冷媒電加熱器設(shè)計及在空調(diào)上的應(yīng)用

毛躍輝

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 冷媒電加熱器設(shè)計

冷媒電加熱器裝置在整個系統(tǒng)中的應(yīng)用可實現(xiàn)加熱除霜，縮短化霜時間，提升低溫制熱性能，滿足舒適性要求等功能。冷媒電加熱器需滿足以下要求以保證其應(yīng)用的安全性：（1）冷媒充分受熱，換熱及時，導熱均勻；（2）在滿足系統(tǒng)制熱性能的前提下，電加熱管功率不能選擇過大，正常工作狀態(tài)下，管表面溫度不能高于120℃，異常情況下，允許管表面溫度短時間內(nèi)控制在170℃以下，因為當壓縮機油溫達170℃，持續(xù)時間超過24h時，熱穩(wěn)定性將變差，冷媒將出現(xiàn)裂解結(jié)焦，堵塞管路[9]；（3）異常工作情況下，當管表面溫度超過被控溫度時，電加熱器能及時有效的進行自我保護，保證用戶的使用安全。

基于空調(diào)外機管路的走向和容納空間的大小，冷媒電加熱器的設(shè)計依據(jù)有以下三點：（1）體積力求緊湊；（2）內(nèi)部發(fā)熱管上增加螺旋翅片，增加對冷媒的擾動，促進紊流，使冷媒被均勻?qū)?；?）保證冷媒不泄露，裝置密封性要高，在整體材料選擇上采用無縫不銹鋼材質(zhì)?？照{(diào)冷媒電加熱器整體設(shè)計如圖1所示，圖中：1-外殼、2-冷媒管、3-電熱管、4-冷媒通道、5-封閉環(huán)、6-密封硅膠套、11-冷媒進口、12-冷媒出口、34-翅片、51-環(huán)形凹槽、61-環(huán)形突起、62-凹腔。

2 冷媒電加熱器主要關(guān)鍵電器件研究

空調(diào)冷媒電加熱器有：電加熱器功率、電熱合金絲、氧化鎂導熱絕緣介質(zhì)、限溫器、熔斷體等主要關(guān)鍵項及電器件。

2.1 電加熱器功率設(shè)計

電加熱器功率越高，相對除霜速度就越快，但功率過高會導致加熱管表面溫度過高，對壓縮機油造成影響。另外，在漏氟且高電壓的情況下，電加熱器功率越高，加熱管表面的溫度升高也越快。因此，電加熱器功率的選擇需要謹慎。經(jīng)過對不同功率下，電加熱翅片管的選型實驗驗證（室內(nèi)20℃，室外0℃工況條件下進行），電加熱翅片管功率設(shè)計為400W，正常工作表面溫度控制可不高于120℃，異常工作情況下管表面溫度不高于170℃，且持續(xù)時間不超過30min，設(shè)計留有一定的裕量。

2.2 電熱合金絲設(shè)計

為保證設(shè)計的可靠，從優(yōu)缺點分析，本次設(shè)計采用金屬鎳鉻絲合金作為發(fā)熱電阻絲，選擇常用牌號Cr20Ni80（即含Cr20%，鎳基類材料），電阻率：（1.09～1.1）Ω?mm2/m，Cr20Ni80發(fā)熱絲材料參數(shù)如表1所示。當前選擇含Cr≤30%，是因為Cr含量過多易氧化及析出，選擇Cr含量為20%的加熱絲其熱穩(wěn)定性要好，絲材的致密度高，熱沖擊好，旋繞性好，延伸率約為25%，且目前大部分室內(nèi)機輔助電加熱器都已經(jīng)使用數(shù)年之久，性能穩(wěn)定，一致性高，安全性好，使用壽命長，同時滿足元器件內(nèi)部的排列，發(fā)熱部分長度為100mm。

冷媒電加熱器電加熱管的工作溫度維持在200℃以下，按照臨界溫度200℃選擇，查詢廠家產(chǎn)品資料知，該合金絲的電阻率修正系數(shù)為Ct=1.016，元件工作溫度下的電阻率ρt=ρ20Ct=1.09×1.016=1.10744Ω?mm2/m，把上述相關(guān)數(shù)值代入

該絲徑可以通過電流最大為3A，由歐姆定律知，加熱管正常工作時電流為1.9A，242V高電壓工作時電流為1.7A，187V低電壓工作時電流為2.1A，通過查詢公司通用庫，選擇發(fā)熱絲徑為0.23mm的現(xiàn)有常規(guī)加熱絲，其單位長度電阻為lr=22.21，電加熱絲長度：Ω/m，L=（U2JID2）/(4ρ20CtP)=(2202×3.14×0.232)/(4×400×1.0744)=4.6m，因此，選擇該絲徑后其載流能力可以滿足理論設(shè)計要求，預(yù)期擬定與理論演算完全符合。電加熱器表面溫度實測值與計算值如圖2所示。

2.3 導熱絕緣介質(zhì)設(shè)計

電熱絲與發(fā)熱管壁之間的電氣絕緣兼導熱性由氧化鎂粉來保證。電工級別的氧化鎂粉定義為電熔結(jié)晶氧化鎂塊經(jīng)破碎并對不同顆粒尺寸或數(shù)目按一定比例配合，直接或改性后用于管狀電熱元件中作為在高溫下導熱的絕緣介質(zhì)。

表2～表5為氧化鎂粉在不同溫度下的電阻率數(shù)值表，研究設(shè)計中對氧化鎂粉的性能做如下要求：

（1）氧化鎂粉在工作中，要具有較高的導熱性能，以便能迅速地把熱量傳遞到管表面上去，使得發(fā)熱電阻絲與管壁溫度更接近，傳熱更均勻；

（2）當工作溫度在1100℃以內(nèi)時，氧化鎂粉應(yīng)具有良好的電氣絕緣性能；

（3）氧化鎂粉必須具有一定的顆粒度，形狀一般是圓狀而不是我國目前生產(chǎn)的片狀，因為圓狀時灌粉密度大，流動性好，且具有一定顆粒的百分比含量，加粉時不易損壞發(fā)熱絲，更有利于灌粉的順利進行；

（4）氧化鎂粉無論在常溫或高溫情況下對發(fā)熱絲材料和管材應(yīng)無腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。

因此，鑒于上述氧化鎂粉存在的特性，在本次設(shè)計中使用電工級高溫氧化鎂粉可以滿足要求。

3 冷媒電加熱器主要關(guān)鍵應(yīng)用實驗與結(jié)果分析

本實驗的目的是測定并驗證空調(diào)上的冷媒電加熱器在實際應(yīng)用中是否安全。采用如下主要關(guān)鍵實驗項，通過實驗確定電加熱管功率的選擇合理性：（1）不同功率下電加熱器除霜實驗；（2）缺氟70%異?；獙嶒?；（3）缺氟50%及電子膨脹閥關(guān)閉時化霜實驗；（4）加熱化霜舒適性實驗。冷媒電加熱器在實際空調(diào)中安裝示意如圖3所示，系統(tǒng)如圖4所示。

圖1 空調(diào)冷媒電加熱器整體設(shè)計示意圖

圖2 電加熱器表面溫度實測值與計算值示意圖

3.1 實驗過程及分析

圖4 系統(tǒng)示意圖

圖5 缺氟化霜實驗

冷媒電加熱器實際裝配時有反向裝配和正向裝配兩種安裝方式。綜合分析，不建議采用反向裝配方式。以下實驗均按照正向裝配方式進行，具體實驗過程及分析如下：

3.1.1 不同功率下電加熱器除霜實驗

在室內(nèi)側(cè)20℃，室外側(cè)0℃的工況條件下，分別將電加熱管功率保持在600W、500W、400W，進行除霜實驗效果驗證，測試所得數(shù)據(jù)整理如表2所示。

實驗分析：

（1）綜合比較，電加熱管采用400W功率時，其可靠性是最好的，電加熱表面溫度和斷電后溫度飆升值均不是特別高；

（2）在化霜速度的對比實驗中，相同的進入條件下，400W的電加熱管反而比600W的電加熱管除霜速度快，這其中可能存在測試誤差，但是即使如此，也能推斷出兩者的區(qū)別不大，電加熱器并未發(fā)揮出最大的效用。其原因是電加熱接觸的大多為兩相流冷媒，根據(jù)以前的實驗經(jīng)驗，加熱這種相態(tài)的冷媒效果很差，電加熱管表面溫度高，代表冷媒并未與電加熱管進行有效換熱。采用400W功率的加熱管在特殊化霜中除霜速度最快，只要465s即可完成化霜，效果最好；

（3）觀察加熱過程中管表面溫度，采用600W功率的電加熱管時，管表面溫度在170℃，高于設(shè)計目標值120℃。采用400W功率的電加熱管進行該項實驗后，管表面最高溫度為102.55℃，距離正常工作時的設(shè)計目標值還有17.45℃裕量，可滿足設(shè)計要求。

由上分析，之前選擇400W功率的電加熱翅片管符合全應(yīng)用的功率要求。

3.1.2 缺氟70%異常化霜實驗

整機進入化霜狀態(tài)，驗證系統(tǒng)在異常情況下，電加熱器表面溫度是否符合設(shè)計要求，在保護器件保護之前，表面溫度不能大于120℃。

實驗分析：

由表3可知，在泄漏50%冷媒的情況下，管表面最高溫度為82.2℃，加熱管表面最高溫度為84.5℃，始終未超過正常工作設(shè)計控制目標值120℃。

3.1.3 缺氟50%及電子膨脹閥關(guān)閉時化霜實驗

在不同灌注量情況下，進入化霜后電子膨脹閥關(guān)死，驗證電加熱器表面溫度是否符合設(shè)計要求，在保護器件保護之前，表面溫度不能大于120℃。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

實驗分析：

冷媒泄漏50%，電子膨脹閥關(guān)閉化霜實驗，排氣感溫包出現(xiàn)保護。此時管表面最高溫度為140.2℃，限溫器和熔斷體不會出現(xiàn)保護。檢測全程，電加熱器管表面最高溫度為129.8℃，高于控制目標120℃，但遠小于警戒溫度170℃，且持續(xù)時間甚短，可忽略，不會影響壓縮機油性能。

3.1.4 加熱化霜舒適性實驗

模擬在極限工況，即室外溫度-12℃，相對濕度90%的環(huán)境中，應(yīng)用冷媒電加熱器進行加熱化霜與未用電加熱器的常規(guī)化霜效果對比，實驗結(jié)果表明：采用特殊化霜后的出風溫度比常規(guī)化霜溫度高1.5℃，進風溫度（即房間整體溫度）比常規(guī)除霜溫度高0.4℃；內(nèi)風機采用開停控制，加熱化霜的平均化霜時間為5.5min，常規(guī)除霜時間為7min。加熱化霜內(nèi)管溫比常規(guī)除霜管溫高1.9℃。加熱化霜時室內(nèi)溫度波動的最大值為5.2℃，常規(guī)除霜模式為8.0℃，加熱化霜舒適性比常規(guī)化霜舒適性高。對比實驗數(shù)據(jù)見表5。

3.2 實驗結(jié)論

（1）選擇400W的冷媒電加熱器功率，化霜時間比其他功率的化霜速度要快。加熱器表面保護溫度只需確保不超過冷媒的裂解溫度即可，即裂解溫度為200℃，目前的設(shè)計目標為170℃，目前實驗驗證，模擬各種正常使用和異常使用情況，管表面溫度均未超過170℃。

（2）冷媒電加熱器傳熱效率較高。由于冷媒電加熱器直接串聯(lián)在管路系統(tǒng)中，冷媒在工作時屬于濕蒸汽狀態(tài)，液側(cè)的傳熱系數(shù)比空氣中要高出很多，傳熱效率高。

（3）冷媒電加熱器的應(yīng)用可實現(xiàn)快速化霜，提高室內(nèi)環(huán)境舒適性?；孢m性實驗對比，應(yīng)用冷媒電加熱器化霜后，室內(nèi)溫度波動較常規(guī)化霜少2.8℃，加熱化霜比常規(guī)化霜時間縮短4min?；戤吅?，出風溫度即刻可以達到接近40℃，在冬天，不會引起人的不舒適感，大大提高了房間舒適性。

（4）冷媒電加熱器應(yīng)用安全可靠，使用壽命長。由于冷媒電加熱器設(shè)置在冷媒濕蒸汽內(nèi)，其工作時表面溫度比暴露在空氣中使用時要低許多，且當室外機在停機時，殘余加熱器內(nèi)的余熱可以被冷媒濕蒸汽所吸收，從而使得電加熱器外殼表面不會因過熱而被燒壞，延長了其使用壽命。

（5）為防止冷媒電加熱器過久干燒，其內(nèi)部設(shè)計有限溫器和熔斷器，并經(jīng)實驗驗證安全。冷媒電加熱器發(fā)熱面不與空氣接觸，且封閉在管路內(nèi)，即使在干燒情況下也無火災(zāi)隱患，使用安全可靠。

圖6 缺氟及電子膨脹閥關(guān)閉化霜

表1 牌號Cr20Ni80發(fā)熱絲材料參數(shù)表[25]

表2 不同功率下電加熱器的效果測試數(shù)據(jù)

表3 缺氟50%化霜實驗數(shù)據(jù)

表4 缺氟50%及電子膨脹閥關(guān)死化霜實驗數(shù)據(jù)

表5 加熱化霜與未加熱化霜舒適性對比實驗