趙二慶，喬萬(wàn)俊

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

變頻空調(diào)是指加裝了變頻器的常規(guī)空調(diào)。這種空調(diào)由于具有變頻器這一設(shè)備，能夠更好地控制和調(diào)整空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，使空調(diào)長(zhǎng)期處于最佳工作狀態(tài)。變頻空調(diào)與常規(guī)空調(diào)相比，具有控溫智能、舒適，能耗更低等優(yōu)點(diǎn)。如今變頻空調(diào)所占市場(chǎng)份額越來(lái)越多，利用變頻空調(diào)進(jìn)行制熱的場(chǎng)景也越來(lái)越多[1-3]。變頻空調(diào)制熱時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)水的凝結(jié)點(diǎn)和空氣的露點(diǎn)高于變頻空調(diào)室外換熱器的溫度時(shí)，空調(diào)會(huì)出現(xiàn)累積狀的結(jié)霜，且這種現(xiàn)象無(wú)法避免。一旦空調(diào)結(jié)霜?jiǎng)t空調(diào)內(nèi)部熱阻會(huì)自然上升，空調(diào)內(nèi)部的空氣流動(dòng)會(huì)受到阻礙，系統(tǒng)的制熱效果也會(huì)顯著下降。因此，對(duì)變頻空調(diào)進(jìn)行除霜顯得尤為重要。

在逆循環(huán)除霜工藝中，四通閥設(shè)備可以用于控制、逆轉(zhuǎn)制冷劑的流向，當(dāng)變頻空調(diào)在制熱過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)霜問(wèn)題時(shí)，來(lái)自壓縮機(jī)的高溫排氣會(huì)首先被抽取到室外換熱器中用于除霜。當(dāng)除霜達(dá)到一定效果以后四通閥重新開(kāi)啟繼續(xù)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行制熱。這種除霜工藝被稱(chēng)為間歇式逆循環(huán)除霜。在變頻空調(diào)除霜過(guò)程中，會(huì)引起一系列復(fù)雜參數(shù)的變化，如果冷密封膠粘劑處理不當(dāng)可能會(huì)引起制冷劑管路、壓縮機(jī)的機(jī)械損壞或者引發(fā)變頻空調(diào)出現(xiàn)較為明顯的噪音問(wèn)題等。因此，本文對(duì)變頻空調(diào)間歇式逆循環(huán)除霜非穩(wěn)態(tài)冷密封膠粘劑的分布規(guī)律進(jìn)行研究，旨在為更好地解決變頻空調(diào)除霜再加熱工藝中的問(wèn)題提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

冷密封膠粘劑的流向和動(dòng)態(tài)特征模擬，是對(duì)間歇式逆循環(huán)除霜過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的關(guān)鍵。有學(xué)者在對(duì)變頻空調(diào)冷凝水流向進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，在間歇式逆循環(huán)除霜過(guò)程中，有部分冷凝劑會(huì)被抽到吸氣管儲(chǔ)液器中，導(dǎo)致除霜開(kāi)始時(shí)壓縮機(jī)吸收大量的冷密封膠粘劑。為此，有學(xué)者提出了以冷密封膠粘劑符合補(bǔ)償策略替換傳統(tǒng)的吸氣管儲(chǔ)液器，使變頻空調(diào)避免出現(xiàn)壓縮機(jī)大量吸收冷密封膠粘劑的現(xiàn)象[4-6]。但是，這種問(wèn)題解決思路主要集中在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)熱泵功能的轉(zhuǎn)換場(chǎng)景中。這種設(shè)備元器件替換方法很容易誘發(fā)變頻空調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而影響硬件設(shè)備使用壽命。因此，本文在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境假設(shè)為變頻空調(diào)每一次循環(huán)開(kāi)始前，實(shí)行關(guān)停1 min的除霜模式。針對(duì)該場(chǎng)景下變頻空調(diào)中的冷密封膠粘劑分布規(guī)律進(jìn)行研究，從而系統(tǒng)性總結(jié)除霜與再加熱期間，變頻空調(diào)間歇式逆循環(huán)除霜的優(yōu)化方案。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)某品牌生產(chǎn)的變頻空調(diào)、冷密封膠粘劑分體機(jī)等。其中冷密封膠粘劑分體機(jī)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(jī)型部件參數(shù)情況。

表1 實(shí)驗(yàn)用空調(diào)主要元器件明細(xì)Tab.1 Details of main components of air conditioning for experiment

變頻空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該空調(diào)中，截止閥的位置主要在壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)、室外機(jī)的兩端；所用閥體內(nèi)經(jīng)等同于室內(nèi)外機(jī)的管外徑(即7 mm)，從而充分降低閥體本身給管道帶來(lái)的壓損。為獲得較為穩(wěn)定的冷密封膠粘劑非穩(wěn)態(tài)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(cè)壓計(jì)主要安裝在壓縮機(jī)的進(jìn)口和出口處，用于測(cè)量壓縮機(jī)的吸氣和排氣壓力，鑒于壓縮機(jī)實(shí)際作業(yè)參數(shù)為不定值，因此，本文使用的測(cè)壓計(jì)測(cè)量范圍為0～4 MPa，精確范圍為±0.01%[7-9]。同時(shí)，本文選用了測(cè)量范圍為30 kg、測(cè)量精度為±0.1 g的天平來(lái)對(duì)使用的各元器件的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

圖1 變頻空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of frequency conversion air conditioning system

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

冷密封膠粘劑分布規(guī)律分析實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。焓差實(shí)驗(yàn)室可以為冷密封膠粘劑分布規(guī)律分析提供一個(gè)方便的測(cè)量控制操作平臺(tái)[10]。焓差實(shí)驗(yàn)室主要由各種測(cè)控儀表、變送器、計(jì)算機(jī)、開(kāi)關(guān)、指示燈等組成，整體可以分為2個(gè)主要房間。其中，空氣溫度和濕度分別由熱量和濕度測(cè)控儀表和機(jī)器組成。表2所示為模擬室內(nèi)、外環(huán)境房間的基本溫濕度條件。

表2 焓差實(shí)驗(yàn)室基本溫、濕度參數(shù)Tab.2 Basic temperature and humidity parameters of enthalpy difference laboratory

圖2所示為焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬變頻空調(diào)除霜的過(guò)程。除霜開(kāi)始于制熱1 h以后的第1次關(guān)停，結(jié)束于室外換熱器表溫達(dá)到18 ℃時(shí)。當(dāng)變頻空調(diào)中的四通閥在換向時(shí)，電子膨脹閥通過(guò)打開(kāi)全部閥體來(lái)加速壓力平衡。當(dāng)變頻空調(diào)處于再次制熱狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)風(fēng)扇通過(guò)執(zhí)行關(guān)閉命令避免室外冷空氣進(jìn)入。通過(guò)間歇式的除霜基本達(dá)到室內(nèi)30 ℃恒溫。

圖2 焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬變頻空調(diào)除霜的過(guò)程Fig.2 Defrosting process of frequency conversion air conditioner simulated in enthalpy difference laboratory

間歇式逆循環(huán)除霜非穩(wěn)態(tài)冷密封膠粘劑分布規(guī)律的測(cè)量主要依賴(lài)快關(guān)閥技術(shù)?？礻P(guān)閥技術(shù)的基本流程如圖3所示。這種基于冷密封膠粘劑質(zhì)量的快關(guān)閥技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于各元器件的進(jìn)出口快速關(guān)停截止閥，通過(guò)計(jì)算冷密封膠粘劑離開(kāi)前后各元器件的質(zhì)量變化，分析得到間歇式逆循環(huán)除霜過(guò)程中冷密封膠粘劑的質(zhì)量分布情況。

圖3 快關(guān)閥技術(shù)的基本流程Fig.3 Basic flow of quick closing valve technology

在斷開(kāi)系統(tǒng)進(jìn)行逐一稱(chēng)重以后將各部件的總質(zhì)量標(biāo)記為W1；移除冷密封膠粘劑以后再次稱(chēng)重，將部件的總質(zhì)量標(biāo)記為W2；W1-W2即可表示各元件中冷密封膠粘劑的質(zhì)量。

壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐冷密封膠粘劑的移除過(guò)程。第1步，在對(duì)壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐進(jìn)行稱(chēng)重以后，需要開(kāi)啟閥門(mén)并清空壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐，避免各部件中潤(rùn)滑劑的不必要流失；第2步，當(dāng)壓縮機(jī)中的壓力低于20 kPa時(shí)，關(guān)閉快關(guān)閥門(mén)，測(cè)量壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐的重量，如果第1步和第2步的質(zhì)量變化小于3 g，則冷密封膠粘劑移除結(jié)束；如果大于等于3 g則進(jìn)入第3步；第3步，開(kāi)啟電加熱，對(duì)壓縮機(jī)和儲(chǔ)液罐進(jìn)行加熱并重新進(jìn)入第1步流程。

1.4 冷密封膠粘劑分布測(cè)試誤差計(jì)算

冷密封膠粘劑分布的測(cè)試總誤差用σ表示；σm表示測(cè)試誤差；σr表示變頻空調(diào)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(guān)閥技術(shù)造成的誤差。則總誤差σ可以由下式進(jìn)行計(jì)算：

σ=σm+σr+στ

當(dāng)換熱器在焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)被置放12 h以后，抽空其內(nèi)部空氣，此時(shí)換熱器中的冷密封膠粘劑潤(rùn)滑油混合物造成的質(zhì)量誤差可以被忽略不計(jì)。各元器件的質(zhì)量由天平稱(chēng)量，通過(guò)計(jì)算得到σm、σr、στ的值，結(jié)果如表3所示。

表3 冷密封膠粘劑分布測(cè)試誤差計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of refrigerant distribution test error

2 結(jié)果與分析

2.1 除霜階段壓力變化情況

表4所示為壓縮機(jī)接到除霜信號(hào)停機(jī)開(kāi)始，空調(diào)除霜階段排氣壓力和吸氣壓力隨時(shí)間的變化而變化的有關(guān)數(shù)據(jù)。

表4 除霜階段壓力隨時(shí)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(shí)間為50、375和400 s達(dá)到相同值。這可能與除霜過(guò)程中四通閥、壓縮機(jī)的工作頻率有關(guān)[11-13]。當(dāng)間歇式循環(huán)逆轉(zhuǎn)時(shí)，冷密封膠粘劑在換熱器中的進(jìn)出口進(jìn)行交換。本文將以變頻空調(diào)的制熱模式中進(jìn)出口為準(zhǔn)，對(duì)變頻空調(diào)除霜階段冷密封膠粘劑的分布情況進(jìn)行分析。

表5所示為壓縮機(jī)接到除霜信號(hào)停機(jī)開(kāi)始，空調(diào)除霜階段冷密封膠粘劑分布隨時(shí)間的變化而變化的有關(guān)數(shù)據(jù)。其中冷密封膠粘劑分布數(shù)據(jù)主要從壓縮機(jī)、室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)等的質(zhì)量變化數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。

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

從壓縮機(jī)第1次停機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，壓縮機(jī)中的冷密封膠粘劑質(zhì)量呈現(xiàn)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(tài)勢(shì)；室內(nèi)機(jī)中的冷密封膠粘劑質(zhì)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(jī)中的冷密封膠粘劑性能則表現(xiàn)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(zhì)量變化幅度較大處集中在壓縮機(jī)開(kāi)停以后約0～200 s，這是因?yàn)閴嚎s機(jī)再開(kāi)啟期間的冷密封膠粘劑重新進(jìn)行了分布及壓縮機(jī)關(guān)停期間自身的位移造成的。

2.2 冷密封膠粘劑分布規(guī)律分析

2.2.1第1階段：0～60 s

0～60 s時(shí)間段為壓縮機(jī)第1次停機(jī)并切換四通閥階段。此時(shí)壓縮機(jī)剛接受到系統(tǒng)發(fā)出的除霜信號(hào)，壓縮機(jī)室外風(fēng)機(jī)此時(shí)第1次停止運(yùn)轉(zhuǎn)，冷密封膠粘劑的遷移方向?yàn)槭覂?nèi)機(jī)室外機(jī)；系統(tǒng)高低壓在36 s左右時(shí)達(dá)到平衡；當(dāng)開(kāi)始除霜時(shí)，室外換熱器盤(pán)管的溫度處于逐步提升過(guò)程，到15 s時(shí)，達(dá)到0 ℃，此時(shí)室外換熱器中凝聚、累計(jì)的霜層開(kāi)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(kāi)始換向，當(dāng)壓縮機(jī)工作至61 s時(shí)重新啟動(dòng)。在這一階段壓縮機(jī)重新啟動(dòng)之初，室內(nèi)機(jī)中的冷密封膠粘劑計(jì)量較少，而壓縮機(jī)的吸氣量較大。因此，此時(shí)的空調(diào)吸氣壓力在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)驟降，壓縮機(jī)和儲(chǔ)液器中的冷密封膠粘劑遷移方向?yàn)槭彝?、室?nèi)。隨著系統(tǒng)內(nèi)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(jī)的吸氣壓力因吸氣量的減小而增大。系統(tǒng)工作至72 s時(shí)，內(nèi)外部相對(duì)穩(wěn)定的壓力體系逐漸形成，室外換熱器中的冷密封膠粘劑進(jìn)入室內(nèi)換熱器形成制冷效果，此時(shí)室內(nèi)換熱器管壁溫度驟降，大部分的冷密封膠粘劑以液態(tài)分布在管內(nèi)、室內(nèi)換熱器和氣管中，此時(shí)室內(nèi)機(jī)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(tǒng)工作至105 s以后，空調(diào)儲(chǔ)液器進(jìn)口的溫度突然下降，表明此時(shí)除霜低壓側(cè)的銅管吸收并儲(chǔ)備的熱量基本耗盡，此時(shí)室內(nèi)換熱器已經(jīng)沒(méi)有足夠的熱量用于蒸發(fā)經(jīng)過(guò)節(jié)流閥流入儲(chǔ)液器的液態(tài)冷密封膠粘劑。當(dāng)系統(tǒng)工作至170 s以后，新的空調(diào)內(nèi)外壓力平衡建立，壓縮機(jī)流量逐漸減小，冷密封膠粘劑由室內(nèi)外機(jī)流向壓縮機(jī)。

2.2.4第4階段：170～370 s

此階段冷密封膠粘劑的分布沒(méi)有發(fā)生明顯的流動(dòng)，各部分冷密封膠粘劑質(zhì)量變化不明顯。隨著除霜的進(jìn)一步進(jìn)行，一部分室外換熱器的銅管開(kāi)始相互接觸，銅管外壁面由相變轉(zhuǎn)變?yōu)榕c自然對(duì)流換熱，此時(shí)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(jī)和儲(chǔ)液器的冷密封膠粘劑質(zhì)量略有提升。

2.2.5第5階段：370 s以后

此階段壓縮機(jī)再次停機(jī)，冷密封膠粘劑的轉(zhuǎn)移方向?yàn)槭彝馐覂?nèi)、壓縮機(jī)[19-20]。此時(shí)室內(nèi)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(jī)在400 s時(shí)再次啟動(dòng)，空調(diào)重新實(shí)現(xiàn)供熱。

3 結(jié)語(yǔ)

逆循環(huán)除霜是目前變頻空調(diào)制熱環(huán)節(jié)除霜所采用的主要技術(shù)方法。本文對(duì)間歇式逆循環(huán)除霜非穩(wěn)態(tài)的冷密封膠粘劑分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，利用不同階段壓縮機(jī)、室內(nèi)外中冷密封膠粘劑質(zhì)量變化情況，對(duì)冷密封膠粘劑的遷移走向、成因、對(duì)應(yīng)的具體時(shí)間段等進(jìn)行了詳細(xì)研究。對(duì)變頻空調(diào)開(kāi)展本次研究，有助于空調(diào)研發(fā)領(lǐng)域人員掌握冷密封膠粘劑走向和分布規(guī)律，從而針對(duì)性對(duì)空調(diào)工作流程進(jìn)行優(yōu)化。