冷媒電加熱器設計及在空調上的應用

毛躍輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 冷媒電加熱器設計

冷媒電加熱器裝置在整個系統中的應用可實現加熱除霜，縮短化霜時間，提升低溫制熱性能，滿足舒適性要求等功能。冷媒電加熱器需滿足以下要求以保證其應用的安全性：（1）冷媒充分受熱，換熱及時，導熱均勻；（2）在滿足系統制熱性能的前提下，電加熱管功率不能選擇過大，正常工作狀態下，管表面溫度不能高于120℃，異常情況下，允許管表面溫度短時間內控制在170℃以下，因為當壓縮機油溫達170℃，持續時間超過24h時，熱穩定性將變差，冷媒將出現裂解結焦，堵塞管路[9]；（3）異常工作情況下，當管表面溫度超過被控溫度時，電加熱器能及時有效的進行自我保護，保證用戶的使用安全。

基于空調外機管路的走向和容納空間的大小，冷媒電加熱器的設計依據有以下三點：（1）體積力求緊湊；（2）內部發熱管上增加螺旋翅片，增加對冷媒的擾動，促進紊流，使冷媒被均勻導熱；（3）保證冷媒不泄露，裝置密封性要高，在整體材料選擇上采用無縫不銹鋼材質。空調冷媒電加熱器整體設計如圖1所示，圖中：1-外殼、2-冷媒管、3-電熱管、4-冷媒通道、5-封閉環、6-密封硅膠套、11-冷媒進口、12-冷媒出口、34-翅片、51-環形凹槽、61-環形突起、62-凹腔。

2 冷媒電加熱器主要關鍵電器件研究

空調冷媒電加熱器有：電加熱器功率、電熱合金絲、氧化鎂導熱絕緣介質、限溫器、熔斷體等主要關鍵項及電器件。

2.1 電加熱器功率設計

電加熱器功率越高，相對除霜速度就越快，但功率過高會導致加熱管表面溫度過高，對壓縮機油造成影響。另外，在漏氟且高電壓的情況下，電加熱器功率越高，加熱管表面的溫度升高也越快。因此，電加熱器功率的選擇需要謹慎。經過對不同功率下，電加熱翅片管的選型實驗驗證（室內20℃，室外0℃工況條件下進行），電加熱翅片管功率設計為400W，正常工作表面溫度控制可不高于120℃，異常工作情況下管表面溫度不高于170℃，且持續時間不超過30min，設計留有一定的裕量。

2.2 電熱合金絲設計

為保證設計的可靠，從優缺點分析，本次設計采用金屬鎳鉻絲合金作為發熱電阻絲，選擇常用牌號Cr20Ni80（即含Cr20%，鎳基類材料），電阻率：（1.09～1.1）Ω?mm2/m，Cr20Ni80發熱絲材料參數如表1所示。當前選擇含Cr≤30%，是因為Cr含量過多易氧化及析出，選擇Cr含量為20%的加熱絲其熱穩定性要好，絲材的致密度高，熱沖擊好，旋繞性好，延伸率約為25%，且目前大部分室內機輔助電加熱器都已經使用數年之久，性能穩定，一致性高，安全性好，使用壽命長，同時滿足元器件內部的排列，發熱部分長度為100mm。

冷媒電加熱器電加熱管的工作溫度維持在200℃以下，按照臨界溫度200℃選擇，查詢廠家產品資料知，該合金絲的電阻率修正系數為Ct=1.016，元件工作溫度下的電阻率ρt=ρ20Ct=1.09×1.016=1.10744Ω?mm2/m，把上述相關數值代入

該絲徑可以通過電流最大為3A，由歐姆定律知，加熱管正常工作時電流為1.9A，242V高電壓工作時電流為1.7A，187V低電壓工作時電流為2.1A，通過查詢公司通用庫，選擇發熱絲徑為0.23mm的現有常規加熱絲，其單位長度電阻為lr=22.21，電加熱絲長度：Ω/m，L=（U2JID2）/(4ρ20CtP)=(2202×3.14×0.232)/(4×400×1.0744)=4.6m，因此，選擇該絲徑后其載流能力可以滿足理論設計要求，預期擬定與理論演算完全符合。電加熱器表面溫度實測值與計算值如圖2所示。

2.3 導熱絕緣介質設計

電熱絲與發熱管壁之間的電氣絕緣兼導熱性由氧化鎂粉來保證。電工級別的氧化鎂粉定義為電熔結晶氧化鎂塊經破碎并對不同顆粒尺寸或數目按一定比例配合，直接或改性后用于管狀電熱元件中作為在高溫下導熱的絕緣介質。

表2～表5為氧化鎂粉在不同溫度下的電阻率數值表，研究設計中對氧化鎂粉的性能做如下要求：

（1）氧化鎂粉在工作中，要具有較高的導熱性能，以便能迅速地把熱量傳遞到管表面上去，使得發熱電阻絲與管壁溫度更接近，傳熱更均勻；

（2）當工作溫度在1100℃以內時，氧化鎂粉應具有良好的電氣絕緣性能；

（3）氧化鎂粉必須具有一定的顆粒度，形狀一般是圓狀而不是我國目前生產的片狀，因為圓狀時灌粉密度大，流動性好，且具有一定顆粒的百分比含量，加粉時不易損壞發熱絲，更有利于灌粉的順利進行；

（4）氧化鎂粉無論在常溫或高溫情況下對發熱絲材料和管材應無腐蝕現象發生。

因此，鑒于上述氧化鎂粉存在的特性，在本次設計中使用電工級高溫氧化鎂粉可以滿足要求。

3 冷媒電加熱器主要關鍵應用實驗與結果分析

本實驗的目的是測定并驗證空調上的冷媒電加熱器在實際應用中是否安全。采用如下主要關鍵實驗項，通過實驗確定電加熱管功率的選擇合理性：（1）不同功率下電加熱器除霜實驗；（2）缺氟70%異常化霜實驗；（3）缺氟50%及電子膨脹閥關閉時化霜實驗；（4）加熱化霜舒適性實驗。冷媒電加熱器在實際空調中安裝示意如圖3所示，系統如圖4所示。

圖1 空調冷媒電加熱器整體設計示意圖

圖2 電加熱器表面溫度實測值與計算值示意圖

3.1 實驗過程及分析

圖4 系統示意圖

圖5 缺氟化霜實驗

冷媒電加熱器實際裝配時有反向裝配和正向裝配兩種安裝方式。綜合分析，不建議采用反向裝配方式。以下實驗均按照正向裝配方式進行，具體實驗過程及分析如下：

3.1.1 不同功率下電加熱器除霜實驗

在室內側20℃，室外側0℃的工況條件下，分別將電加熱管功率保持在600W、500W、400W，進行除霜實驗效果驗證，測試所得數據整理如表2所示。

實驗分析：

（1）綜合比較，電加熱管采用400W功率時，其可靠性是最好的，電加熱表面溫度和斷電后溫度飆升值均不是特別高；

（2）在化霜速度的對比實驗中，相同的進入條件下，400W的電加熱管反而比600W的電加熱管除霜速度快，這其中可能存在測試誤差，但是即使如此，也能推斷出兩者的區別不大，電加熱器并未發揮出最大的效用。其原因是電加熱接觸的大多為兩相流冷媒，根據以前的實驗經驗，加熱這種相態的冷媒效果很差，電加熱管表面溫度高，代表冷媒并未與電加熱管進行有效換熱。采用400W功率的加熱管在特殊化霜中除霜速度最快，只要465s即可完成化霜，效果最好；

（3）觀察加熱過程中管表面溫度，采用600W功率的電加熱管時，管表面溫度在170℃，高于設計目標值120℃。采用400W功率的電加熱管進行該項實驗后，管表面最高溫度為102.55℃，距離正常工作時的設計目標值還有17.45℃裕量，可滿足設計要求。

由上分析，之前選擇400W功率的電加熱翅片管符合全應用的功率要求。

3.1.2 缺氟70%異常化霜實驗

整機進入化霜狀態，驗證系統在異常情況下，電加熱器表面溫度是否符合設計要求，在保護器件保護之前，表面溫度不能大于120℃。

實驗分析：

由表3可知，在泄漏50%冷媒的情況下，管表面最高溫度為82.2℃，加熱管表面最高溫度為84.5℃，始終未超過正常工作設計控制目標值120℃。

3.1.3 缺氟50%及電子膨脹閥關閉時化霜實驗

在不同灌注量情況下，進入化霜后電子膨脹閥關死，驗證電加熱器表面溫度是否符合設計要求，在保護器件保護之前，表面溫度不能大于120℃。實驗數據如表4所示。

實驗分析：

冷媒泄漏50%，電子膨脹閥關閉化霜實驗，排氣感溫包出現保護。此時管表面最高溫度為140.2℃，限溫器和熔斷體不會出現保護。檢測全程，電加熱器管表面最高溫度為129.8℃，高于控制目標120℃，但遠小于警戒溫度170℃，且持續時間甚短，可忽略，不會影響壓縮機油性能。

3.1.4 加熱化霜舒適性實驗

模擬在極限工況，即室外溫度-12℃，相對濕度90%的環境中，應用冷媒電加熱器進行加熱化霜與未用電加熱器的常規化霜效果對比，實驗結果表明：采用特殊化霜后的出風溫度比常規化霜溫度高1.5℃，進風溫度（即房間整體溫度）比常規除霜溫度高0.4℃；內風機采用開停控制，加熱化霜的平均化霜時間為5.5min，常規除霜時間為7min。加熱化霜內管溫比常規除霜管溫高1.9℃。加熱化霜時室內溫度波動的最大值為5.2℃，常規除霜模式為8.0℃，加熱化霜舒適性比常規化霜舒適性高。對比實驗數據見表5。

3.2 實驗結論

（1）選擇400W的冷媒電加熱器功率，化霜時間比其他功率的化霜速度要快。加熱器表面保護溫度只需確保不超過冷媒的裂解溫度即可，即裂解溫度為200℃，目前的設計目標為170℃，目前實驗驗證，模擬各種正常使用和異常使用情況，管表面溫度均未超過170℃。

（2）冷媒電加熱器傳熱效率較高。由于冷媒電加熱器直接串聯在管路系統中，冷媒在工作時屬于濕蒸汽狀態，液側的傳熱系數比空氣中要高出很多，傳熱效率高。

（3）冷媒電加熱器的應用可實現快速化霜，提高室內環境舒適性。化霜舒適性實驗對比，應用冷媒電加熱器化霜后，室內溫度波動較常規化霜少2.8℃，加熱化霜比常規化霜時間縮短4min。化霜完畢后，出風溫度即刻可以達到接近40℃，在冬天，不會引起人的不舒適感，大大提高了房間舒適性。

（4）冷媒電加熱器應用安全可靠，使用壽命長。由于冷媒電加熱器設置在冷媒濕蒸汽內，其工作時表面溫度比暴露在空氣中使用時要低許多，且當室外機在停機時，殘余加熱器內的余熱可以被冷媒濕蒸汽所吸收，從而使得電加熱器外殼表面不會因過熱而被燒壞，延長了其使用壽命。

（5）為防止冷媒電加熱器過久干燒，其內部設計有限溫器和熔斷器，并經實驗驗證安全。冷媒電加熱器發熱面不與空氣接觸，且封閉在管路內，即使在干燒情況下也無火災隱患，使用安全可靠。

圖6 缺氟及電子膨脹閥關閉化霜

表1 牌號Cr20Ni80發熱絲材料參數表[25]

表2 不同功率下電加熱器的效果測試數據

表3 缺氟50%化霜實驗數據

表4 缺氟50%及電子膨脹閥關死化霜實驗數據

表5 加熱化霜與未加熱化霜舒適性對比實驗