制冷剂泄漏对除湿机结霜特性的影响研究

马佩佩 谈裕辉 田洁 刘丹华 谭裕锋

海信家电集团股份有限公司 广东顺德 528300

0 引言

除湿机目前被广泛用于降低室内环境的相对湿度，从而营造舒适的室内环境或用于保护精密仪器和图书等。基于目前的工艺水平限制，除湿机在生产过程中制冷管路的焊接部位较多，使之在使用过程中不可避免的发生制冷剂泄漏。加之除湿机一般需要持续运行较长的时间，在运行过程中又受到使用环境中各种化学物的作用，这将加剧制冷剂泄漏发生的可能性。除湿机采用的节流部件以毛细管为主，基于毛细管节流不能依据负荷变化而自动调节的特点，采用毛细管节流的除湿机，当制冷剂充注量变化时，对除湿机性能的影响很大[1]。制冷剂泄漏过程中，随着除湿机系统内制冷剂量的减少，一方面会出现压缩机的排气温度升高导致压缩机高温烧毁的问题，另一方面也会出现导致蒸发器进口温度降低从而引起蒸发器结霜等问题。

现有除湿机制冷剂泄漏的研究主要集中在制冷剂检漏及保护压缩机方面，关于制冷剂泄漏导致的蒸发器结霜的研究仍较为少见。杨祖煌基于神经网络构建除湿机运行数据与制冷剂量间的关系，以提升除湿机缺氟的检测性能[2]。田洁等依据环境温度与蒸发器管温的差值设定除湿机制冷剂泄漏规则，并确保当制冷剂泄漏率达到50%以上时，除湿机可自动进入制冷剂泄漏保护，从而起到保护除湿机的作用[3]。

关于除湿机在制冷剂泄漏过程中，蒸发器结霜的现象目前仍未有相关研究。除湿机的制冷剂泄漏是一个较为缓慢的过程，当除湿机制冷剂泄漏到一定范围内，除湿机会出现严重的结霜现象，减少空气流通面积从而影响除湿机的整机除湿效果[4]。受限于除湿机的使用场景一般为湿度较高的室内环境如地下室等，以及现有除湿机的制冷剂泄漏保护模式一般设定为制冷剂泄漏率高于50%时才发出制冷剂泄漏报警信息，使得用户不能及时发现除湿机处于异常工作状态，致使错失人为干预的最佳时间。现有除湿机的除霜方式有风机除霜和旁通阀除霜两种，风机除霜是当前除湿机中最常用的除霜方式[5]。当前的风机除霜保护控制程序主要依据除湿机正常运行时收集的试验数据，当除湿机处于制冷剂泄漏状态时，现有的除霜保护程序可能出现失效保护。

为此，针对除湿机在制冷剂泄漏过程中的蒸发器结霜过程进行分析，并基于此分析现有的除霜保护机制，对实际的工程应用具有一定的意义。此外，与当前广泛应用于除湿机的R410A相比，R32的GWP（675）同比下降67.9%，R32的环保性能更优[6]。目前美国加州已出台相关环保政策，要求2023年起加州境内销售的除湿机制冷剂GWP需低于750，可以推断R32具有更好的市场应用前景。本文将选用R32制冷剂进行除湿机制冷剂泄漏的除霜保护研究。

本文主要针对除湿机R32制冷剂泄漏过程的结霜情况及除霜保护进行实验研究。首先针对室内干球温度及制冷剂泄漏率对除湿机结霜情况的影响进行分析；而后对不同制冷剂泄漏率时除湿机蒸发器的温度分布进行分析，以便更深入的了解制冷剂泄漏过程中的结霜情况；最后针对制冷剂泄漏过程中的现有除湿机除霜保护程序的启动情况进行分析。本文对理解除湿机的结霜过程具有一定的意义，对后续除湿机结霜保护程序设计具有一定的指导作用。

1 制冷剂泄漏下的结霜实验

本文所涉及的实验均在焓差室内进行，实验所选用的除湿机型号为DH70K1RCA，R32制冷剂初始充注量为130 g，测试电参数为115 V/60 Hz。测试工况为：室内干球温度范围为12℃～28℃，室内相对湿度均为60%。本文通过改变除湿机充注制冷剂量质量百分比来模拟除湿机制冷剂泄漏状态，共设置6种除湿机制冷剂泄漏率（0%、30%、40%、50%、60%、70%），制冷剂泄漏率的计算公式见式（1）。

该除湿机的蒸发器结构如图1所示，该除湿机蒸发器共12根U管，感温管布置位置位于U4右侧弯头。为研究不同制冷剂泄漏率及不同工况下蒸发器的温度分布，分别在蒸进（蒸发器制冷剂进口）、U1～U11及蒸出（蒸发器制冷剂出口）处布置热电偶，布点均在蒸发器感温管的同侧。利用采样器等设备保证焓差室内工况的稳定，利用计时器记录除湿机的未结霜时间。本实验的热电偶布置方式为直接粘贴法，受到实验室电磁场的环境影响较大，并且热电偶的测温动态特性较差，使得实验过程的温度测定具有一定的不确定性。此外，本实验的结霜时间和结霜面积测量均为人工测量，可能受到人为主观判断的干扰。

图1 除湿机蒸发器结构图

本文分别利用结霜面积比和结霜时间来表示蒸发器的结霜情况，结霜面积比和结霜时间越高则蒸发器越难除霜，反之则越容易除霜。

结霜面积比是指蒸发器进风侧的结霜面积占蒸发器进风侧总面积的百分比，其计算公式见式（2），式中：b为蒸发器的端板距离，mm；h为蒸发器的高度，mm；b1为蒸发器结霜面积的折合宽度，mm；h1为蒸发器结霜面积的折合高度，mm。为便于测量计算，将实际蒸发器中不规则形状的结霜面积近似处理成为长方形。

未结霜时间是指先观测1个小时，如果除湿机在该时段内发生结霜，则从下一次化霜后除湿机重新启动开始计时，至发现除湿机开始结霜时停止计时，该时段即为除湿机的未结霜时间；如若除湿机在该时段内未结霜，则未结霜时间为20 min；结霜时间是指结霜时间等于20 min减去未结霜时间，20 min为设定时间。未结霜时间和结霜时间的关系见式（3）。

将除湿机安装在焓差室内，调节焓差室内工况达到设定值，将采样器布置在除湿机的进风口处30 cm处，以调节焓差室内的工况保持稳定。等待焓差室内的工况稳定后，启动除湿机并开始计时，观测1个小时内除湿机是否发生结霜现象，如果有，则等待下一次化霜，除湿机启动后重新计时，记录除湿机的未结霜时间。在除湿机化霜前，记录蒸发器的结霜面积和除霜保护程序的启动情况。更改除湿机的制冷剂充注量和焓差室工况，进行重复实验。

2 结果分析

2.1 除湿机的制冷剂泄漏除霜保护分析

当前除湿机的结霜保护的设置为：当除湿机的感温包感温温度在持续一段时间内低于设定温度值，除湿机自动进入除霜模式。进入除霜模式后，风机持续运行除霜，当检测到感温包感温温度高于设定温度值时，除湿机退出除霜模式。

如表1所示，除湿机制冷剂泄漏率为0%～30%时，除湿机除霜保护程序启动情况与除湿机结霜情况一致，表明在该制冷剂泄漏率范围内，除湿机的除霜保护程序可以起到有效的除霜保护。当除湿机制冷剂泄漏率为60%～70%时，除湿机虽然会结霜，但是并未启动除霜保护，其原因在于此时的制冷剂泄漏率达到进入制冷剂泄漏保护的条件，除湿机进入制冷剂泄漏保护程序而非除霜保护程序。

表1 不同室内干球温度下及制冷剂泄漏率的除湿机除霜保护启动汇总表

除湿机制冷剂泄漏率为40%～50%时，除湿机除霜保护程序启动情况与除湿机结霜情况不一致。当室内干球温度分别为24℃～28℃时，制冷剂泄漏率为40%～50%时均会发生结霜，然而除湿机并未启动除霜模式。其原因在于，现有的除霜保护机制并没有考虑除湿机制冷剂泄漏的情况，随着制冷剂泄漏率的提高，除湿机从靠近蒸发器制冷剂进口的底部开始结霜且除湿机的结霜面积减少至感温包位置（第4根U管处）以下，感温包的感温温度高于设定除霜保护温度，故并未触发除湿机的除霜保护程序，出现除湿机除霜不干净的现象，从而影响除湿机的除湿效果。此外，由于R32制冷剂的饱和气体粘度和饱和液体粘度均较R410A低，并且饱和液体比热容和饱和气体比热容比R410A大，同等质量的R32制冷剂比R410A的换热能力更高，除湿机的R32制冷剂充注量仅为R410A的60%～70%。随着制冷剂泄漏率的提高，充注R32制冷剂的蒸发器进口段的结霜情况较R410A制冷剂更为严重。

对此，需要对除湿机制冷剂泄漏过程中的除湿机结霜情况和蒸发器空间温度分布进行进一步的研究分析，从而对现有的结霜保护程序做进一步的优化。

2.2 除湿机制冷剂泄漏结霜情况分析

图2～图6分别为室内干球温度为12℃～28℃间变化时除湿机充注不同制冷剂量的结霜情况。如图2～图6所示，除湿机制冷剂泄漏率为0%时，仅当室内干球温度为12℃～16℃时，出现结霜现象；制冷剂泄漏率为30%的除湿机，仅当室内干球温度为12℃～20℃时出现结霜现象；制冷剂泄露率为40%～70%的除湿机，当室内干球温度为12℃～28℃时均出现结霜现象。

图2 12℃下除湿机不同制冷剂泄漏率的结霜情况

图3 16℃下除湿机不同制冷剂泄漏率的结霜情况

图4 20℃下除湿机不同制冷剂泄漏率的结霜情况

图6 28℃下除湿机不同制冷剂泄漏率的结霜情况

图5 24℃下除湿机不同制冷剂泄漏率的结霜情况

当除湿机制冷剂泄漏率及室内湿球温度不变时，随着室内干球温度的升高，蒸发器的结霜面积和结霜时间均随之降低，制冷剂泄漏率分别为0%、30%、40%、50%、60%、70%的除湿机，随着室内干球温度的升高，除湿机的结霜面积比分别从100%、100%、70.8%、66.67%、41.67%及2.08%下降至0%、0%、35%、16.67%、6.67%及1.04%，除湿机的结霜时间分别从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，本文选用除湿机的压缩机为定速压缩机，在压缩机能力、毛细管规格及两器规格不变的情况下，随着室内干球温度的升高，蒸发器的进口温度和掠过蒸发器翅片的室内空气干球温度随之升高，不利于在蒸发器表面结霜。

当室内干球温度及湿球温度不变时，除湿机的结霜情况与制冷剂泄漏率为非线性关系。原因在于，除湿机的结霜面积与制冷剂泄漏量的关系取决于蒸发器进口温度，在制冷剂泄漏率和室内干球温度的耦合作用下，在某一不变的室内干球温度，随着制冷剂泄漏量的升高，蒸发器进口温度均在0℃以下时，在该室内干球温度下，结霜面积与制冷剂泄漏量呈负线性相关；而在另一室内干球温度下，蒸发器进口温度随着制冷剂泄漏量的升高从0℃以上降低至0℃以下时，结霜面积与制冷剂泄漏量呈非线性相关，此时结霜面积的峰值出现在蒸发器进口温度首次进入0℃以下时所对应的制冷剂泄漏率，而后随着制冷剂泄漏率的升高，结霜面积也依次减少。除湿机的结霜时间则受到蒸发器进口温度和蒸发器进口干度的共同影响，随着制冷剂泄漏率的升高，蒸发器进口温度随之降低，但蒸发器进口干度升高，使得蒸发器内制冷剂汽化过热的速度加快，当制冷剂泄漏率升高至一定范围内时，虽然蒸发器进口温度在-20℃以下，但由于蒸发器内制冷剂量较少，制冷剂量在蒸发器内相变速度加快，使得蒸发器的结霜时间变短。

2.3 结霜工况下蒸发器温度空间分布分析

图7～图12分别为不同室内干球温度工况及不同制冷剂泄漏率时的除湿机蒸发器温度空间分布。图中将蒸发器划分为进口段、中间段和出口段共3个区域，并在3个区域内进行分段拟合获得相应的温度曲线，图中的温度点为各个布点在结霜期间的平均温度。如图7～图12所示，不同制冷剂泄漏率和不同室内干球温度工况下，在蒸发器进口段中的温度点均出现温度升高的趋势；当室内干球温度不变时，随着制冷剂泄漏率的升高，蒸发器进口温度随之下降，蒸发器初始结霜位置从蒸发器出口段逐渐过渡到蒸发器进口段。

图7 不同工况下0%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

图12 不同工况下70%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

图9 不同工况下40%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

图10 不同工况下50%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

如图7可知，当制冷剂泄漏率为0%时，蒸发器的进口段均呈现过热状态，蒸发器的中间段均呈现过冷状态，受到室内干球温度变化的影响不明显。而在蒸发器的出口区，该区域的温度变化受到室内干球温度的变化较为明显，随室内干球温度的升高而从过冷状态转变为过热状态，该工况下蒸发器初始结霜的位置主要位于蒸发器出口段。

如图8～10可知，当制冷剂泄漏率为30%～50%时，蒸发器的进口段和出口段均呈现过热状态，随着制冷剂泄漏率的升高，蒸发器进口段的温度变化速率随之加快，而蒸发器进口段的温度变化速率随之减小。此时蒸发器的过冷现象集中出现在蒸发器中间段，蒸发器初始结霜位置位于蒸发器中间段。

图8 不同工况下30%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

如图11～12可知，当制冷剂泄漏率为60%～70%时，蒸发器温度点均呈现过热趋势，随着制冷剂泄漏率的升高，蒸发器内的过热情况愈发严重，蒸发器进出口温差可高达50℃，而蒸发器的温度空间分布变化受室内干球温度的影响不明显。此外，在12℃～28℃工况下，蒸发器中0℃以下的温度点均在蒸发器进口段，该工况下蒸发器最开始结霜的位置均位于蒸发器进口段。

图11 不同工况下60%制冷剂泄漏率的蒸发器温度空间分布

3 结论及展望

本文对除湿机R32制冷剂除霜保护及制冷剂泄漏时的结霜情况进行研究，通过实验得到以下结论：

（1）现有除湿机在设置除霜保护程序时并未考虑制冷剂泄漏的情况，加之R32制冷剂换热能力较好且制冷剂充注量仅为R410A的60%～70%，从而当制冷剂泄露率为40%～50%且室内干球温度较高时，容易发生除霜保护不启动导致R32制冷剂除湿机结霜情况严重的现象。

（2）当除湿机制冷剂泄漏率及室内湿球温度不变时，随着室内干球温度升高，蒸发器的结霜面积最高可从100%下降至0%，结霜时间可从13 min下降至0 min，呈线性负相关。当室内干球温度及湿球温度不变时，在除湿机发生结霜现象的制冷剂泄漏率区间内，结霜面积与制冷剂泄漏量为线性负相关。后续除霜保护程序可考虑室内干球温度和制冷剂泄漏率对除霜保护时间和风机转速的影响，当室内干球温度和制冷剂泄漏率升高时，减少除霜保护时间或降低风机转速。

（3）当制冷剂泄漏量低于60%时，蒸发器内的温度分布受到不同室内干球温度的影响较大，室内干球温度的升高会加剧蒸发器内的过热现象。当制冷剂泄漏率大于等于60%时，蒸发器内的温度分布受到室内干球温度的影响较小，此时蒸发器内处于严重过热的状态，进出口温差可高达50℃以上。此外，不同制冷剂泄漏率下除湿机的最初结霜位置有所不同，随着制冷剂泄漏量的升高，除湿机的最初结霜位置从蒸发器出口段过渡到蒸发器的进口段。后续除霜保护程序在布置感温包时应布置在蒸发器进口段，同时基于不同的制冷剂泄漏率和室内干球温度设置不同的除霜保护准进温度，以提高进入除霜保护程序的准确性。