小型冷库制冷设备热氟化霜研究

刘家豪

珠海格力电器股份有限公司   广东 珠海519000

[摘  要]小型冷库应用场合多、储藏货品繁杂、冷库温度低、常规的时间判定结霜方式，那难以满足化霜与节能的需求。从冷风机换热器结霜的形成、化霜的措施、化霜的控制这个三个方面对小型冷库制冷系统进行分析，可提高结霜、化霜性能，提升制冷能效。

[关键字]风冷冷凝机组 化霜冷风机化霜控制

[Abstract]  There are many applications of small cold storage, the storage of goods is complicated, the temperature of cold storage is low, and the conventional time determines the frosting method, which is difficult to meet the needs of defrosting and energy saving. From the formation of frost in the heat exchanger of the air cooler, the measures for frost reduction, and the control of frost, the small cold storage refrigeration system is analyzed, which can improve the frost and frost performance and improve the efficiency of refrigeration.

[Keywords]  Condense unit; Defrosting; Air cooler; Defrost control

0引言

小型冷库设备主要有外机冷凝机组、内机冷风机组成，具有安装便利、搭配灵活、选型简易、制冷效率高的特点，广泛应用在预冷库、保鲜库、储藏库、冷冻库、果蔬培育、生鲜便利店等场合。

相比于普通空调机组，冷库设备全年运行，同时冷库应用场景制冷循环蒸发温度低，绝大部分情况温度低于0℃。在低温、高湿的使用环境下蒸发器表面容易结霜、结冰，霜层累积影响换热效果，进一步加剧了结霜进程,长期在结霜状态下如不及时进行化霜，会严重影响制冷性能，进而影响冷库实际使用效果,机组运行效率低，耗电量大。

1电热融霜系统与热氟化霜系统

目前国内冷库制冷设备主要采用电加热化霜：通过在蒸发器布置电加热管，化霜时先加热电加热管传导热量对翅片及换热管外表面的霜层进行升温化霜。

图1电热丝在冷风机的分布图

电热融霜的方式，存在以下突出问题：

电热化霜能耗高：冷库项目为例，采用5HP电热融霜霜制冷机组，通过对冷库制冷设备整体运行81天的用电量进行分析，冷库实际有效制冷运行用电量占比48%，化霜过程及化霜后库温恢复降温用电量占比52%；冷库化霜的耗电量占比非常大

图2电热融霜耗电量分析

热化霜用时长，库温波动大：化霜时电加热表面温度高（＞200℃），通过电加热管传导热量对翅片及换热管外表面的霜层进行融霜，传热效率低、化霜周期长（一般化霜耗时35分钟），且大部分热量散失到冷库环境中，造成冷库温度波动大，化霜前后平均温差达到14℃。

图3电热融霜温度波动

常用定时化霜，存在化霜不彻底和无霜也化霜的情况：冷库存储的货物品类多、状态不一，冷库内货物量经常发生变化，尤其是生鲜等配送式冷库开关门频繁，同时外环温度及库内温湿度均影响换热器结霜情况。因此设备安装调试时会出现以下两种情况

按照空库调试情况设定化霜间隔及时间，会导致在实际装货使用过程中化霜不彻底的情况，换热器结冰运行能效低、耗电高；

按照最恶劣工况设定化霜间隔及时间，但实际使用过程中极限工况占比并不高，会导致无霜也化霜的情况，无效化霜导致耗电量高。

热氟融霜是通过四通阀切换冷媒流向，从而将原来制冷的系统变为制热的系统。室外的换热器吸收热量，将热量转送到室内换热器，以除去室内换热器表面的的霜层。热氟融霜系统不需要附加其他设备，与电加热相比，有除霜时间短、能效高、库温回升少等优点。

         

图4热氟融霜局部图               图5电热融霜局部图

图6热氟融霜温度波动

热氟融霜与电热融霜霜对比，热氟融霜化霜效率远高于电热化霜，热氟融霜能量提供率η=300~500%，而电热化霜能量提供率为η=100%。因为电热融霜需要靠热辐射将整个冷风机的霜化干净，所以电热丝的表面温度能达到200℃，当电热丝附件的霜化干净后，会有大量的热量进入冷库，导致冷库温度上升。而热氟融霜整个化霜表面温度最高为60℃，而且温度分布具有，热量被霜层的吸收率高，冷库温度波动小。

2 霜的形成

一般认为结霜现象产生的机理为：当湿空气经过低温表面时，如果低温表面温度低于空气中水蒸气的露点温度，水蒸气就会发生相变并在该表面凝结，随着温度的逐步降低，低温表面上凝结的液滴会发生冻结，随后在冻结的液滴表面上就会出现霜晶，霜晶不断生长和累积从而形成霜层。当然，如果壁面温度非常低，空气中的水蒸气会在壁面直接凝华形成霜晶。结霜是一个相当复杂的传热传质过程，涉及水珠的生成、长大（包括水珠的合并）、冻结、初始霜晶的形成、霜晶成长（包括霜晶的倒伏）等过程。

3 热氟融霜控制

影响冷库结霜的因子多，但通过分析化霜因子的变化，最终体现在库内温度、湿度变化、温湿度变化速率。

应对复杂的化霜工况，热氟智能化霜技术将复杂的工况从三个维度去进行细化分类，提高化霜的可靠性。这三个维度化霜进入判断条件分别为时间条件、温度条件、压力条件。

化霜进入条件：

时间条件：是指制冷时间、结霜时间。时间条件受冷库温度、蒸发温度等因素控制。所以将时间条件细化为单次制冷时间条件，对总制冷时间的一个限制。蒸发温度低于0℃，蒸发器才会结霜，而高库温结霜慢、低库温结霜快，所以对时间条件细分为高库温单次制冷蒸发温度低于0℃的时间条件、低库温单次制冷蒸发温度低于0℃的时间条件，来应对不到同的库温。

因为冷库开关门次数、存货量在变化，若结霜过多，化霜用时也在变化，所以可以通过上次一次的化霜用时，去修订时间条件。若化霜用时过长，则时间条件缩短；化霜时间过短，可以延长时间条件。对修正方法进行一个细分处理，如下表。

温度条件：是指符合进入化霜时的温度需求，结霜速度受库温温度、冷库湿度的影响。不同的库温、不同的湿度结霜后都会增大机组换热温差。所以对不同的库温对应不同的换热温差为温度条件。

压力条件：当出现异常情况，如机组突然断电、库温内湿度突然大幅增大等，正常修正化霜周期已无法及时化霜，侧可以通过制冷总时间，和低压压力判定，进入化霜，作为化霜条件。

若机组只满足时间条件而不满足温度条件，说明机组结霜量不大，任可以继续制冷。若机组值满足温度条件，而不满足时间条件，机组有可能出现异常的频繁化霜。所以时间条件与温度条件同时满足时，化霜周期选择最可靠。

化霜退出条件：

冷库内结霜工况多变，条件恶劣，所以冷库化霜力求一次就化霜干净，为了确保化霜可靠性，而且在外环温度低，内环温度低，化霜感温包温度上升难以超过20℃。所以根据化霜感温包退出可分为两类，一个温度点退出，一温度段退出。

4 热氟融霜验证

低环温除霜验证：

测试思路：智能化霜技术中，初次化霜间隔的时间为40min，既机组首次至少运行制冷40min才能进入化霜。所以若机组在结满霜的条件下，断电重新开机，机组会以初次化霜间隔40min继续运行，然后进入化霜，此时可验证智能热氟化霜能否在恶劣的条件下能否自动进入化霜。由于结霜较厚，机组进入化霜后，需要吸热向外界环境吸热量，将外界环境温度设定为最低使用℃-15℃，此时吸热最困难，可验证智能热氟化霜的单次化霜能力。若单次化霜不干净，则由机组自动修正化霜周期，自动进入化霜。将内环调整至干球温度0℃，相对湿度100%，此时温度低，且绝对湿度大，极易结霜。可验证智能化霜的修正能力。

测试方法：在室内侧干球温度0℃，相对湿度100%，室外测干球-15℃，制冷结霜4h至冷风机结满霜。结满霜后，机组断电开机，机组按化霜进入条件判定化霜，维持运行至化霜周期稳定，观察化霜情况。

测试结果：设置智能化霜模式后，机组运行40分钟进入化霜，化霜13min后除霜干净。机组继续制冷运行34分钟，蒸发器结结霜较厚，机组智能进入第二次化霜，化霜用时8min，除霜干净。机组运行24h后，化霜周期稳定在制冷30min，化霜6min，除霜干净。

  图7结霜4h          图8热氟融霜后

图9热氟融霜时各分路管温变化，最高达到50℃

高环温除霜验证：

测试思路：机组运行制冷，若蒸发温度0℃以上，换热器不结霜。蒸发温度0℃以上，单次制冷蒸发温度低于0℃时间条件不满足，不应进入化霜。维持机组蒸发温度0℃以上，观察蒸发器是否结霜，是否能进入化霜。

测试方法：在室内侧干球温度15℃，相对湿度50%，室外测干球32℃，机组设置为智能化霜模式，由机组智能判定进入制冷以及化霜，维持运行至化霜周期稳定。

测试结果：机组运行12h，蒸发温度一直稳定为2℃，并无下降趋势。蒸发器表面无任何结霜。机组没有进入化霜。

热氟融霜时间修正验证：

制冷化霜的周期受到冷库温度、冷库湿度的影响，因为冷库开关门次数、存货量会急剧变化，所以合适的化霜周期也在急剧变化，因此将冷库急剧变化定为下面四个测试方法 。

（1）升温升湿：

测试思路：模拟冷库开门情况，从温低湿度，

库内从干球温度0℃，对湿度50%，升高至干球温度10℃，相对湿度100%。

（2）升温降湿：

库内从干球温度0℃，对湿度100%，升高至干球温度10℃，相对湿度50%

（3）降温升湿：
    库内从干球温度10℃，对湿度50%，升高至干球温度0℃，相对湿度100%

（4）降温降湿度

    库内从干球温度10℃，对湿度100%，升高至干球温度0℃，相对湿度50%

测试方法：库内从以上初工况，稳定运行48h，至化霜周期稳定；调节工况至以上调节工况，至运行化霜周期稳定。

测试结果：在制冷机组运行下，冷风机换热器表面的霜层会加速形成，库温降低，机组低压降低速率变快，压力降至满足化霜压力条件，机组进入化霜；首次除霜后库内相对湿度降低，霜层形成速率缓慢，此时判定修正周期和低压条件谁先满足谁优先进入化霜的原则。直至修正冷库温湿度无较大波动，制冷、化霜周期也稳定不变。冷风机均能化霜干净。

耗电量分析：

测试方法：在库温设定为0~5℃冷库分别安装比具有热氟霜控制的设备及电热融霜设备，两个冷库容积均为113m³，在同一外环条件下，两台设备制冷运行60天。下面为两套设备的耗电量分析。

测试结果：

工程名称	库容（m³）	化霜模式	单次化霜功率（KW）	化霜间隔(h)	化霜时长(min)	化霜次数	化霜总时长(min)
热氟融霜设备	113	热氟判定化霜	5.01	/	4.5	11	49.5
电热融霜设备	116	定时化霜	7.49	8	25	159	3975

 热氟融霜化霜效率高，单次化霜功率小，经过化霜判断能，能有效缩短化霜用时。

图10热氟融霜与电热融霜耗电量分析

热氟融霜化霜冷库温度波动兄啊，恢复库温用电少，化霜用点少，与电热融霜设备相比，总耗电可下降53.3%。

4结论

与电热融霜设备相比，热氟融霜设备，化霜时的热量提供率更高、等热量下，霜吸的热量更多。化霜时冷库温度波动更小，可以通过热氟融霜判定方法减少化霜次。综上，热氟融霜设备更省电。

参考文献：

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