2026/5/19
来源：《制冷》2026年1月 文章编号:ISSN1005-9180(2026)01-0051-04
林锦1，陈言桂2
（1. 福建省水产设计院，福州，350003；2. 集美大学，厦门，361021）
[摘要] 本实验通过构建制冷系统结霜实验台，详细研究了排管结霜厚度对制冷系统性能的影响。实验结果表明，结霜厚度对制冷系统的流量、过热度、制冷量以及性能系数（COP）都有显著影响。为了保持制冷系统的最佳性能，应尽量控制结霜厚度不超过3.6mm。这一临界结霜厚度的发现对于制冷系统的设计和运行维护也具有重要的指导意义。
[关键词] 制冷系统结霜实验台；排管结霜厚度；结霜厚度对制冷效果影响
[中图分类号] TB657 [文献标志码] B doi:10.3969/J.ISSN.1005-9180.2026.01.0010
Influence of Frost Thickness on Coil Pipes on Refrigeration Effect
LIN Jin1, CHEN Yangui2
(1. Fujian Provincial Aquatic Designing Institute, Fuzhou 350003, China; 2. Jimei University, Xiamen 35021, China)
Abstract: This experiment established a frosting test bench for refrigeration systems and investigated in detail the influence of frost thickness on coil pipes on the performance of refrigeration systems. The experimental results show that frost thickness exerts a significant impact on the flow rate, superheat degree, cooling capacity and coefficient of performance (COP) of refrigeration systems. To maintain the optimal performance of refrigeration systems, the frost thickness should be controlled to not exceed 3.6mm. The discovery of this critical frost thickness also provides important guiding significance for the design, operation and maintenance of refrigeration systems.
Key words: Frosting Test Bench for Refrigeration System; Frost Thickness on Coil Pipes; Influence of Frost Thickness on Refrigeration Effect
1 实验
1.1 实验台简介
为了进行ACFTC在实际运行中的热交换特性的研究，构建了制冷系统实验平台，即制冷系统结霜实验台。该测试台主要部分组成为：压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发盘管、以及数据采集装置。制冷系统采用的制冷剂为R404A。实验台的实物图，如图1所示。
[图1 制冷系统结霜实验台]
（1）保温箱尺寸（长×宽×高）：600mm×600mm×600mm 左右。
（2）保温箱设有观察窗、摄像机以及便于观察的光源。
（3）保温箱内空气温度可设定。温度设定范围为-30~5℃。
采用的冷凝器为U型管路布局的翅片管冷凝器实验台，如图2所示。该冷凝器为4排管，每排均排列有10根水平管。整体冷凝器的外形尺寸为450 mm长、100 mm宽、280 mm高。每根铜管的外径为9.52 mm，壁厚为0.36 mm。在垂直于空气流方向的管与管之间的间距设计为24.5 mm，而顺着空气流动方向的管间距则为21.5 mm。冷凝器配备的铝质翅片，其节距和厚度分别设定为2.8 mm和0.1 mm。冷凝器风机功率为200 W，转速为2100 r/min。
[图2 冷凝器实物图]
数据采集系统主要由温度传感器、压力传感器、流量计和数据采集模块组成。其中，温度传感器选用PT1000，精度为±0.5℃；压力传感器型号为U-MIK-P300，精度为±1% Pa；流量计型号为GF02，最大流量为0.05 m3/h，精度为±1%。数据采集模块采用西门子S7-200SMART可编程控制器。
制冷系统采用的压缩机为谷轮IP压缩机。膨胀阀为丹佛斯TEXE 0.75RE。蒸发盘管有一根长度约为1 m的铜管组成的U型排管，其外径为9.52 mm，壁厚为0.36 mm。
[ 图3 蒸发排管实物图]
1.2 实验安排
实验地点位于厦门市，记录了制冷系统在2025年1月10日10:00至11:30的运行数据。实验时，室外温度约为10℃，相对湿度约为40%。
实验步骤如下：
确保设备处于无故障报警状态；关闭保温箱仓门，打开观察窗照明灯；连接上位机通讯网线，并打开上位机监测界面；连接摄像头网线，并运行摄像头监测界面；接入数据U盘。
1）触摸屏设置结霜温度；
2）触摸屏监控界面，点击“启动结霜”；
3）保温箱箱内温度达到结霜温度，设备自动停止结霜；
4）保温箱箱内温度小于结霜温度3℃，自动启动结霜。
2 结霜厚度的变化
实验记录了铜管表面的结霜情况，如图4所示。从t=500s到t=1,500s，结霜的厚度逐渐增加，从0.1mm增加到3.0mm。这表明结霜是一个随时间积累的过程。在早期阶段（t=500s和t=600s），霜层较薄，霜晶较小且分布较为均匀。随着时间的推移（t=700s到t=1,000s），霜层逐渐变厚，霜晶开始增大，且分布开始变得不均匀，出现了一些较大的霜块。在后期阶段（t=1,200s和t=1,500s），霜层非常厚，霜晶明显增大，且霜层表面出现了明显的不均匀性[1]，可能是由于霜晶之间的合并或局部的水分供应不均造成的[2,3]。
[图4 铜管表面结霜情况]
3 结霜厚度对制冷系统流量的变化影响
在制冷过程中，系统的冷凝压力保持在大约10kPa左右，蒸发压力接近0kPa。系统的质量流量的变化，如图5所示。在实验初期（t=0到t=800s），制冷系统的质量流量保持稳定，而结霜厚度缓慢增加。当结霜厚度增加到一定程度（约为1mm），制冷系统的质量流量开始增加，这可能是为了应对结霜厚度增加带来的热阻效应[4]，从而维持系统的制冷效果。随着时间的推移，结霜厚度继续增加，质量流量也相应增加[5]。
[图5 结霜厚度对制冷系统流量的影响]
4 结霜厚度对制冷系统过热度的影响
结霜厚度对制冷系统过热度的影响，如图6所示。过热度在实验初期迅速下降。霜层厚度在1.0mm时，随着时间的推移逐渐增加，进而降低了过热度。其主要原因为，霜层的厚度增加，增加了传热热阻，使得蒸发器盘管的换热性能降低，进而过热度减少[6]。
[图6 结霜厚度对过热度的影响]
5 结霜厚度对制冷系统制冷量和COP的影响
结霜厚度对制冷系统制冷量的影响，如图7所示。制冷量在实验初期较高，但随着时间的推移逐渐下降。当霜层厚度约为1mm时，制冷量增加，直到厚度约3.6mm时，制冷量减少。这是因为，在结霜初期，结霜为晶枝结构，其形状增加了传热面积。当结霜厚度>3.6mm时，由于导热热阻占主导[7]，传热面积的增加量少于导热热阻的增加量[8]，因此，制冷量降低[9,10]。
[图7 系统制冷量]
制冷系统COP变化，如图8所示。由于压缩机的功率的变化影响不到，因此，COP的变化规律与制冷量的变化规律一致。当结霜厚度>3.6mm时，COP下降[11]。
[图8 系统COP]
6 结论
本实验通过构建制冷系统结霜实验台，详细研究了排管结霜厚度对制冷系统性能的影响。实验结果表明，结霜厚度对制冷系统的流量、过热度、制冷量以及性能系数（COP）都有显著影响。以下是主要结论：
1）结霜厚度的增加会导致制冷系统的质量流量增加，以应对由结霜引起的热阻效应，从而维持系统的制冷效果。
2）结霜厚度的增加会降低制冷系统的过热度。这是因为霜层的增厚增加了传热热阻，导致蒸发器盘管的换热性能降低。
3）结霜厚度对制冷量的影响呈现出先增加后减少的趋势。在结霜初期，结霜的晶枝结构增加了传热面积，从而提高了制冷量。然而，当结霜厚度超过一定值（约3.6mm）时，由于导热热阻占主导，制冷量开始下降。
4）制冷系统的COP变化规律与制冷量的变化规律一致。当结霜厚度超过3.6mm时，COP开始下降，表明系统的能效比降低。
5）临界结霜厚度：根据实验结果，可以提出一个临界结霜厚度的概念，即在该厚度下，制冷系统的性能开始显著下降。实验数据显示，当结霜厚度达到约3.6mm时，制冷量和COP均开始下降，表明该厚度可以作为制冷系统性能显著下降的临界点。
因此，为了保持制冷系统的最佳性能，应尽量控制结霜厚度不超过3.6mm。这可能需要定期进行除霜操作或采用防霜技术，以减少结霜对系统性能的负面影响。同时，这一临界结霜厚度的发现对于制冷系统的设计和运行维护也具有重要的指导意义。
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