间歇式逆循环除霜非稳态冷密封胶粘剂分布规律研究

赵二庆，乔万俊

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

变频空调是指加装了变频器的常规空调。这种空调由于具有变频器这一设备，能够更好地控制和调整空调压缩机的转速控制系统，使空调长期处于最佳工作状态。变频空调与常规空调相比，具有控温智能、舒适，能耗更低等优点。如今变频空调所占市场份额越来越多，利用变频空调进行制热的场景也越来越多[1-3]。变频空调制热时存在一个问题，即当水的凝结点和空气的露点高于变频空调室外换热器的温度时，空调会出现累积状的结霜，且这种现象无法避免。一旦空调结霜则空调内部热阻会自然上升，空调内部的空气流动会受到阻碍，系统的制热效果也会显著下降。因此，对变频空调进行除霜显得尤为重要。

在逆循环除霜工艺中，四通阀设备可以用于控制、逆转制冷剂的流向，当变频空调在制热过程中出现结霜问题时，来自压缩机的高温排气会首先被抽取到室外换热器中用于除霜。当除霜达到一定效果以后四通阀重新开启继续对室内进行制热。这种除霜工艺被称为间歇式逆循环除霜。在变频空调除霜过程中，会引起一系列复杂参数的变化，如果冷密封胶粘剂处理不当可能会引起制冷剂管路、压缩机的机械损坏或者引发变频空调出现较为明显的噪音问题等。因此，本文对变频空调间歇式逆循环除霜非稳态冷密封胶粘剂的分布规律进行研究，旨在为更好地解决变频空调除霜再加热工艺中的问题提供借鉴。

1 实验原理与设计

1.1 实验原理

冷密封胶粘剂的流向和动态特征模拟，是对间歇式逆循环除霜过程进行实验分析的关键。有学者在对变频空调冷凝水流向进行观察后发现，在间歇式逆循环除霜过程中，有部分冷凝剂会被抽到吸气管储液器中，导致除霜开始时压缩机吸收大量的冷密封胶粘剂。为此，有学者提出了以冷密封胶粘剂符合补偿策略替换传统的吸气管储液器，使变频空调避免出现压缩机大量吸收冷密封胶粘剂的现象[4-6]。但是，这种问题解决思路主要集中在压缩机运行时热泵功能的转换场景中。这种设备元器件替换方法很容易诱发变频空调内部结构变化进而影响硬件设备使用寿命。因此，本文在进行相关分析时，将实验环境假设为变频空调每一次循环开始前，实行关停1 min的除霜模式。针对该场景下变频空调中的冷密封胶粘剂分布规律进行研究，从而系统性总结除霜与再加热期间，变频空调间歇式逆循环除霜的优化方案。

1.2 实验设计

本次实验采用国内某品牌生产的变频空调、冷密封胶粘剂分体机等。其中冷密封胶粘剂分体机中冷密封胶粘剂的填充量为1 100 g，额定制热量为4.8 kW。表1所示为该机型部件参数情况。

表1 实验用空调主要元器件明细Tab.1 Details of main components of air conditioning for experiment

变频空调系统内部结构如图1所示。在该空调中，截止阀的位置主要在压缩机、室内机、室外机的两端；所用阀体内经等同于室内外机的管外径(即7 mm)，从而充分降低阀体本身给管道带来的压损。为获得较为稳定的冷密封胶粘剂非稳态特征，本文选择将±0.2 ℃的精确T型换热器管道用热电偶安装在管外多处，主要位置在各截止阀之间。测压计主要安装在压缩机的进口和出口处，用于测量压缩机的吸气和排气压力，鉴于压缩机实际作业参数为不定值，因此，本文使用的测压计测量范围为0～4 MPa，精确范围为±0.01%[7-9]。同时，本文选用了测量范围为30 kg、测量精度为±0.1 g的天平来对使用的各元器件的质量进行测量。

图1 变频空调系统内部结构Fig.1 Internal structure of frequency conversion air conditioning system

1.3 实验过程

冷密封胶粘剂分布规律分析实验在焓差实验室中进行。焓差实验室可以为冷密封胶粘剂分布规律分析提供一个方便的测量控制操作平台[10]。焓差实验室主要由各种测控仪表、变送器、计算机、开关、指示灯等组成，整体可以分为2个主要房间。其中，空气温度和湿度分别由热量和湿度测控仪表和机器组成。表2所示为模拟室内、外环境房间的基本温湿度条件。

表2 焓差实验室基本温、湿度参数Tab.2 Basic temperature and humidity parameters of enthalpy difference laboratory

图2所示为焓差实验室内模拟变频空调除霜的过程。除霜开始于制热1 h以后的第1次关停，结束于室外换热器表温达到18 ℃时。当变频空调中的四通阀在换向时，电子膨胀阀通过打开全部阀体来加速压力平衡。当变频空调处于再次制热状态时，室内风扇通过执行关闭命令避免室外冷空气进入。通过间歇式的除霜基本达到室内30 ℃恒温。

图2 焓差实验室内模拟变频空调除霜的过程Fig.2 Defrosting process of frequency conversion air conditioner simulated in enthalpy difference laboratory

间歇式逆循环除霜非稳态冷密封胶粘剂分布规律的测量主要依赖快关阀技术。快关阀技术的基本流程如图3所示。这种基于冷密封胶粘剂质量的快关阀技术的实现依赖于各元器件的进出口快速关停截止阀，通过计算冷密封胶粘剂离开前后各元器件的质量变化，分析得到间歇式逆循环除霜过程中冷密封胶粘剂的质量分布情况。

图3 快关阀技术的基本流程Fig.3 Basic flow of quick closing valve technology

在断开系统进行逐一称重以后将各部件的总质量标记为W1；移除冷密封胶粘剂以后再次称重，将部件的总质量标记为W2；W1-W2即可表示各元件中冷密封胶粘剂的质量。

压缩机和储液罐冷密封胶粘剂的移除过程。第1步，在对压缩机和储液罐进行称重以后，需要开启阀门并清空压缩机和储液罐，避免各部件中润滑剂的不必要流失；第2步，当压缩机中的压力低于20 kPa时，关闭快关阀门，测量压缩机和储液罐的重量，如果第1步和第2步的质量变化小于3 g，则冷密封胶粘剂移除结束；如果大于等于3 g则进入第3步；第3步，开启电加热，对压缩机和储液罐进行加热并重新进入第1步流程。

1.4 冷密封胶粘剂分布测试误差计算

冷密封胶粘剂分布的测试总误差用σ表示；σm表示测试误差；σr表示变频空调各元器件中残余的冷密封胶粘剂所造成的误差；στ表示快关阀技术造成的误差。则总误差σ可以由下式进行计算：

σ=σm+σr+στ

当换热器在焓差实验室内被置放12 h以后，抽空其内部空气，此时换热器中的冷密封胶粘剂润滑油混合物造成的质量误差可以被忽略不计。各元器件的质量由天平称量，通过计算得到σm、σr、στ的值，结果如表3所示。

表3 冷密封胶粘剂分布测试误差计算结果Tab.3 Calculation results of refrigerant distribution test error

2 结果与分析

2.1 除霜阶段压力变化情况

表4所示为压缩机接到除霜信号停机开始，空调除霜阶段排气压力和吸气压力随时间的变化而变化的有关数据。

表4 除霜阶段压力随时间变化Tab.4 Pressure change with time in defrosting stage MPa

吸气压力整体上始终高于排气压力，但在时间为50、375和400 s达到相同值。这可能与除霜过程中四通阀、压缩机的工作频率有关[11-13]。当间歇式循环逆转时，冷密封胶粘剂在换热器中的进出口进行交换。本文将以变频空调的制热模式中进出口为准，对变频空调除霜阶段冷密封胶粘剂的分布情况进行分析。

表5所示为压缩机接到除霜信号停机开始，空调除霜阶段冷密封胶粘剂分布随时间的变化而变化的有关数据。其中冷密封胶粘剂分布数据主要从压缩机、室内机和室外机等的质量变化数据进行呈现。

表5 不同元器件冷密封胶粘剂质量变化情况Tab.5 Refrigerant quality changes of different components g

从压缩机第1次停机开始计时，压缩机中的冷密封胶粘剂质量呈现出先小幅上升再小幅降低后急剧提升再缓慢提升的变化态势；室内机中的冷密封胶粘剂质量则先急剧下降后小幅提升再缓慢下降最后又小幅提升；室外机中的冷密封胶粘剂性能则表现先急剧提升，然后急剧下降，再缓慢下降[14-15]。3处不同元器件冷密封胶粘剂质量变化幅度较大处集中在压缩机开停以后约0～200 s，这是因为压缩机再开启期间的冷密封胶粘剂重新进行了分布及压缩机关停期间自身的位移造成的。

2.2 冷密封胶粘剂分布规律分析

2.2.1第1阶段：0～60 s

0～60 s时间段为压缩机第1次停机并切换四通阀阶段。此时压缩机刚接受到系统发出的除霜信号，压缩机室外风机此时第1次停止运转，冷密封胶粘剂的迁移方向为室内机室外机；系统高低压在36 s左右时达到平衡；当开始除霜时，室外换热器盘管的温度处于逐步提升过程，到15 s时，达到0 ℃，此时室外换热器中凝聚、累计的霜层开始融化；在15 s以后，由于室外换热器霜层逐渐由冰化为水，室外换热器的温度始终保持在0 ℃左右。

2.2.2第2阶段：61～105 s

这一阶段四通阀开始换向，当压缩机工作至61 s时重新启动。在这一阶段压缩机重新启动之初，室内机中的冷密封胶粘剂计量较少，而压缩机的吸气量较大。因此，此时的空调吸气压力在几秒钟时间内出现骤降，压缩机和储液器中的冷密封胶粘剂迁移方向为室外、室内。随着系统内外压差的逐渐提升，电子膨胀阀的流量也随之逐渐增大，压缩机的吸气压力因吸气量的减小而增大。系统工作至72 s时，内外部相对稳定的压力体系逐渐形成，室外换热器中的冷密封胶粘剂进入室内换热器形成制冷效果，此时室内换热器管壁温度骤降，大部分的冷密封胶粘剂以液态分布在管内、室内换热器和气管中，此时室内机中分布了大量的冷密封胶粘剂[16-18]。

2.2.3第3阶段：105～170 s

系统工作至105 s以后，空调储液器进口的温度突然下降，表明此时除霜低压侧的铜管吸收并储备的热量基本耗尽，此时室内换热器已经没有足够的热量用于蒸发经过节流阀流入储液器的液态冷密封胶粘剂。当系统工作至170 s以后，新的空调内外压力平衡建立，压缩机流量逐渐减小，冷密封胶粘剂由室内外机流向压缩机。

2.2.4第4阶段：170～370 s

此阶段冷密封胶粘剂的分布没有发生明显的流动，各部分冷密封胶粘剂质量变化不明显。随着除霜的进一步进行，一部分室外换热器的铜管开始相互接触，铜管外壁面由相变转变为与自然对流换热，此时铜管整体的换热效果变差，排气压力和管壁温度在230 s以后迅速提高，膨胀阀流量增大。因此，此阶段压缩机和储液器的冷密封胶粘剂质量略有提升。

2.2.5第5阶段：370 s以后

此阶段压缩机再次停机，冷密封胶粘剂的转移方向为室外室内、压缩机[19-20]。此时室内换热器的铜管管壁在热气作用下快速提升至0 ℃左右；四通阀换向以后，压缩机在400 s时再次启动，空调重新实现供热。

3 结语

逆循环除霜是目前变频空调制热环节除霜所采用的主要技术方法。本文对间歇式逆循环除霜非稳态的冷密封胶粘剂分布规律进行总结，利用不同阶段压缩机、室内外中冷密封胶粘剂质量变化情况，对冷密封胶粘剂的迁移走向、成因、对应的具体时间段等进行了详细研究。对变频空调开展本次研究，有助于空调研发领域人员掌握冷密封胶粘剂走向和分布规律，从而针对性对空调工作流程进行优化。