冷风机结霜原因分析及电热融霜方案优化探究

冷风机结霜原因分析及电热融霜方案优化探究

杨虹

珠海格力电器股份有限公司 广东省 珠海市 51900 0

摘要：本文主要介绍了冷风机常见的几种结霜类型及形成原因，同时详细分析了冷风机常用的两种融霜方式（电热融霜、热氟融霜）的优缺点，并针对目前冷风机电热融霜方式存在的问题进行了探讨，并提出了解决方案。

关键词：冷风机；结霜；电热融霜；热氟融霜

1、引言

冷风机具有降温速率快、库温均匀、结构紧凑、体积小、重量轻等一系列的优点，可广泛应用于各种药品加工车间、果蔬保鲜库、菌类养殖库等场所。

当冷风机换热器表面温度低于冷库内空气露点温度时，空气中的水蒸气便会在换热器表面凝露，当换热器表面温度低于0℃时，凝露就会在换热器表面结成霜。冷库一般为低温高湿的场所，所以冷风机换热器表面更容易凝露甚至结霜。

霜的形成对于冷风机具有以下影响：（1）换热器的换热效果变差。结霜初期，由于霜粒的存在使换热器表面变得粗糙，换热性能有所改善，但是随着霜层的加厚将会增加换热器表面热阻，同时换热器表面结霜后，导致空气流通面积减小，空气流量减小，最终导致冷风机换热器的传热系数变小，换热效果变差^[1]。（2）制冷系统能效降低。换热效果变差导致冷库降温时间延长，制冷系统需较长时间保持高负荷运转，系统能耗高，能效降低。（3）制冷系统可靠性降低。结霜导致冷风机的换热量减小，经过节流的气液两相的冷媒进入换热器后无法完全蒸发，残留的液态冷媒流出冷风机进入压缩机，造成压缩机液击或带液运行，制冷系统的运行可靠性显著降低。（4）冰霜累积不化产生一定的安全隐患。冰霜在冷风机底盘累积成冰块无法及时化干净，可能造成冰块跌落、电加热漏电等安全事故。

进行冷风机结霜原因分析，同时有针对性的优化化霜方案，将有效改善冷风机结霜、化霜性能，有助于提高冷风机使用的安全可靠性，提升制冷系统的能效。

2、冷风机常见结霜类型及形成原因分析

图1 整体结霜示意图 图2 整体结冰示意图

图3 局部结冰示意图

a.整体结霜

设计较好的冷风机长期运行于低温高湿的冷库，换热器翅片、铜管表面会结成一层均匀的霜层。当冷库库温低于5℃时，通常蒸发温度低于0℃，而换热器表面温度接近蒸发温度，再加上冷库内存放水果、蔬菜、肉类等含湿量较大的货物，空气湿度较大，一般都在80%以上，因此当制冷系统长期运行时，冷风机换热器表面会析出水分并结霜。

b.整体结冰

整体结冰是整体结霜恶化的结果，通常是由于长期不化霜或化霜控制不合理造成。水分在换热器表面结成冰霜后，库温上升导致冰霜融化，此时制冷机组立即开启，将附着在换热器表面的融化水凝固成冰，如此多次反复，最终造成换热器表面形成厚厚的冰层。当形成冰层后冷风机很难化霜干净，通常需要管理人员现场反复化霜或人工化冰。

c.局部结霜或结冰

局部结霜或结冰通常有两种情况，一种是蒸发器流路设计不合理，蒸发器表面温度偏差大，从而造成结霜（结冰）、化霜不均；另一种是底盘排水不畅，导致制冷过程中风叶吸水打在换热器表面，导致局部结冰。

3、冷风机化霜方式研究

3.1 冷风机常用化霜方式对比

冷风机现行的除霜方案有人工扫霜、水冲霜、热氟融霜以及电热融霜等^[2]。目前中小型冷库大多采用电热融霜方式；市场上对热氟融霜方式的接受程度逐渐升高，但是由于受到行业标准、元器件可靠性等因素的影响，发展较为缓慢。以下主要进行电热融霜和热氟融霜的对比。

a.电热融霜方式

中小型冷库冷风机搭配冷凝机组使用，但是目前冷风机、冷凝机组执行不同的国标，因此不具备冷凝机组研发、生产能力的厂家依然可以制造售卖冷风机，这就要求冷风机具有一定的普适性，因此冷风机多采用电热融霜方式，可以搭配不同厂家的冷凝机组，匹配性较高。

电热融霜方式具有简单易行，最易实现自动化，通用性强等优点，但是存在以下缺点：

1. 电加热元器件为易损件，故障率高，相应冷风机的可靠性低；

2. 若控制不当可能造成电加热元器件表面干烧，高达上千度，具有一定的安全隐患；

3. 冷风机采用电热融霜方式，很难保证化霜均匀，因此化霜效果较差，化霜时间长，易造成库温波动大，影响存储货物的品质；

4. 电加热元器件单纯依靠电热来融化霜层，是所有化霜方式中能耗代价最高的^[3]。

b. 热氟融霜方式

热氟融霜具有诸多优点，如安全可靠、化霜均匀、化霜效率高、库温波动小、节能省电等，但是目前在实际应用中存在以下问题：

1. 具有热氟融霜功能的制冷机组需配置四通阀用于制冷、制热功能的切换，目前四通阀的设计主要基于家用空调，因此能否在冷冻冷藏行业有效可靠使用需经过长时间的验证；

2. 热氟融霜方式控制复杂，对控制器的可靠性具有较高的要求；

3. 具有热氟融霜功能的制冷机组一般成本较高，售价贵，市场的接受程度不高。

因此目前行业内还是以电热融霜方式为主，以下主要探讨冷风机电热融霜方式存在的主要问题及优化方案。

3.2 冷风机电热融霜方式存在的主要问题

a.冷风机换热器设计不合理

1） 换热器分液不均、流程设计不合理（主要指流程过长）。分液不均导致各分路在出口处产生不同的过热度。一些分路制冷剂过多，出口处过热度过小，甚至蒸发不完全，出口处带有未蒸发的液体；一些分路制冷剂过少，制冷剂在出口前很快蒸发，不能充分利用蒸发器换热面积。总体表现是冷风机换热面积没有充分利用，出口过热度过小，导致膨胀阀关小，从而制冷剂流量减小，另外还存在换热器表面温度偏差较大，结霜、化霜不均的问题（部分区域化霜干净，电加热元器件干烧；部分区域霜层仍然未化干净）。各分路流程过长导致后半段压降过大，同样造成换热器表面温度偏差大，化霜不均的问题。

2） 翅片片型、片距不合理（主要指片距过小）。翅片片型不适用于低温环境，导致翅片表面阻力过大，附着的水滴较难滴落，因此结霜情况恶化；翅片片距选用不合理，结霜速度快，化霜周期短，霜层很快堵住风道，导致冷库降温困难，制冷效果变差，制冷系统的能耗增加。

b.元器件可靠性低

电加热元器件易损坏，损坏后冷风机长期不化霜导致霜层累积，造成化霜难度越来越大，最终导致冷风机的使用可靠性降低。

c.结构设计不合理

排水底盘设计不合理、冬季排水管冰堵等都可能造成排水不畅，底盘积水经过多次制冷循环，逐渐累积成较厚的冰层无法化干净，最终造成底盘电加热位移甚至损坏，影响送风风场，进而影响制冷效果。

d.化霜控制不合理

电热融霜方式一般采用间隔化霜，需要根据工程现场情况设定化霜控制参数（制冷时长、化霜时长等），但是当冷库情况变化时，如存储量变化、存储货物种类更改、库内外负荷变化等，化霜控制参数都需专业人士更改，化霜控制参数更改不当将造成化霜不干净等问题。

3.3 冷风机电热融霜方式优化

针对3.2中提到的冷风机电热融霜方式目前存在的主要问题，提出以下优化方案：

a.换热器优化设计

1）合理设计换热器分路

换热器每条分路允许长度取决于允许工作压力降，一般来讲，若设计出口过热度为2℃的换热器，换热器内单流程压降对应的饱和蒸发温度降低值限制在1℃以内，换热管中间点的压降在0.4℃左右（因为后半段换热为气态冷媒换热，产生的压降会大一点）。

按照经验，冷风机换热器分路设计应满足下面原则：

①分路少进多出或同进同出（加快两相区流速，降低气相区流速）；

②在同进同出的换热器里，应尽量满足换热器结构上下左右对称，让同一高度上分液量均匀；

③所有分路长度保持一致，若无法保证分路长度一致，应把较短的分路设计在蒸发器中间位置，较长的分路设计在换热器上下两端（中间位置单位面积制冷量高）。

2）选取平片型翅片，合理排布翅片片距

采用波纹片等强化换热的翅片片型，可以加大空气流道的长度，并且能够对气流造成充分的混合，大大增加了空气换热面积，换热效率显著提高，但是随着换热性能的有效强化，也带来了较大的阻力损失^[7]，空气流速减缓导致凝结在翅片表面的水分不宜滴落，更容易结霜，平片型翅片具有结构简单紧凑、利于除霜、容易制造等优点，因此冷风机翅片建议采用平片型^[4][6]。

冷风机结霜主要发生在翅片管束的前几排，结霜厚度沿风向是逐渐减薄的，换热器翅片应设计成变片距，沿风向片距逐渐减小，这样可以有效延长冷风机的化霜周期，提高系统能效，同时也可以节省材料，降低换热器的成本。但是由于制造成本、生产工艺等因素限制，冷风机通常根据不同的使用温度设计成统一片距，常用的翅片片距有4mm、4.5mm、6~8mm、10mm、12mm等。

b.提高电加热管的可靠性

电加热管冷端（电加热管首尾两端各有世纪厘米的不发热部分称为冷端^[5]）过长导致换热器化霜存在盲区，化霜不干净可能导致冰霜累积，保证电加热管可靠性的同时，设计过程中应缩短冷端长度，尽量减少化霜盲区。

电加热管化霜干净后若未及时退出，干烧导致表面温度持续上升高达上千度，具有一定的安全隐患，建议产品设计过程中电加热管配置限温装置，避免干烧，提高产品的安全性能。

c.优化冷风机结构

排水管设置在冷风机底盘靠近电器盒侧，工程安装中接线盒接管在同一侧，方便工程安装。但是排水底盘坡向电器盒侧，排水流程延长，阻力增大，因此排水底盘需要更大的坡度才能确保排水顺畅，这将造成冷风机体积的增大，给产品包装、运输等都造成一定的困难。将排水管设置在排水底盘的中部，可有效减少排水阻力，再通过优化排水底盘的结构，可有效改善产品的排水性能。

冬季我国北方地区室外温度常常低于零度，排水管内存水（主要指U弯的位置）可能结冰，造成排水管冰堵。产品设计过程中应设置或预留排水管伴热带相关的控制，工程安装中通过增加伴热带及相关控制解决北方地区冬季排水管冰堵的问题。

d.优化化霜控制方案

一般冷风机化霜控制都是按照间隔化霜的方式，化霜间隔、化霜时间受到冷库保温性能、存储货物种类、储存量、外界温湿度条件等诸多因素的影响，需由专业技术人员根据现场情况进行合理设置。

当化霜进入或退出条件为温度条件时，温度检测的位置将直接影响化霜效果，目前市场上冷风机与其搭配使用的冷凝机组单独售卖，化霜温度检测安装位置是否合适由工程安装人员的技术水平直接决定，因此很容易出现错放或漏放等导致的化霜问题。因此冷风机设计过程中将化霜温度检测位置做好固定十分必要，建议厂家在合适的位置焊接感温包套管做好明确标识，可有效避免工程错放或漏放。

4、总结

针对冷风机结霜类型及原因分析，进行电热融霜方式的优化研究，可有效提高冷风机的使用可靠性，保障冷库内货物质量，降低冷库使用能耗。

参考文献：

[1]翅片管式换热器除霜方式探讨，张杰，王厚华

[2]冷库设计，李建华，王春

[3]食品冷库除霜方法及其能耗分析，庄友明

[4]翅片分类及其特点简介，彭启

[5]电加热系统的使用与研究，王岩

[6]制冷换热器肋片管的强化换热实验研究，王厚华

[7]翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展，刘建