李 驁 史慧新 張賢中 劉忠寶

?

無霜冰箱蓄熱化霜系統(tǒng)的理論分析及其蓄熱材料的實(shí)驗(yàn)研究

李 驁1史慧新2張賢中2劉忠寶1

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124；2.合肥美的電冰箱有限公司 合肥 230601）

風(fēng)冷無霜冰箱因其大容積和無霜的優(yōu)勢(shì)逐漸占有冰箱主流市場，但現(xiàn)在的電熱化霜模式耗電量大，制約了風(fēng)冷無霜冰箱的發(fā)展。提出了一種用于無霜冰箱的新型的蓄熱化霜系統(tǒng)，分析了蓄熱系統(tǒng)的可行性，提出了整體系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)了蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)分析了蓄熱材料的性能，優(yōu)選出了一種以石蠟為主的復(fù)合相變蓄熱材料。整體系統(tǒng)理論上能夠回收40～50℃的冰箱冷凝余熱，經(jīng)過10小時(shí)的蓄熱，可以提供300W的化霜加熱功率，并維持20min。

無霜冰箱化霜；蓄熱化霜；相變蓄熱材料；石蠟；石墨

0 引言

風(fēng)冷無霜冰箱以其特有的容量大、“多溫區(qū)”、自動(dòng)除霜等優(yōu)點(diǎn)，被行業(yè)公認(rèn)為冰箱發(fā)展的必然趨勢(shì)。其主要是通過蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)使冷藏與冷凍室回風(fēng)流經(jīng)蒸發(fā)器并與之換熱，在這個(gè)降溫過程中空氣中水蒸氣在蒸發(fā)器表面析出凝結(jié)成霜，之后蒸發(fā)器運(yùn)行時(shí)間增長，霜層逐漸增厚，使得換熱過程熱阻和空氣的流通阻力增加，空氣流量減小，蒸發(fā)溫度下降，蒸發(fā)器換熱性能降低。因此當(dāng)蒸發(fā)器表面霜層達(dá)到一定厚度時(shí)，需要進(jìn)行定期除霜。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)冰箱除霜的相關(guān)過程進(jìn)行了大量研究[1,2]。Pradeep[3]使用傳熱模型來分析除霜過程中的熱量分配，指出鋼管輻射對(duì)流式電加熱器產(chǎn)生的熱量僅有30%用于化霜。Fernando[4]研究霜層的分布情況，針對(duì)其上疏下密的分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了兩根功率不同的電加熱器分別對(duì)蒸發(fā)器上、下管排進(jìn)行除霜，提高了除霜效率。宋新洲[5]等人利用冷藏室回風(fēng)對(duì)霜層進(jìn)行預(yù)熱處理，可以降低除霜過程中電加熱器的電量消耗。劉志成[6]等人基于除霜過程中熱量利用率逐漸下降的現(xiàn)象，提出除霜過程中電加熱器功率先高后低的運(yùn)行模式，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模式可以有效降低除霜過程能耗和減少箱溫回升。程學(xué)全[7]通過對(duì)多溫區(qū)冰箱無霜間室自動(dòng)化霜設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)分析，對(duì)化霜加熱器的分布和功率、化霜傳感器放置位置、化霜控制規(guī)則和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了良好自動(dòng)化霜性能。湯曉亮[8]提出了一種新型的時(shí)間-溫差法的風(fēng)冷冰箱的除霜控制方法。該方法通過比較蒸發(fā)溫度和冷凍室內(nèi)空氣溫度來控制冰箱的除霜時(shí)間。進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證后，改進(jìn)后的化霜能耗占冰箱總能耗的比重在5%以下。

對(duì)于蓄熱化霜這種新技術(shù)，目前還多應(yīng)用于空調(diào)冬季工況除霜方面[9-11]。韓志濤[12]提出了用于空調(diào)冬季工況的蓄能除霜新系統(tǒng)，將系統(tǒng)供熱后的余熱熱量續(xù)存進(jìn)蓄能器中，當(dāng)化霜開始時(shí)，蓄熱器中儲(chǔ)存的熱量首先傳遞給反向運(yùn)行的制冷劑，用于室外蒸發(fā)器化霜。文中提出了雙套筒內(nèi)置螺旋盤管相變蓄熱器強(qiáng)化了除霜時(shí)蓄熱材料與制冷劑的換熱。添加了蓄熱器的冬季熱泵系統(tǒng)，除霜效率提高，除霜后恢復(fù)正常工況的時(shí)間縮短。周中華等[13]對(duì)以壓縮機(jī)廢熱為熱源的蓄熱化霜循環(huán)原理、裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)、研究，并同步在空調(diào)產(chǎn)品上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)空調(diào)的低溫制熱量、除霜時(shí)間和舒適性方面都有較好的改善效果。并由于壓縮機(jī)蓄熱槽的特殊結(jié)構(gòu)的保溫效果，使壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下化霜后能快速啟動(dòng)，制熱時(shí)間相比普通機(jī)型提前了3分鐘。袁旭東[14]采用儲(chǔ)能型冷凝器，冰箱冷凝器從間歇性換熱轉(zhuǎn)換為連續(xù)性換熱，進(jìn)而提高冷凝器的總體換熱能力，以提高冰箱的節(jié)能效果。但這種技術(shù)只利用了相變材料對(duì)熱量的時(shí)間轉(zhuǎn)移特點(diǎn)，不能對(duì)所儲(chǔ)存的熱量再加以利用。

從近年來的冰箱化霜以蓄熱化霜及技術(shù)的研究中可以看出，冰箱結(jié)霜是影響風(fēng)冷冰箱性能的重要因素之一，但對(duì)于冰箱化霜技術(shù)的研究多集中在對(duì)冰箱化霜控制模式或加熱器位置分布的改進(jìn)研究上，少見提出的新型化霜方法。這是由于現(xiàn)有化霜方法中，電熱化霜的結(jié)構(gòu)簡單，但能耗大，安全性差；熱氣流化霜是由內(nèi)而外化霜，效果好，但增加制冷管路的復(fù)雜性，閥件增多，且開閉頻繁，增加了制冷劑泄漏的可能，降低系統(tǒng)可靠性；超聲波除霜功率小，不影響制冷系統(tǒng)運(yùn)行，但增加了超聲波發(fā)生設(shè)備，而且除霜效果受風(fēng)道結(jié)構(gòu)影響非常大。對(duì)于蓄熱化霜技術(shù)，目前主要應(yīng)用在空調(diào)冬季工況，作為輔助熱制冷劑除霜的方法。這種方法雖然有一定的借鑒作用，但是其最終還是通過熱制冷劑除霜，并不適用于冰箱工況，所以目前并沒有一種非常適合于冰箱工況的節(jié)化霜方法來代替現(xiàn)行的電熱化霜。

本文提出了一種使用低溫相變蓄熱材料回收冰箱冷凝熱用于化霜的方法，通過相變蓄熱材料將間斷產(chǎn)生的冷凝熱續(xù)存起來，等到需要化霜時(shí)集中釋放，用于快速化霜。通過蓄熱材料續(xù)存熱量，可以充分利用冰箱冷凝熱，減少冰箱的化霜電耗。

1 蓄熱化霜系統(tǒng)的可行性分析

本文提出的用于風(fēng)冷無霜冰箱的蓄熱化霜系統(tǒng)，是使用低溫相變蓄熱材料回收冰箱冷凝熱，所以需要確定風(fēng)冷無霜冰箱的排氣溫度是否能滿足蓄熱材料的最低要求。本文選擇實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的一臺(tái)型號(hào)BCD-372的風(fēng)冷無霜冰箱進(jìn)行排氣溫度的測試。

圖1 壓縮機(jī)排氣溫度測點(diǎn)位置

如圖1所示是測試所選型號(hào)冰箱的壓縮機(jī)排氣溫度的測點(diǎn)位置，位于壓縮機(jī)排氣管上。如圖2所示是圖1位置測點(diǎn)監(jiān)測的約1000分鐘的壓縮機(jī)排氣溫度變化。此型號(hào)冰箱的壓縮機(jī)排氣溫度最高達(dá)到60℃，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)平均的排氣溫度在45～50℃之間。

圖2 壓縮機(jī)排氣溫度

在有機(jī)相變材料中，石蠟和多元酸等物質(zhì)，無機(jī)材料中，無積水和鹽等物質(zhì)的相變溫度都有在45℃以下的材料，并且根據(jù)凝固點(diǎn)降低定律，即在某一溫度范圍內(nèi)，將兩種物質(zhì)相混合時(shí)，其凝固點(diǎn)比其中任何一種物質(zhì)的凝固點(diǎn)都要低。所以此型號(hào)冰箱的壓縮機(jī)排氣溫度可以滿足本文研究的風(fēng)冷無霜冰箱的蓄熱化霜系統(tǒng)的熱源要求。

2 蓄熱化霜系統(tǒng)的運(yùn)行方式

本文研究的利用相變蓄熱材料儲(chǔ)存冰箱制冷系統(tǒng)的冷凝熱，用于風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器化霜的技術(shù)。如圖3所示是蓄熱化霜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在冰箱制冷系統(tǒng)中，從壓縮機(jī)出口引出一段冷凝管路，進(jìn)入相變蓄熱器，利用冰箱運(yùn)行時(shí)的過熱制冷劑蒸氣加熱其中的相變材料，達(dá)到回收冷凝熱的目的。當(dāng)需要給冰箱室內(nèi)蒸發(fā)器化霜時(shí)，通過一段化霜管路。利用其中的載熱介質(zhì)將蓄熱器中的熱量傳導(dǎo)至蒸發(fā)器周圍，加熱霜層，霜層快速融化。

圖3 蓄熱化霜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 蓄熱裝置的結(jié)構(gòu)

在蓄熱器部分，采用三套管換熱器完成蓄熱材料的儲(chǔ)存，加熱和釋熱過程。三套管換熱器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 蓄熱器結(jié)構(gòu)

蓄熱器內(nèi)側(cè)管為8mm，內(nèi)部為制冷劑蒸氣，中間層為40mm，內(nèi)部填充本文制備的相變蓄熱材料，外層為600mm，內(nèi)部為載熱介質(zhì)，用于將熱量帶到蒸發(fā)器霜層。次套蓄熱器，可以填充2kg的相變蓄熱材料，在10小時(shí)左右完成蓄熱，在載熱介質(zhì)流速1m/s時(shí)，提供300W的加熱功率，持續(xù)20min，將載熱介質(zhì)30℃的進(jìn)口溫度加熱至35℃的出口溫度。

4 蓄熱材料的選擇

對(duì)于相變溫度在45～50℃的相變材料，綜合考慮安全性和可靠性，最終選取切片石蠟作為相變蓄熱材料，但普通切片石蠟的相變溫度在55至60℃，超過了最適宜的相變溫度區(qū)間，所以添加相變溫度在17℃的液體石蠟降低其相變溫度。配置了4種切片石蠟和液體石蠟不同比例的相變材料，按液體石蠟比例逐漸增大的順序設(shè)置為a、b、c和d組，以切片石蠟作為對(duì)照組a，測試其融化時(shí)間。測試曲線如圖5所示。

曲線是在60℃的恒溫水浴中測試，4種材料均為50g。

圖5 不同比例的切片石蠟和液體石蠟的融化曲線

從圖5中可以看出，作為對(duì)照a組和b組的兩組材料并沒有明顯的融化過程，這是由于其相變溫度較高，且石蠟的導(dǎo)熱性能較差，60℃的恒溫水浴加熱并不能使其完全融化。而c組和d組的兩組材料可以看到明顯的融化過程。經(jīng)過本組測試，c組和d組的兩組材料可以作為蓄熱化霜系統(tǒng)的兩種備選材料。

石蠟類材料在被低溫?zé)嵩醇訜徇^程中，由于其導(dǎo)熱率較低，僅有0.3～0.6W/(m·K)，所以其熔化過程較長，影響了石墨的儲(chǔ)熱和釋熱性能，所以需要添加導(dǎo)熱性強(qiáng)的添加劑增強(qiáng)導(dǎo)熱性能，石墨作為一種高導(dǎo)熱材料其導(dǎo)熱率達(dá)到100～200W/(m·K)，且性質(zhì)穩(wěn)定，與石蠟相容性好，可以作為石蠟相變材料的添加劑使用。

選取c組和d組的兩組材料分別添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉，其中，c組液體石蠟比例低，d組液體石蠟比例高，重新測試材料的融化溫度曲線。設(shè)置4種樣品材料為：

1號(hào)：c組，共50g，不添加石墨粉；

2號(hào)：d組，共50g，不添加石墨粉；

3號(hào)：c組，共50g，添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉；

4號(hào)：d組，共50g，添加與3號(hào)材料相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉。

4種材料共同在同一個(gè)恒溫水浴池中進(jìn)行恒溫加熱融化實(shí)驗(yàn)，恒溫水浴溫度設(shè)置在61℃，采用熱電偶測試樣品中心區(qū)溫度，結(jié)果如圖6至圖9所示。

圖6 1號(hào)和2號(hào)材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，2號(hào)材料首先開始融化，第22分鐘開始融化，第48分鐘完全融化。1號(hào)材料融化較慢，第25分鐘開始融化，第92分鐘完全融化。

圖7 3號(hào)和4號(hào)材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，3號(hào)材料融化較慢，第19分鐘開始融化，第46分鐘完全融化。4號(hào)材料，第17分鐘開始融化，第38分鐘完全融化。添加石墨材料后，兩種材料的導(dǎo)熱性能均有明顯的改善，融化速度明顯提升。且4號(hào)材料的融化速度比3號(hào)材料快17.4%左右。

圖8 1號(hào)和3號(hào)材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，1號(hào)材料第25分鐘開始融化，第92分鐘完全融化。3號(hào)材料第19分鐘開始融化，第46分鐘完全融化。3號(hào)材料為1號(hào)材料添加2%石墨粉的材料，兩者開始融化的溫度基本相同，但3號(hào)的融化速度明顯提升，提升了約58.7%。

圖9 2號(hào)和4號(hào)材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，2號(hào)第22分鐘開始融化，第48分鐘完全融化。4號(hào)材料第17分鐘開始融化，第38分鐘完全融化。4號(hào)材料為2號(hào)材料添加2%石墨粉的材料，兩者開始融化的溫度基本相同，但4號(hào)的融化速度明顯提升，提升了約20.8%。

分析4種材料，性能最好的材料為4號(hào)材料。此種材料相變溫度區(qū)間在30～45℃，在60℃的恒溫水浴中，從開始融化至完全融化經(jīng)歷11分鐘。

5 結(jié)論

經(jīng)過理論及實(shí)驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）將蓄熱技術(shù)用于無霜冰箱的化霜系統(tǒng)是可行的，其相變蓄熱材料的相變溫度在40至45℃之間。

（2）本文設(shè)計(jì)了一種用于無霜冰箱的新型的蓄熱化霜系統(tǒng)，利用利用相變蓄熱材料儲(chǔ)存冰箱制冷系統(tǒng)的冷凝熱，用于風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器化霜。

（3）切片石蠟性質(zhì)穩(wěn)定，無毒無害，可以作為新型蓄熱化霜系統(tǒng)的相變蓄熱材料，但其相變溫度偏高，導(dǎo)熱率較小。

（4）在切片石蠟中添加與其性質(zhì)相同的液體石蠟可以降低其相變溫度，當(dāng)兩者比例合適時(shí)候，可以達(dá)到蓄熱化霜所需的溫度。

（5）在切片石蠟中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨粉，可以有效提高材料的導(dǎo)熱性。

（6）適用于本文制備的相變蓄熱材料的蓄熱化霜系統(tǒng)，可以提供300W的化霜加熱功率，并維持20min。

[1] 唐學(xué)強(qiáng),黃東,龔勤勤,等.風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器除霜特性及箱溫回升的實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014,48(11):81-85.

[2] 李永,朱日昭.間冷式冰箱熱氣流除霜的試驗(yàn)[J].家用電器科技,1993:(6):12-13

[3] Bansai P, Fotheruill D, Fernandes R. Thermal analysis of the defrost cycle in a domestic freezer [J]. International Journal of Refrigeration,2010,33(3):589-599.

[4] Knabben F T, Hfrmes C J L, Melo C. In-situ study of frosting and defrosting processes in tube-fin evaporators of household refrigerating appliances[J]. International Journal of Refrigeration,2011,34(8):2031-2041.

[5] 宋新洲,范志軍.利用冷藏室循環(huán)熱進(jìn)行化霜預(yù)處理的蒸發(fā)器化霜系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[J].制冷技術(shù),2012,32(1):15-18.

[6] 劉志成,趙渝生,韋剛.無霜冰箱化霜加熱控制方案探討[J].電器,2013,(增刊):142-147.

[7] 程學(xué)全.多溫區(qū)冰箱無霜間室自動(dòng)化霜的優(yōu)化[J].家電科技,2009,267(Z1):54-55.

[8] 湯曉亮.BCD-350風(fēng)冷冰箱除霜控制技術(shù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[9] 楊超,蘇余昌,遲婷.空氣源熱泵相變蓄能除霜方式的實(shí)驗(yàn)研究[J].山西建筑,2014,40(12):140-1422.

[10] 董建揩.空氣源熱泵蓄能熱氣除霜?jiǎng)討B(tài)實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2008.

[11] 黃挺,姜益強(qiáng).空氣源熱泵除霜用相變蓄熱器蓄放熱特性影響因素的模擬研究[J].制冷與空調(diào),2009, 23(5):11-15.

[12] 韓志濤.空氣源熱泵常規(guī)除霜與蓄能除霜特性實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[13] 周中華,韓雷,李俊峰,等.壓縮機(jī)廢熱蓄熱化霜技術(shù)在家用機(jī)上的研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].家電科技,2014,(9):73-75.

[14] 袁旭東.新型節(jié)能冰箱運(yùn)行特性及參數(shù)優(yōu)化研究[D].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2014

The Theoretical Analysis of a New Type of Frost-free Refrigerator Thermal Storage Defrosting System and the Experimental Study on its Heat Storage Material

Li Ao1Shi Huixin2Zhang Xianzhong2Liu Zhongbao1

( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hefei Midea Refrigerator Co., Ltd, Hefei, 230601 )

Because of its advantage of large volume and the frost-free, Air-cooled frost-free refrigerators have occupied the main market of refrigerators. But the large power consumption of electric heating up the frost patterns restrict the development of air cooling frost-free refrigerator. In this paper, a new type of frost-free refrigerator thermal storage defrosting system is put forward, the feasibility of the thermal storage defrosting system is analyzed, operation mode of the overall system is put forward, the structure of the heat storage device is designed, the performance of the heat storage material is analyzed experimentally, and a composite phase change material based on paraffin is optimized. In theory, the system can collect the refrigerator condensing heat ranged from 40-50℃. And In 10 hours to complete the accumulation of heat, the system can provide the heating power of defrosting for 300W, and maintain 20min.

frost-free refrigerator defrosting; defrosting by thermal storage; phase change material; paraffin; graphite

1671-6612（2016）05-525-05

TB651

B

李 驁（1990.12-），男，在讀研究生碩士，E-mail：1153756253@qq.com

劉忠寶（1971.8-），男，博士，副教授，E-mail：liuzhongbao@bjut.edu.cn

2015-08-27