技术：空调大小管结霜原因与解决方案

1、大小管的作用     
空调系统按照制冷剂流向 , 可分为四个主要部分 : 压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器。其中 , 冷凝器和节流装置设置在室外机侧 , 而蒸发器设置在室内机侧。大管和小管就是连接室内外机的管路 , 在系统中起到输送制冷剂的作用 [1] 。    

具体来说 , 大管又称回气管或吸气管 , 是蒸发器出口至压缩机入口的连接管。其作用是将蒸发器吸收了热量的低温低压气态制冷剂输送至压缩机。由于气态制冷剂的比容较大 , 因此大管管径较粗 , 一般在 Φ12~Φ19mm 之间。    

小管又称供液管或液管 , 是冷凝器出口至节流装置入口的连接管。其作用是将冷凝器放出热量的高温高压液态制冷剂输送至节流装置。由于液态制冷剂的比容较小 , 因此小管管径较细 , 一般在 Φ6~Φ9mm 之间 [2] 。    

大小管的尺寸设计需考虑制冷剂的流速、压降、传热等因素 , 并与系统的冷量、管长、高差等参数相匹配。管径过大会增加充注量 , 但过小又会增大阻力。    

2、结霜的危害    
大小管结霜是指在管壁温度低于露点温度时 , 空气中的水蒸气凝华析出的现象。轻度结霜表现为管壁表面出现白霜 , 霜层较薄 ; 重度结霜则表现为管道被厚厚的白霜覆盖 , 霜层如冰 [3] 。    

结霜对大小管的危害主要有以下三点 :    

(1) 阻碍制冷剂流动 : 霜层附着在管壁上 , 增大了管道粗糙度 , 减小了过流面积 , 造成管路阻力增大。据测试 , 霜层厚度每增加 1mm, 管内阻力就会增加 4% 左右 [4] 。    

(2) 恶化传热性能 : 霜层的导热系数远低于铜管 , 在 0.1~0.6W/(m·K) 之间 , 而铜管导热系数在 380W/(m·K) 以上。因此 , 结霜会显著降低管壁与制冷剂之间的传热效果 [5] 。    

(3) 增加压缩机负荷 : 由于蒸发器出口过热度降低 , 回气比容增大 , 压缩机吸气量减少 , 压缩比增大。同时 , 由于冷凝器放热恶化 , 冷凝压力升高。这些都加大了压缩机的功率消耗。    

轻度结霜通常只会造成能效下降 , 但重度结霜如得不到及时处理 , 会严重影响到系统制冷量 , 引发压缩机过载、高压保护等故障 , 甚至导致压缩机烧毁。    

1、过量膨胀
空调系统中 , 节流装置 ( 如毛细管、电子膨胀阀等 ) 的作用是将高压液态制冷剂节流为低压液态制冷剂 , 再进入蒸发器吸热气化。膨胀过程中 , 制冷剂压力和温度同时降低 , 体积膨胀。膨胀量应与蒸发器的冷量需求相匹配。    

然而 , 如果节流装置开度过大 , 或装配时选型不当 , 就会发生过量膨胀。此时 , 进入蒸发器的低压液态制冷剂过多 , 不能在蒸发器内完全气化 , 而是以液气两相态进入大管。这部分液态制冷剂在吸热气化时 , 会强烈冷却大管管壁 , 使其温度降至露点以下而发生结霜 [6] 。    

液态制冷剂进入压缩机还会引发液击事故。因此 , 过量膨胀不仅会导致大管结霜 , 还会损坏压缩机。    

2、过冷不足
冷凝器出口的高压制冷剂绝大部分为液态 , 但仍会夹带少量气态。这部分气态制冷剂本应在小管中被进一步冷凝为液态 , 即发生 " 过冷 ", 再进入节流装置。    

但如果冷凝器换热量不足 , 或小管保温不当 , 使得小管中的过冷度不够 , 气液两相制冷剂就会直接进入节流装置 , 经节流后在蒸发器入口处迅速汽化 , 吸热降温 , 导致小管结霜。此时结霜多发生在节流装置附近 [7] 。    

造成过冷不足的原因较多 , 如室外温度过高、室外风机故障、冷凝器脏堵、小管堵塞、小管漏热等。需针对性地排查和解决。

 

3、非冷凝气体
理想状态下 , 空调系统内只应存在纯净的制冷剂和润滑油 , 不应有其他杂质。但实际运行中 , 系统会因为泄漏、污染等原因 , 混入空气、水蒸气等非冷凝气体。    

非冷凝气体不能被压缩机压缩 , 也难以在冷凝器冷凝 , 因此大部分会聚集在冷凝器顶部 , 随液态制冷剂进入小管。当小管中非冷凝气体达到一定量时 , 会降低过冷效果 , 导致小管结霜 ; 同时 , 非冷凝气体还会进入蒸发器 , 恶化传热 , 加剧大管结霜 [8] 。    

此外 , 非冷凝气体聚集在系统高点 , 会形成 " 气阻 ", 降低冷凝器和蒸发器的有效容积 , 使得压缩机吸排气压力失衡 , 压缩比升高。系统能效也会随之下降。

1、优化膨胀阀控制策略
针对过量膨胀引发的大管结霜 , 可优化膨胀阀的控制策略 , 避免液态制冷剂进入压缩机。具体措施包括 :    

(1) 采用电子膨胀阀替代毛细管 , 根据蒸发器出口过热度实时调节开度。过热度越大 , 开度越小。一般过热度控制在 4~8K 为宜 [9] 。    

(2) 改进电子膨胀阀的控制算法 , 引入压缩机吸气压力、冷凝压力等参数 , 实现多变量复合控制 , 提高控制精度和稳定性 [10] 。    

(3) 采用内置式电子膨胀阀 , 将其安装在室内机内 , 缩短感温包至蒸发器出口的距离 , 加快响应速度。    

2、提高冷凝器过冷度
针对过冷不足引发的小管结霜 , 应采取措施提高冷凝器的过冷度 , 确保进入小管的制冷剂为纯液态。具体可从以下几方面入手 :    

(1) 优化冷凝器设计 , 增加过冷段面积 , 延长过冷段铜管。例如采用微通道冷凝器 , 可使过冷度提高 2~3℃[11] 。    

(2) 清洗冷凝器表面 , 定期疏通盘管内的水垢、油污 , 恢复其换热性能。必要时可采用在线清洗或化学清洗。    

(3) 更换室外风机 , 选用大风量、低噪音的风机产品 , 提高冷凝器的散热量。    

(4) 加强小管的保温 , 采用发泡橡塑等材料 , 减少小管的散热损失。

 

3、加装气液分离器
针对非冷凝气体引发的大小管结霜 , 应在冷凝器出口加装气液分离器 , 截留夹带的气体。其工作原理是利用重力和离心力 , 使气液混合物中的气体上浮分离 , 液体下沉排出 [12] 。    

气液分离器的设计应做到 :    

(1) 容积适中 , 一般为系统容积的 1/10~1/6 。过大会增加充注量 , 过小则会频繁启停。    

(2) 布置合理 , 进口宜设在分离器底部偏下 , 出口设在分离器顶部偏下 , 以延长气液接触时间。    

(3) 强化分离 , 可在分离器内填充螺旋板、多孔填料等 , 强化旋流效应。    

运行中 , 分离器顶部聚集的非冷凝气体需定期排放 , 否则会降低分离效率。排放可采用手动或自动两种方式 , 手动排放要做好标识 , 避免误操作 ; 自动排放可根据运行时间或系统高压设定阈值 [13] 。    

4、完善检漏工艺
从源头上防止非冷凝气体进入 , 要靠完善的检漏工艺。具体做法有 :    

(1) 采用氦检漏 , 在系统装配后充入氦气 , 用氦质谱检漏仪检查所有连接处 , 确保密封良好。    

(2) 严格抽真空 , 系统装配、检漏后 , 用真空泵多次抽真空 , 直至压力低于 500Pa, 再充注制冷剂。    

(3) 控制焊接质量 , 采用自动焊接设备 , 优化焊接参数 , 确保接头饱满 , 避免虚焊、漏焊。    

(4) 规范维修操作 , 拆开系统时应先回收制冷剂 , 抽真空后再开启 , 避免空气混入 ; 维修完毕后应重新检漏。