制冷劑泄漏對除濕機結霜特性的影響研究

馬佩佩 談裕輝 田潔 劉丹華 譚裕鋒

海信家電集團股份有限公司 廣東順德 528300

0 引言

除濕機目前被廣泛用于降低室內環境的相對濕度，從而營造舒適的室內環境或用于保護精密儀器和圖書等。基于目前的工藝水平限制，除濕機在生產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生制冷劑泄漏。加之除濕機一般需要持續運行較長的時間，在運行過程中又受到使用環境中各種化學物的作用，這將加劇制冷劑泄漏發生的可能性。除濕機采用的節流部件以毛細管為主，基于毛細管節流不能依據負荷變化而自動調節的特點，采用毛細管節流的除濕機，當制冷劑充注量變化時，對除濕機性能的影響很大[1]。制冷劑泄漏過程中，隨著除濕機系統內制冷劑量的減少，一方面會出現壓縮機的排氣溫度升高導致壓縮機高溫燒毀的問題，另一方面也會出現導致蒸發器進口溫度降低從而引起蒸發器結霜等問題。

現有除濕機制冷劑泄漏的研究主要集中在制冷劑檢漏及保護壓縮機方面，關于制冷劑泄漏導致的蒸發器結霜的研究仍較為少見。楊祖煌基于神經網絡構建除濕機運行數據與制冷劑量間的關系，以提升除濕機缺氟的檢測性能[2]。田潔等依據環境溫度與蒸發器管溫的差值設定除濕機制冷劑泄漏規則，并確保當制冷劑泄漏率達到50%以上時，除濕機可自動進入制冷劑泄漏保護，從而起到保護除濕機的作用[3]。

關于除濕機在制冷劑泄漏過程中，蒸發器結霜的現象目前仍未有相關研究。除濕機的制冷劑泄漏是一個較為緩慢的過程，當除濕機制冷劑泄漏到一定范圍內，除濕機會出現嚴重的結霜現象，減少空氣流通面積從而影響除濕機的整機除濕效果[4]。受限于除濕機的使用場景一般為濕度較高的室內環境如地下室等，以及現有除濕機的制冷劑泄漏保護模式一般設定為制冷劑泄漏率高于50%時才發出制冷劑泄漏報警信息，使得用戶不能及時發現除濕機處于異常工作狀態，致使錯失人為干預的最佳時間。現有除濕機的除霜方式有風機除霜和旁通閥除霜兩種，風機除霜是當前除濕機中最常用的除霜方式[5]。當前的風機除霜保護控制程序主要依據除濕機正常運行時收集的試驗數據，當除濕機處于制冷劑泄漏狀態時，現有的除霜保護程序可能出現失效保護。

為此，針對除濕機在制冷劑泄漏過程中的蒸發器結霜過程進行分析，并基于此分析現有的除霜保護機制，對實際的工程應用具有一定的意義。此外，與當前廣泛應用于除濕機的R410A相比，R32的GWP（675）同比下降67.9%，R32的環保性能更優[6]。目前美國加州已出臺相關環保政策，要求2023年起加州境內銷售的除濕機制冷劑GWP需低于750，可以推斷R32具有更好的市場應用前景。本文將選用R32制冷劑進行除濕機制冷劑泄漏的除霜保護研究。

本文主要針對除濕機R32制冷劑泄漏過程的結霜情況及除霜保護進行實驗研究。首先針對室內干球溫度及制冷劑泄漏率對除濕機結霜情況的影響進行分析；而后對不同制冷劑泄漏率時除濕機蒸發器的溫度分布進行分析，以便更深入的了解制冷劑泄漏過程中的結霜情況；最后針對制冷劑泄漏過程中的現有除濕機除霜保護程序的啟動情況進行分析。本文對理解除濕機的結霜過程具有一定的意義，對后續除濕機結霜保護程序設計具有一定的指導作用。

1 制冷劑泄漏下的結霜實驗

本文所涉及的實驗均在焓差室內進行，實驗所選用的除濕機型號為DH70K1RCA，R32制冷劑初始充注量為130 g，測試電參數為115 V/60 Hz。測試工況為：室內干球溫度范圍為12℃～28℃，室內相對濕度均為60%。本文通過改變除濕機充注制冷劑量質量百分比來模擬除濕機制冷劑泄漏狀態，共設置6種除濕機制冷劑泄漏率（0%、30%、40%、50%、60%、70%），制冷劑泄漏率的計算公式見式（1）。

該除濕機的蒸發器結構如圖1所示，該除濕機蒸發器共12根U管，感溫管布置位置位于U4右側彎頭。為研究不同制冷劑泄漏率及不同工況下蒸發器的溫度分布，分別在蒸進（蒸發器制冷劑進口）、U1～U11及蒸出（蒸發器制冷劑出口）處布置熱電偶，布點均在蒸發器感溫管的同側。利用采樣器等設備保證焓差室內工況的穩定，利用計時器記錄除濕機的未結霜時間。本實驗的熱電偶布置方式為直接粘貼法，受到實驗室電磁場的環境影響較大，并且熱電偶的測溫動態特性較差，使得實驗過程的溫度測定具有一定的不確定性。此外，本實驗的結霜時間和結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 除濕機蒸發器結構圖

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

結霜面積比是指蒸發器進風側的結霜面積占蒸發器進風側總面積的百分比，其計算公式見式（2），式中：b為蒸發器的端板距離，mm；h為蒸發器的高度，mm；b1為蒸發器結霜面積的折合寬度，mm；h1為蒸發器結霜面積的折合高度，mm。為便于測量計算，將實際蒸發器中不規則形狀的結霜面積近似處理成為長方形。

未結霜時間是指先觀測1個小時，如果除濕機在該時段內發生結霜，則從下一次化霜后除濕機重新啟動開始計時，至發現除濕機開始結霜時停止計時，該時段即為除濕機的未結霜時間；如若除濕機在該時段內未結霜，則未結霜時間為20 min；結霜時間是指結霜時間等于20 min減去未結霜時間，20 min為設定時間。未結霜時間和結霜時間的關系見式（3）。

將除濕機安裝在焓差室內，調節焓差室內工況達到設定值，將采樣器布置在除濕機的進風口處30 cm處，以調節焓差室內的工況保持穩定。等待焓差室內的工況穩定后，啟動除濕機并開始計時，觀測1個小時內除濕機是否發生結霜現象，如果有，則等待下一次化霜，除濕機啟動后重新計時，記錄除濕機的未結霜時間。在除濕機化霜前，記錄蒸發器的結霜面積和除霜保護程序的啟動情況。更改除濕機的制冷劑充注量和焓差室工況，進行重復實驗。

2 結果分析

2.1 除濕機的制冷劑泄漏除霜保護分析

當前除濕機的結霜保護的設置為：當除濕機的感溫包感溫溫度在持續一段時間內低于設定溫度值，除濕機自動進入除霜模式。進入除霜模式后，風機持續運行除霜，當檢測到感溫包感溫溫度高于設定溫度值時，除濕機退出除霜模式。

如表1所示，除濕機制冷劑泄漏率為0%～30%時，除濕機除霜保護程序啟動情況與除濕機結霜情況一致，表明在該制冷劑泄漏率范圍內，除濕機的除霜保護程序可以起到有效的除霜保護。當除濕機制冷劑泄漏率為60%～70%時，除濕機雖然會結霜，但是并未啟動除霜保護，其原因在于此時的制冷劑泄漏率達到進入制冷劑泄漏保護的條件，除濕機進入制冷劑泄漏保護程序而非除霜保護程序。

表1 不同室內干球溫度下及制冷劑泄漏率的除濕機除霜保護啟動匯總表

除濕機制冷劑泄漏率為40%～50%時，除濕機除霜保護程序啟動情況與除濕機結霜情況不一致。當室內干球溫度分別為24℃～28℃時，制冷劑泄漏率為40%～50%時均會發生結霜，然而除濕機并未啟動除霜模式。其原因在于，現有的除霜保護機制并沒有考慮除濕機制冷劑泄漏的情況，隨著制冷劑泄漏率的提高，除濕機從靠近蒸發器制冷劑進口的底部開始結霜且除濕機的結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定除霜保護溫度，故并未觸發除濕機的除霜保護程序，出現除濕機除霜不干凈的現象，從而影響除濕機的除濕效果。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，同等質量的R32制冷劑比R410A的換熱能力更高，除濕機的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制冷劑的蒸發器進口段的結霜情況較R410A制冷劑更為嚴重。

對此，需要對除濕機制冷劑泄漏過程中的除濕機結霜情況和蒸發器空間溫度分布進行進一步的研究分析，從而對現有的結霜保護程序做進一步的優化。

2.2 除濕機制冷劑泄漏結霜情況分析

圖2～圖6分別為室內干球溫度為12℃～28℃間變化時除濕機充注不同制冷劑量的結霜情況。如圖2～圖6所示，除濕機制冷劑泄漏率為0%時，僅當室內干球溫度為12℃～16℃時，出現結霜現象；制冷劑泄漏率為30%的除濕機，僅當室內干球溫度為12℃～20℃時出現結霜現象；制冷劑泄露率為40%～70%的除濕機，當室內干球溫度為12℃～28℃時均出現結霜現象。

圖2 12℃下除濕機不同制冷劑泄漏率的結霜情況

圖3 16℃下除濕機不同制冷劑泄漏率的結霜情況

圖4 20℃下除濕機不同制冷劑泄漏率的結霜情況

圖6 28℃下除濕機不同制冷劑泄漏率的結霜情況

圖5 24℃下除濕機不同制冷劑泄漏率的結霜情況

當除濕機制冷劑泄漏率及室內濕球溫度不變時，隨著室內干球溫度的升高，蒸發器的結霜面積和結霜時間均隨之降低，制冷劑泄漏率分別為0%、30%、40%、50%、60%、70%的除濕機，隨著室內干球溫度的升高，除濕機的結霜面積比分別從100%、100%、70.8%、66.67%、41.67%及2.08%下降至0%、0%、35%、16.67%、6.67%及1.04%，除濕機的結霜時間分別從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，本文選用除濕機的壓縮機為定速壓縮機，在壓縮機能力、毛細管規格及兩器規格不變的情況下，隨著室內干球溫度的升高，蒸發器的進口溫度和掠過蒸發器翅片的室內空氣干球溫度隨之升高，不利于在蒸發器表面結霜。

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

2.3 結霜工況下蒸發器溫度空間分布分析

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

圖7 不同工況下0%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

圖12 不同工況下70%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

圖9 不同工況下40%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

圖10 不同工況下50%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

如圖7可知，當制冷劑泄漏率為0%時，蒸發器的進口段均呈現過熱狀態，蒸發器的中間段均呈現過冷狀態，受到室內干球溫度變化的影響不明顯。而在蒸發器的出口區，該區域的溫度變化受到室內干球溫度的變化較為明顯，隨室內干球溫度的升高而從過冷狀態轉變為過熱狀態，該工況下蒸發器初始結霜的位置主要位于蒸發器出口段。

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

圖8 不同工況下30%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

如圖11～12可知，當制冷劑泄漏率為60%～70%時，蒸發器溫度點均呈現過熱趨勢，隨著制冷劑泄漏率的升高，蒸發器內的過熱情況愈發嚴重，蒸發器進出口溫差可高達50℃，而蒸發器的溫度空間分布變化受室內干球溫度的影響不明顯。此外，在12℃～28℃工況下，蒸發器中0℃以下的溫度點均在蒸發器進口段，該工況下蒸發器最開始結霜的位置均位于蒸發器進口段。

圖11 不同工況下60%制冷劑泄漏率的蒸發器溫度空間分布

3 結論及展望

本文對除濕機R32制冷劑除霜保護及制冷劑泄漏時的結霜情況進行研究，通過實驗得到以下結論：

（1）現有除濕機在設置除霜保護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%，從而當制冷劑泄露率為40%～50%且室內干球溫度較高時，容易發生除霜保護不啟動導致R32制冷劑除濕機結霜情況嚴重的現象。

（2）當除濕機制冷劑泄漏率及室內濕球溫度不變時，隨著室內干球溫度升高，蒸發器的結霜面積最高可從100%下降至0%，結霜時間可從13 min下降至0 min，呈線性負相關。當室內干球溫度及濕球溫度不變時，在除濕機發生結霜現象的制冷劑泄漏率區間內，結霜面積與制冷劑泄漏量為線性負相關。后續除霜保護程序可考慮室內干球溫度和制冷劑泄漏率對除霜保護時間和風機轉速的影響，當室內干球溫度和制冷劑泄漏率升高時，減少除霜保護時間或降低風機轉速。

（3）當制冷劑泄漏量低于60%時，蒸發器內的溫度分布受到不同室內干球溫度的影響較大，室內干球溫度的升高會加劇蒸發器內的過熱現象。當制冷劑泄漏率大于等于60%時，蒸發器內的溫度分布受到室內干球溫度的影響較小，此時蒸發器內處于嚴重過熱的狀態，進出口溫差可高達50℃以上。此外，不同制冷劑泄漏率下除濕機的最初結霜位置有所不同，隨著制冷劑泄漏量的升高，除濕機的最初結霜位置從蒸發器出口段過渡到蒸發器的進口段。后續除霜保護程序在布置感溫包時應布置在蒸發器進口段，同時基于不同的制冷劑泄漏率和室內干球溫度設置不同的除霜保護準進溫度，以提高進入除霜保護程序的準確性。