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1、冬季空调化霜常识刘建/2013-01-07在冬季制热时，市场信息反馈问题最多的是制热效果不好，而空调化霜问题又是最为突 出的故障点。一些品牌空调宣扬“智能化霜，有霜化霜，无霜不化”、“电磁阀热气旁通除 霜”等技术突破，并将其作为创新点进行展示。化霜问题，不仅是所有空调冬季制热所经历的过程，实际上，除霜问题一直是制冷行业 的一个探索课题。我国地域辽阔，冬季南北温差大，热泵型空调很难做到一机适用多个地区 的地理环境。下图为部分城市冬季空调运行室外参数，从结霜分界线来看，此线以北由于温 湿度较低，影响热泵空调冬季使用的因素不是机组结霜，而是机组在低温下的性能系数。而 在沿线以南，机组存在结霜的问题，
2、这时结霜问题才是影响空调制热效果的主要因素。叫1 we b nt *5邛&咛申力ruiinvx* / /出 Wl溷 M FmHI洋魔.财：TN网gr 7r 7H X我国部分城市冬季空调运行室外参数现将服务网点反馈的热泵空调化霜实践经验及搜集的制冷技术学术成果整理成常识性 简介提供给大家，以便服务好市场。1. 结霜过程概述机组冬季制热运行时，室外翅片盘管换热器作为蒸发器，其表面温度低于环境空气温度。 当翅片盘管表面温度低于空气露点温度时，空气中的水蒸汽便会凝结；当此温度开始低于0C 时；凝露便以疏松的冰晶体形式堆积在翅片管表面上而形成霜。下图为某制冷技术重点实验 室通过显微照相法对两类翅片型换热
3、器的空气源热泵样机所做的结霜跟踪实验图。0 2C6C M 100120140时间Fmin平片热泵机组动态结霜曲线图条缝片热泵机组动态结霜曲线图从图中可以看出，在湿度较高的环境中，室外换热器表面霜层生长大致可分为三个阶段： 初始阶段、减速生长段及加速生长段。平片式在结霜初始阶段，霜层厚度增长速率逐渐加快， 各种工况下霜层厚度增长速度均在第1020分钟达到最大值，而后逐渐减小进入霜层生长的 第二阶段。在霜层减速生长段，霜层厚度的增长速率明显放慢。结霜循环周期的最后2030 分钟时段为第三阶段，即霜层加速生长段，在此时段内霜层厚度增长速度大大加快，根据工 况条件的不同，霜层厚度增长速率可达到第二阶段
4、的数倍以上。霜层厚度增长曲线在后半段 形成上凹型。条缝翅片热泵机组与平片热泵机组的霜层生长阶段特性、霜层形态变化相似， 不同之处在于：相对湿度为60%的所有工况及相对湿度为70%且环境温度低于0。的工况，表 面霜层厚度出现一段几乎不增加的时段，而对应与该时段的结霜量仍然近乎匀速增长，说明 此时段内湿空气与霜层间的水蒸汽质量交换完全用于增加霜层密度。2&ai-回祝-t6 -14 -12 TO-4-2 a 46环境温度状C霜层厚度与环境温度、结霜时间关系图上图为各种工况下霜层厚度均达到实验规定值时所需的时间曲线，由图可见对于不同的 室外空气相对湿度工况，在环境温度为0C时室外换热器翅片表面霜层厚度
5、达到实验规定值 所需的时间最短。说明由于进风温度在此温度范围内时空气含湿量较大，同时管壁面温度低， 最适合霜的生长；进风温度低于此温度时，虽然管壁面温度更低，但空气含湿量却比较小， 因此结霜速率较小；而当进风高于此温度时，虽然空气含湿量较大，但壁面温度相对较高， 也不易结霜。进一步实验分析，将同一相对湿度、不同室外空气干球温度工况的霜层厚度进行比较， 在相对湿度为65%90%的范围内，室外空气温度为03C时霜层厚度曲线始终处于其它工况 下的霜层厚度曲线之上，属于严重结霜温度区间。另外，室外机平翅片和条缝翅片结霜时平 均迎风面风速时的比较，无霜时，两种翅片类型的换热器平均迎风速几乎相同。结霜初期
6、， 低湿工况下，平翅片变化缓慢，条缝片在结霜后风机流量即迅速下降。说明条缝翅片通道内 气流受到翅片开缝的强烈扰动，平均迎风风速的减少将导致霜层厚度增长速度加快。相对湿 度大于80%的工况时，在霜层生长的第三阶段，霜层将翅片间隙完全堵塞，翅片开缝对气流 的扰动增强换热作用消失，两者的曲线变化接近相同。2. 结霜影响因素风冷热泵机组在冬季制热运行时，室外盘管换热器从低温区域吸收能量，霜层的形成和 影响因素复杂，根据技术文献分析，其主要因素有冷却面、气流速度、室外气候条件及时间。2.1冷却面因素冷却面因素指的是翅片换热器的温度和形状结构。温度因素：当盘管表面温度低于0G 且低于入口处空气的露点温度时
7、，空气中水分就会析出并在蒸发器表面形成霜层。盘管表面 与入口空气之间的温差越大，结霜速度越快，结霜也越严重。换热器的结构因素：包括翅片 边缘效应；翅片间距；沿气流方向管排数；翅片表面粗糙度。2.2气流速度在强制对流的情况下，气流的流速对霜层的形成有较大影响。迎面风速很小时，盘管结 霜较快，且霜层厚度增加较快；当迎面风速较大时，则结霜状况明显改善。这主要是因为风 速降低，使负荷减小，造成蒸发温度快速下降，使结霜速度加快；而风速增大，使负荷增大， 蒸发温度上升，温差减小，降低了结霜的倾向。不同迎面风速下的实验曲线(见图)可证明这 点。时何/min风速对蒸发温度的影响曲线2.3气候条件温度和湿度：空
8、气相对湿度越大，盘管结霜就越严重。当室外空气的相对湿度小于50% 时，翅片盘管则很少会结霜。当室外空气温度低于-5C时，随着温度进一步下降，空气就趋 于干燥，结霜减少。实际运行表明，当室外空气温度在-27C，而相对湿度大于50%时，翅 片盘管工作时特别容易结霜。下图中湿度对蒸发温度的影响曲线，可看出一段时间内湿度较 大时(=80%)的蒸发温度比湿度较低时的蒸发温度高，然而在某一时刻后，蒸发温度下降至 比湿度较低时的蒸发温度更低。这是因为在前一个时段湿度较大造成蒸发器负荷大，因而蒸 发温度高；随着结霜不断加剧，霜层厚度将超过湿度较小时的结霜厚度，故蒸发温度降至更 低；而且结霜后霜层也更厚，风量比
9、湿度较小时的风量小。域/min湿度对蒸发温度的影响曲线3. 结霜对风冷热泵机组的危害蒸发器结霜对风冷热泵机组的运行产生的负面影响主要在三个方面：3.1影响空气循环风量，风机性能衰减霜层的增加加大了空气流过翅片管蒸发器的阻力，降低了空气流量，由于这些负面影响， 风冷热泵在结霜工况下工作时，随着霜层的增厚，将在蒸发器与风机工作区之间出现负压区、 风机性能衰减，电流加大等现象而使风冷热泵机组无法进行强制对流换热。3.2影响导热热阻霜层增加了导热热阻，降低了蒸发器的传热系数。在结霜的早期，由于霜层增加了传热 表面的粗糙度及表面积，使总传热系数有所增加，而随着霜层增厚，导热热阻的影响逐渐成 为影响传热系
10、数的主要方面时，总传热系数开始下降。3.3影响系统性能在结霜初始阶段，热泵空调器的性能得到了提高，其制热量及COP在结霜的初始阶段达 到峰值。促使性能改善的原因为霜层粗糙表面使对流换热系数增大，而引起导热热阻增加及 风机流量变化不大。在结霜的第二阶段一稳定段，随着霜层不断增厚及室外换热器出风流量 的减小，室外换热器传热性能逐渐降低，制热量随结霜时间近似呈线性下降，但由于霜层生 长速度较小，机组性能衰减比较平缓；在结霜工况的第三阶段一衰减段，霜层厚度快速增长， 机组制热性能开始迅速衰减，说明蒸发器表面温度下降、霜晶形态变化引起霜层厚度快速增 长及空气流动阻力增加导致循环空气流量下降的三个因素之间
11、已形成恶性循环。4. 除霜常用的除霜方式有两种：第一种是逆循环除霜；第二种是热气旁通除霜。现在采用最普 遍的除霜方式是第一种。除霜过程分为四个阶段：启动阶段、融霜阶段、排水阶段和恢复阶 段.启动阶段从除霜启动至吸、排气压力比较平稳为止；融霜阶段从启动阶段结束至风冷换 热器的制冷剂出口温度高于1C为止，此时主要是将风冷换热器表面的霜融化成水；排水阶 段从融霜阶段结束到除霜终止，主要是将融霜水蒸发或者把水排出；恢复阶段从除霜终止开 始，四通换向阀换向把系统从除霜循环切换为制热循环，到吸、排气压力比较稳定为止。逆 循环除霜时，通过四通换向阀的动作，使热泵机组从制热运行模式切换到制冷运行模式。压 缩机
12、排出的高温高压气体进入翅片盘管换热器（冷凝器），使其表面温度升高，将霜层融化除 掉。除霜后的翅片盘管换热器传热系数增加、空气流动阻力减小，其换热效率提高。注意的 是：系统在逆循环除霜阶段，非但不能向室内提供热量，反而会从室内吸收热量。5. 抑制结霜和提高风冷热泵机组在结霜工况下工作特性的途径5.1风冷换热器结构设计优化，针对其运行条件，延缓结霜和尽量降低结霜对热泵机组 性能影响的速度。当空气露点温度高于蒸发器翅片表面温度且翅片表面温度低于0C时，翅片表面即会结 霜。所以，在一定的大气压力条件下，蒸发器翅片表面是否结霜、霜层的发展速度以及对蒸 发器性能的影响程度在一定程度上与蒸发器上翅片结构、形
13、式有关。在大气压力条件不变时， 若蒸发温度相对较高，蒸发器表面的结霜情况会相对好一些，但这要以加大换热器面积为代 价，对于结构尺寸原本较大的风冷换热器，由于迎面风速不均匀，加大的换热器部分并非能 发挥出相应的效果，同时，增加了制造成本。为此，存在着在一定的风冷换热器结构尺寸下， 如何改进其换热性能的问题。在结构形式上影响风冷换热器结霜的因素主要有换热器的回路 数、翅片间距与翅片形式等。由于结霜引起气流受阻是影响蒸发器性能的主要因素，为此， 翅片间距的选择对于结霜工况下运行的风冷换热器的设计十分重要。过去，为在一定的风冷 换热器外形尺寸下增加换热面积，翅片间距往往取得较小，而对于结霜工况下运行的
14、换热器， 较小的翅片间距由于霜层厚度的增加导致换热器性能恶化。对于结霜地区的风冷热泵应适当 加大翅片间距，而需多大要同时考虑使用地区大气温度与相对湿度条件，以及机组在不同工 况下制冷、制热运行的时间等因素。风冷换热器翅片形式一般有平片、波纹片、条缝翅片三 类。条缝翅片有利于提高同侧换热系数，但在结霜工况下，条缝翅片结霜后的气流阻力要大 于平片和波纹片。对于在结霜工况下运行的风冷热泵的风冷换热器通常采用平片和波纹片。5.2翅片材料表面涂层处理。翅片表面涂层可以改变材料的表面自由能，从而改善翅片 表面结霜和除霜排水状况。对换热器器的铝箔进行亲水处理（即在铝箔表面涂上一层亲水膜），它具有很强的水润
15、湿性，冷凝水极易沿铝箔表面铺开，不形成水桥，而是以薄的水膜形态流下去。铝箔亲水性 的优劣主要根据其持续亲水角。持续亲水角的大小关系到亲水性的好坏，持续亲水角每减少 10，空调制冷量可提高2%6%。根据测试，当持续亲水角。W20。时，铝箔的亲水性良好； 当20 e W30。时，铝箔亲水性一般；当30 50 时，铝箔的亲水涂层已基本不起作用。国内外就抑制换热器表面结霜的问题进行了大量研究， 实验结果表明：随着翅片表面憎水性的提高，连续运转的时间延长，经亲水表面处理和经超 憎水表面处理的换热器机组，对提高热泵制热能力有很大作用。5.3风机与风冷换热器的匹配；采用热气旁通，提高风冷热泵机组的除霜性能。
16、室外风机和轴流扇叶及出风框组成的室外机通风系统决定了翅片表面的气流速度，翅片 表面的气流速度对换热器表面结霜形成影响。风速偏小（0.61m/s），不能吹走霜晶，使 霜层增厚；风速较高（3m/s）对抑制结霜较有利，因为风速高时一方面加大了换热器的传热 系数，在相同的大气条件下，可使蒸发温度有所提高，从而提高翅片表面温度；另一方面， 高风速可以吹走霜晶。对表面积较大的换热，由于迎风速度不均匀，在低风速最先出现结霜 现象，此时为了避免结霜，可适当提高风机转速，加大空气流量，延缓结霜速度。提高风速， 不仅可抑制结霜，同时也提高了热泵在此工况下的制热能力。热气旁通连接管图热汽旁通除霜的排气迎熟度 热气骨讪除霜的吸气过觌度
