間歇式逆循環除霜非穩態冷密封膠粘劑分布規律研究

趙二慶，喬萬俊

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

變頻空調是指加裝了變頻器的常規空調。這種空調由于具有變頻器這一設備，能夠更好地控制和調整空調壓縮機的轉速控制系統，使空調長期處于最佳工作狀態。變頻空調與常規空調相比，具有控溫智能、舒適，能耗更低等優點。如今變頻空調所占市場份額越來越多，利用變頻空調進行制熱的場景也越來越多[1-3]。變頻空調制熱時存在一個問題，即當水的凝結點和空氣的露點高于變頻空調室外換熱器的溫度時，空調會出現累積狀的結霜，且這種現象無法避免。一旦空調結霜則空調內部熱阻會自然上升，空調內部的空氣流動會受到阻礙，系統的制熱效果也會顯著下降。因此，對變頻空調進行除霜顯得尤為重要。

在逆循環除霜工藝中，四通閥設備可以用于控制、逆轉制冷劑的流向，當變頻空調在制熱過程中出現結霜問題時，來自壓縮機的高溫排氣會首先被抽取到室外換熱器中用于除霜。當除霜達到一定效果以后四通閥重新開啟繼續對室內進行制熱。這種除霜工藝被稱為間歇式逆循環除霜。在變頻空調除霜過程中，會引起一系列復雜參數的變化，如果冷密封膠粘劑處理不當可能會引起制冷劑管路、壓縮機的機械損壞或者引發變頻空調出現較為明顯的噪音問題等。因此，本文對變頻空調間歇式逆循環除霜非穩態冷密封膠粘劑的分布規律進行研究，旨在為更好地解決變頻空調除霜再加熱工藝中的問題提供借鑒。

1 實驗原理與設計

1.1 實驗原理

冷密封膠粘劑的流向和動態特征模擬，是對間歇式逆循環除霜過程進行實驗分析的關鍵。有學者在對變頻空調冷凝水流向進行觀察后發現，在間歇式逆循環除霜過程中，有部分冷凝劑會被抽到吸氣管儲液器中，導致除霜開始時壓縮機吸收大量的冷密封膠粘劑。為此，有學者提出了以冷密封膠粘劑符合補償策略替換傳統的吸氣管儲液器，使變頻空調避免出現壓縮機大量吸收冷密封膠粘劑的現象[4-6]。但是，這種問題解決思路主要集中在壓縮機運行時熱泵功能的轉換場景中。這種設備元器件替換方法很容易誘發變頻空調內部結構變化進而影響硬件設備使用壽命。因此，本文在進行相關分析時，將實驗環境假設為變頻空調每一次循環開始前，實行關停1 min的除霜模式。針對該場景下變頻空調中的冷密封膠粘劑分布規律進行研究，從而系統性總結除霜與再加熱期間，變頻空調間歇式逆循環除霜的優化方案。

1.2 實驗設計

本次實驗采用國內某品牌生產的變頻空調、冷密封膠粘劑分體機等。其中冷密封膠粘劑分體機中冷密封膠粘劑的填充量為1 100 g，額定制熱量為4.8 kW。表1所示為該機型部件參數情況。

表1 實驗用空調主要元器件明細Tab.1 Details of main components of air conditioning for experiment

變頻空調系統內部結構如圖1所示。在該空調中，截止閥的位置主要在壓縮機、室內機、室外機的兩端；所用閥體內經等同于室內外機的管外徑(即7 mm)，從而充分降低閥體本身給管道帶來的壓損。為獲得較為穩定的冷密封膠粘劑非穩態特征，本文選擇將±0.2 ℃的精確T型換熱器管道用熱電偶安裝在管外多處，主要位置在各截止閥之間。測壓計主要安裝在壓縮機的進口和出口處，用于測量壓縮機的吸氣和排氣壓力，鑒于壓縮機實際作業參數為不定值，因此，本文使用的測壓計測量范圍為0～4 MPa，精確范圍為±0.01%[7-9]。同時，本文選用了測量范圍為30 kg、測量精度為±0.1 g的天平來對使用的各元器件的質量進行測量。

圖1 變頻空調系統內部結構Fig.1 Internal structure of frequency conversion air conditioning system

1.3 實驗過程

冷密封膠粘劑分布規律分析實驗在焓差實驗室中進行。焓差實驗室可以為冷密封膠粘劑分布規律分析提供一個方便的測量控制操作平臺[10]。焓差實驗室主要由各種測控儀表、變送器、計算機、開關、指示燈等組成，整體可以分為2個主要房間。其中，空氣溫度和濕度分別由熱量和濕度測控儀表和機器組成。表2所示為模擬室內、外環境房間的基本溫濕度條件。

表2 焓差實驗室基本溫、濕度參數Tab.2 Basic temperature and humidity parameters of enthalpy difference laboratory

圖2所示為焓差實驗室內模擬變頻空調除霜的過程。除霜開始于制熱1 h以后的第1次關停，結束于室外換熱器表溫達到18 ℃時。當變頻空調中的四通閥在換向時，電子膨脹閥通過打開全部閥體來加速壓力平衡。當變頻空調處于再次制熱狀態時，室內風扇通過執行關閉命令避免室外冷空氣進入。通過間歇式的除霜基本達到室內30 ℃恒溫。

圖2 焓差實驗室內模擬變頻空調除霜的過程Fig.2 Defrosting process of frequency conversion air conditioner simulated in enthalpy difference laboratory

間歇式逆循環除霜非穩態冷密封膠粘劑分布規律的測量主要依賴快關閥技術。快關閥技術的基本流程如圖3所示。這種基于冷密封膠粘劑質量的快關閥技術的實現依賴于各元器件的進出口快速關停截止閥，通過計算冷密封膠粘劑離開前后各元器件的質量變化，分析得到間歇式逆循環除霜過程中冷密封膠粘劑的質量分布情況。

圖3 快關閥技術的基本流程Fig.3 Basic flow of quick closing valve technology

在斷開系統進行逐一稱重以后將各部件的總質量標記為W1；移除冷密封膠粘劑以后再次稱重，將部件的總質量標記為W2；W1-W2即可表示各元件中冷密封膠粘劑的質量。

壓縮機和儲液罐冷密封膠粘劑的移除過程。第1步，在對壓縮機和儲液罐進行稱重以后，需要開啟閥門并清空壓縮機和儲液罐，避免各部件中潤滑劑的不必要流失；第2步，當壓縮機中的壓力低于20 kPa時，關閉快關閥門，測量壓縮機和儲液罐的重量，如果第1步和第2步的質量變化小于3 g，則冷密封膠粘劑移除結束；如果大于等于3 g則進入第3步；第3步，開啟電加熱，對壓縮機和儲液罐進行加熱并重新進入第1步流程。

1.4 冷密封膠粘劑分布測試誤差計算

冷密封膠粘劑分布的測試總誤差用σ表示；σm表示測試誤差；σr表示變頻空調各元器件中殘余的冷密封膠粘劑所造成的誤差；στ表示快關閥技術造成的誤差。則總誤差σ可以由下式進行計算：

σ=σm+σr+στ

當換熱器在焓差實驗室內被置放12 h以后，抽空其內部空氣，此時換熱器中的冷密封膠粘劑潤滑油混合物造成的質量誤差可以被忽略不計。各元器件的質量由天平稱量，通過計算得到σm、σr、στ的值，結果如表3所示。

表3 冷密封膠粘劑分布測試誤差計算結果Tab.3 Calculation results of refrigerant distribution test error

2 結果與分析

2.1 除霜階段壓力變化情況

表4所示為壓縮機接到除霜信號停機開始，空調除霜階段排氣壓力和吸氣壓力隨時間的變化而變化的有關數據。

表4 除霜階段壓力隨時間變化Tab.4 Pressure change with time in defrosting stage MPa

吸氣壓力整體上始終高于排氣壓力，但在時間為50、375和400 s達到相同值。這可能與除霜過程中四通閥、壓縮機的工作頻率有關[11-13]。當間歇式循環逆轉時，冷密封膠粘劑在換熱器中的進出口進行交換。本文將以變頻空調的制熱模式中進出口為準，對變頻空調除霜階段冷密封膠粘劑的分布情況進行分析。

表5所示為壓縮機接到除霜信號停機開始，空調除霜階段冷密封膠粘劑分布隨時間的變化而變化的有關數據。其中冷密封膠粘劑分布數據主要從壓縮機、室內機和室外機等的質量變化數據進行呈現。

表5 不同元器件冷密封膠粘劑質量變化情況Tab.5 Refrigerant quality changes of different components g

從壓縮機第1次停機開始計時，壓縮機中的冷密封膠粘劑質量呈現出先小幅上升再小幅降低后急劇提升再緩慢提升的變化態勢；室內機中的冷密封膠粘劑質量則先急劇下降后小幅提升再緩慢下降最后又小幅提升；室外機中的冷密封膠粘劑性能則表現先急劇提升，然后急劇下降，再緩慢下降[14-15]。3處不同元器件冷密封膠粘劑質量變化幅度較大處集中在壓縮機開停以后約0～200 s，這是因為壓縮機再開啟期間的冷密封膠粘劑重新進行了分布及壓縮機關停期間自身的位移造成的。

2.2 冷密封膠粘劑分布規律分析

2.2.1第1階段：0～60 s

0～60 s時間段為壓縮機第1次停機并切換四通閥階段。此時壓縮機剛接受到系統發出的除霜信號，壓縮機室外風機此時第1次停止運轉，冷密封膠粘劑的遷移方向為室內機室外機；系統高低壓在36 s左右時達到平衡；當開始除霜時，室外換熱器盤管的溫度處于逐步提升過程，到15 s時，達到0 ℃，此時室外換熱器中凝聚、累計的霜層開始融化；在15 s以后，由于室外換熱器霜層逐漸由冰化為水，室外換熱器的溫度始終保持在0 ℃左右。

2.2.2第2階段：61～105 s

這一階段四通閥開始換向，當壓縮機工作至61 s時重新啟動。在這一階段壓縮機重新啟動之初，室內機中的冷密封膠粘劑計量較少，而壓縮機的吸氣量較大。因此，此時的空調吸氣壓力在幾秒鐘時間內出現驟降，壓縮機和儲液器中的冷密封膠粘劑遷移方向為室外、室內。隨著系統內外壓差的逐漸提升，電子膨脹閥的流量也隨之逐漸增大，壓縮機的吸氣壓力因吸氣量的減小而增大。系統工作至72 s時，內外部相對穩定的壓力體系逐漸形成，室外換熱器中的冷密封膠粘劑進入室內換熱器形成制冷效果，此時室內換熱器管壁溫度驟降，大部分的冷密封膠粘劑以液態分布在管內、室內換熱器和氣管中，此時室內機中分布了大量的冷密封膠粘劑[16-18]。

2.2.3第3階段：105～170 s

系統工作至105 s以后，空調儲液器進口的溫度突然下降，表明此時除霜低壓側的銅管吸收并儲備的熱量基本耗盡，此時室內換熱器已經沒有足夠的熱量用于蒸發經過節流閥流入儲液器的液態冷密封膠粘劑。當系統工作至170 s以后，新的空調內外壓力平衡建立，壓縮機流量逐漸減小，冷密封膠粘劑由室內外機流向壓縮機。

2.2.4第4階段：170～370 s

此階段冷密封膠粘劑的分布沒有發生明顯的流動，各部分冷密封膠粘劑質量變化不明顯。隨著除霜的進一步進行，一部分室外換熱器的銅管開始相互接觸，銅管外壁面由相變轉變為與自然對流換熱，此時銅管整體的換熱效果變差，排氣壓力和管壁溫度在230 s以后迅速提高，膨脹閥流量增大。因此，此階段壓縮機和儲液器的冷密封膠粘劑質量略有提升。

2.2.5第5階段：370 s以后

此階段壓縮機再次停機，冷密封膠粘劑的轉移方向為室外室內、壓縮機[19-20]。此時室內換熱器的銅管管壁在熱氣作用下快速提升至0 ℃左右；四通閥換向以后，壓縮機在400 s時再次啟動，空調重新實現供熱。

3 結語

逆循環除霜是目前變頻空調制熱環節除霜所采用的主要技術方法。本文對間歇式逆循環除霜非穩態的冷密封膠粘劑分布規律進行總結，利用不同階段壓縮機、室內外中冷密封膠粘劑質量變化情況，對冷密封膠粘劑的遷移走向、成因、對應的具體時間段等進行了詳細研究。對變頻空調開展本次研究，有助于空調研發領域人員掌握冷密封膠粘劑走向和分布規律，從而針對性對空調工作流程進行優化。