从“结霜”到衰减：蒸发器结冰性能试验揭示制冷系统亚健康密码

 

蒸发器结冰性能试验是指通过标准化的测试方法，在模拟真实使用环境的试验装置中，使蒸发器在规定条件下结霜或结冰，从而评估其容霜能力、除霜性能及对系统整体效能的影响。

蒸发器结冰性能试验通常是在空调、制冷设备以及一些需要在低温环境下工作的设备（如汽车空调、冰箱、除湿机等）的研发和质量检测中进行的一项重要测试。这项试验旨在评估设备在特定低温和高湿度条件下，蒸发器表面结冰的程度、速度以及设备在这种情况下能否正常运行和恢复性能的能力。
 

1. 评估结冰倾向：在低温高湿工况下，蒸发器表面是否快速结霜/结冰；

2. 验证化霜/除冰策略有效性（如周期性停机、电加热、反向循环等）；

3. 测试结冰对性能的影响：

•换热效率下降（制冷量衰减）；

•风阻增大（风机电流升高、风量下降）；

•排水不畅导致“冰堵”或水滴飞溅；

4. 支持产品设计优化：翅片间距、管路布局、亲水涂层等改进。

核心试验方向常见影响因素

蒸发器结冰本质是空气中水蒸气遇冷在蒸发器表面结晶聚集，试验通常围绕影响结冰的核心变量展开，主要影响因素包括：

系统设计类因素‌：制冷剂不足/膨胀阀故障会导致蒸发压力或温度过低，进而引发结冰；温控器位置、参数设置不合理，也无法及时调节制冷状态，增加结冰风险。

运行环境类因素‌：高湿度环境下空气中水分含量高，更容易在低温蒸发器表面凝结结冰；若设备箱门频繁开启或通风设计缺陷，会额外引入潮湿空气，加剧结冰。

维护状态类因素‌：空调滤网堵塞、蒸发器表面积灰会导致空气流通不畅，热交换效率降低，局部温度过低引发结冰。

测试参数精准调控的影响因子

要高效、可重复地完成测试，必须对以下参数进行精确调控：

环境相对湿度：湿度越高，结霜速率越快，系统性能衰减越严重，稳定维持目标湿度（如65%RH/85%RH），确保对比公平；

环境/进水温度：家用冰箱测试关注箱内温度；热泵测试需模拟冬季低温环境，评估不同水温对CO₂蒸发器的影响，利用恒温恒湿室稳定控制环境温度；热泵进水侧需恒温水箱保障精度；

制冷系统参数：蒸发温度、过热度直接决定霜层结构，蒸发温度越低，结霜风险越大，精确调节电子膨胀阀或毛细管匹配，保证测试时制冷剂流量与过热度稳定；

气流组织：气流速度与分布直接影响结霜均匀性，风速不均会导致霜层厚度差异显著，风量调节阀门配合风速仪监测，保证蒸发器表面进风均匀。

 

试验分类

 

根据应用场景的不同，该试验主要分为两大类：

核心关注点：评估“容霜能力”——即能容纳多少霜层而不影响使用，评估结霜/除霜对热泵系统制热量和能效比的影响；

关键标准：QB/T 8144-2025《家用电冰箱蒸发器容霜能力要求和评价方法》，GMW 15775等OEM企业标准；

适用产品：风冷冰箱（无霜冰箱）、冷柜，空调室外机、热泵热水器、新能源汽车热泵系统；

测试重点：霜层分布均匀性、化霜周期、化霜水排放，结霜速率、系统性能衰减、化霜控制策略。

PART.01

冰箱蒸发器测试：聚焦“容霜”与“化霜”

 

在家电领域，结冰/结霜性能是衡量无霜冰箱品质的核心指标。

- 测试原理：在冰箱冷冻/冷藏室的风道中，利用专用装置制造稳定的结霜环境，模拟开关门带入湿气、高湿食材存放等真实场景。

- 关键装置：依据GB/T 4706.13及IEC 60335-2-24设计的标准结霜测试装置，通过内置可控式热源精确蒸发水分，确保测试条件可复现。

- 评价体系：新发布的行业标准QB/T 8144-2025《家用电冰箱蒸发器容霜能力要求和评价方法》，专门用于规范容霜能力的分级与测试流程。

PART.02

空调/热泵测试：聚焦“系统性能衰减”

 

在空调及新能源汽车领域，蒸发器结冰是影响系统高效运行的“拦路虎”。

- 现象与危害：当蒸发器表面温度低于0℃且空气湿度较高时，翅片表面会结霜，导致空气流通受阻、蒸发器吸热能力骤降，使系统制热量下降、功耗增大。

- 霜层影响规律：研究表明，霜层形态受表面温度、环境温湿度等因素影响，存在柱状、针状、羽状等不同结构。在特定条件下，霜层在初期反而会增加表面积促进换热，但一旦超过临界值（通常约0.4-0.6mm），性能便会急剧恶化。

- 创新应对：面对CO₂等环保冷媒的普及，传统管翅式换热器在低温高湿下表现不佳，微通道蒸发器及变密度翅片设计成为行业热点。研究显示，采用无翅片设计能延缓结霜堵塞，使蒸发器在湿工况下保持更长的高效运行时间。

典型试验方法

冰箱疏水涂层性能试验‌：将带疏水涂层的蒸发器和裸铝蒸发器放在温度32℃、相对湿度85%的稳定环境中，保持冰箱空箱无化霜运行480小时，定时拍照记录结霜/结冰量，对比两种蒸发器的结冰抑制效果。试验结果显示，疏水涂层可减少约16%-23%的结冰量，核心作用是延缓结冰初期的结晶形成。

汽车蒸发器道路复现试验‌：在高湿度环境（如海南）下，选择高车速、低鼓风机档位、全制冷的极限工况，通过调整温控器参数，复现蒸发器结冰现象，验证不同参数对结冰的抑制效果。试验发现，高湿度是蒸发器结冰的核心前提，合理调整温控器通断参数可明显缓解结冰。

工业热泵仿真试验‌：在恒温恒湿实验室中，通过改变蒸发温度、调节膨胀阀开度，采集温度、压力、流量等数据，输入仿真模型计算结霜/结冰速率和热泵性能，定量评估不同工况下的结冰特性。

蒸发器结冰性能试验的设备组成
一

环境模拟设备
01

温湿度可控环境舱（或气候室）

•功能：提供稳定、均匀的低温高湿进风条件；

参数要求

•温度范围：-10°C ～ +40°C（可调）；

•相对湿度：30% ～ 95% RH（可控）；

•温湿度波动：±0.5°C / ±2% RH；

•配置：新风/回风调节阀、加湿器（蒸汽或超声）、制冷/加热单元。

02

空气处理风道系统

•包括整流段、蜂窝器、阻尼网，确保进入蒸发器的气流均匀、低湍流；

•可安装标准风量测量装置（如喷嘴或孔板）。

二

风量与气流控制设备
03

可调速风机（或变频风机）

•模拟实车或实际应用中的风量（如汽车空调常用 300–800 m³/h）；

•风机需具备稳定运行能力，避免因结冰导致负载突变停机。

04

风量测量装置

•类型：皮托管 + 差压变送器、热式风速仪、或标准流量喷嘴；

•用于实时监测通过蒸发器的实际风量。

05

压差传感器

•安装在蒸发器前后，测量风阻变化（结冰后压降显著增大）；

•量程通常 0–1000 Pa，精度 ±1 Pa。

三

被测件（蒸发器）支持系统
06

蒸发器安装台架

•可调节角度与位置，适配不同尺寸蒸发器；

•集成冷媒进出口快接接头、电气接口（如化霜电热丝）。

07

制冷剂循环系统（冷媒供给系统）

•组成：压缩机 + 冷凝器 + 膨胀阀（或电子膨胀阀）+ 储液罐 + 管路；

•功能：为被测蒸发器提供可控的制冷工质（如R134a、R1234yf、CO₂等）；

•可选：使用整车空调系统或专用冷媒测试台。

08

冷媒参数测量仪表

•高低压压力传感器（精度 ±0.5% FS）；

•进出口温度传感器（PT100 或 T型热电偶）；

•质量流量计（可选，用于精确计算制冷量）。
四

结冰过程监测与数据采集设备
09

表面温度监测系统

•多点热电偶（布置在蒸发器翅片/管路关键位置）；

•或 红外热像仪：非接触式全场温度分布，直观显示结冰区域（推荐）。

10

高清摄像/高速摄像系统

•固定摄像头记录结冰形貌演变；

•高速摄像（可选）用于研究霜晶生长动力学。

11

排水收集/称重装置

•蒸发器下方安装集水盘，连接电子天平（精度 0.1g）；

•实时记录凝结水量，判断是否因结冰导致排水受阻。

12

数据采集系统（DAQ）

•多通道同步采集：温度、压力、湿度、风量、压差、电流、电压等；

•软件平台支持曲线绘制、报警、自动保存（如LabVIEW、Test.Lab等）。

五

化霜与控制系统（如需验证除冰性能）

13

化霜执行装置

•电加热丝（嵌入蒸发器）；

•或四通阀（用于热泵系统反向除霜）；

•或停机自然融霜（被动方式）。

14

自动控制与逻辑单元

•PLC 或工控机控制试验流程（如“运行60分钟 → 停机化霜10分钟”）；

•支持设定结冰触发条件（如表面温度 ≤ 0°C 且 RH ≥ 80%）。

六

安全与辅助设备

15

冷媒泄露检测报警器（尤其使用可燃/有毒制冷剂时）

16

紧急停机按钮与联锁保护

17

电源稳压与接地系统

18

照明与观察窗（带防雾/除霜功能）

# 蒸发器结冰性能试验的具体步骤 #
一
试验前准备01明确试验目标与工况

•确定测试标准（如 SAE J2387 要求 60 分钟内不得堵塞风道）；

设定关键参数

•进风湿球温度：12°C

•进风干球温度：20°C

•相对湿度：≈70% RH

•蒸发器表面目标温度：-1°C ± 0.5°C

•风量：按实车匹配（如 500 m³/h）

02设备检查与校准

•校验温湿度传感器、压力变送器、风量计、热电偶等；

•检查环境舱密封性、风机运行状态、冷媒系统无泄漏；

•清空排水盘，归零电子天平。

03安装被测蒸发器

•将蒸发器牢固安装在风道中，确保气流正对迎风面；

•连接冷媒管路（高低压侧）、电气接口（如化霜加热丝）；

•布置表面热电偶（至少 3–5 点，覆盖上、中、下区域）；

•安装红外热像仪对准蒸发器正面（可选但推荐）。

二
试验执行步骤步骤1环境舱预调节

•启动环境舱，设定干球温度 20°C、湿球温度 12°C（对应 RH ≈ 70%）；

•稳定 ≥ 30 分钟，确保舱内温湿度均匀（波动 ≤ ±0.5°C / ±2% RH）。

步骤2启动风系统

•启动风机，调节至目标风量（如 500 m³/h）；

•记录初始风量、蒸发器前后压差。

步骤3启动制冷系统

•启动压缩机，调节膨胀阀开度，使蒸发器最低表面温度稳定在 -1°C ± 0.5°C；

提示：可通过红外热像仪或最冷点热电偶实时监控。

•待系统稳定（通常 10–15 分钟），记录初始状态：

•制冷量（通过焓差法或冷媒侧计算）；

•冷媒进出口压力、温度；

•风机电流、电压。

步骤4开始结冰阶段（正式试验）

•T = 0 min：标记为试验起点；

•每 5 分钟自动记录以下数据：

•表面各点温度；

•风量 ( Q )；

•压差；

•排水盘累积水量（g）；

•制冷量（可选）；

•视频/热像图（每 10 分钟截图存档）。

持续时间：通常 60 分钟（按 SAE J2387），或直至出现“失效”：

•风量下降 ≥ 15%（即 ( Q < 0.85 Q_0 )）；

•压差上升 ≥ 30%；

•肉眼可见风道完全堵塞。

步骤5（可选）化霜验证阶段

若需评估除冰能力，继续以下操作：

•停止压缩机，关闭风机；

•启动化霜模式（如接通电加热丝，或切换热泵四通阀）；

•每 2 分钟记录表面温度、排水量；

•当风量恢复至 ≥ 90% ( Q_0 ) 且表面温度 > 2°C，判定化霜完成；

•记录总化霜时间、耗电量、排水总量。

步骤6试验结束与清理

•关闭所有系统，泄放冷媒（如需拆卸）；

•称量排水盘总水量；

•拍照记录最终冰形（正面、侧面、底部）；

•清理蒸发器表面残冰，干燥后归位。

三
数据处理与结果评价01绘制关键曲线

•表面温度 vs. 时间；

•风量衰减率 vs. 时间；

•压差增长 vs. 时间；

•排水量累积 vs. 时间。

02判定结冰性能等级

•结冰起始时间：≥ 10 分钟

•60分钟风量保持率：≥ 85%

•最大压差增幅：≤ 30%

•化霜时间（如测试）：≤ 10 分钟

•排水效率：≥ 90%（无积水残留）

03失效分析（如不合格）

•冰堵位置是否集中在下部？→ 排水设计不足；

•局部过冷？→ 冷媒分配不均；

•风量骤降？→ 翅片间距过小。

四
注意事项

• 严禁在蒸发器表面温度 > 0°C 时进行高湿试验——不会结冰，无效；

• 使用去离子水或蒸馏水加湿，防止水垢堵塞加湿器；

• 试验过程中禁止频繁开门，以免湿空气突入干扰；

• 若使用可燃制冷剂（如 R290），需配备防爆通风与气体监测。

典型应用场景差异
 

•电动汽车热泵：需在 -7°C 环境下测试，评估 CO₂ 或 R1234yf 系统结冰特性；

•轨道交通空调：要求更长持续时间（≥ 90 分钟），风量更大；

•军用设备：需结合低气压（如 70 kPa）模拟高原结冰；

•家用空调：侧重化霜周期与能效影响，常采用“结霜-化霜”循环测试。

进行这类试验需要专业的环境试验设备和经验丰富的技术人员，以确保试验条件的准确控制和试验数据的有效性。对于制造商来说，通过这样的试验可以确保其产品在各种实际使用环境中都能保持良好的性能和耐用性。