后續(xù)除霜保護(hù)程序可考慮室內(nèi)干球溫度和制冷劑泄漏率對除霜保護(hù)時間和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，當(dāng)室內(nèi)干球溫度和制冷劑泄漏率升高時，減少除霜保護(hù)時間或降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

（3）當(dāng)制冷劑泄漏量低于60%時，蒸發(fā)器內(nèi)的溫度分布受到不同室內(nèi)干球溫度的影響較大，室內(nèi)干球溫度的升高會加劇蒸發(fā)器內(nèi)的過熱現(xiàn)象。當(dāng)制冷劑泄漏率大于等于60%時，蒸發(fā)器內(nèi)的溫度分布受到室內(nèi)干球溫度的影響較小，此時蒸發(fā)器內(nèi)處于嚴(yán)重過熱的狀態(tài)，進(jìn)出口溫差可高達(dá)50℃以上。此外，不同制冷劑泄漏率下除濕機(jī)的最初結(jié)霜位置有所不同，隨著制冷劑泄漏量的升高，除濕機(jī)的最初結(jié)霜位置從蒸發(fā)器出口段過渡到蒸發(fā)器的進(jìn)口段。后續(xù)除霜保護(hù)程序在布置感溫包時應(yīng)布置在蒸發(fā)器進(jìn)口段，同時基于不同的制冷劑泄漏率和室內(nèi)干球溫度設(shè)置不同的除霜保護(hù)準(zhǔn)進(jìn)溫度，以提高進(jìn)入除霜保護(hù)程序的準(zhǔn)確性。