趙丹峰劉忠寶史慧新朱曉亮張賢中李 驁郭領(lǐng)波

（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）

無(wú)霜冰箱相變蓄冷材料及蓄冷無(wú)霜冰箱的實(shí)驗(yàn)研究

趙丹峰1劉忠寶1史慧新2朱曉亮2張賢中2李 驁1郭領(lǐng)波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）

如今無(wú)霜冰箱已經(jīng)逐漸普及。相較傳統(tǒng)直冷冰箱其具有更加均勻的箱室溫度和食品保存品質(zhì)。由于無(wú)霜冰箱采用風(fēng)冷的方式實(shí)現(xiàn)冰箱箱室內(nèi)的溫度控制，因此用于無(wú)霜冰箱的蓄冷材料和材料的放置方式都不同于直冷冰箱。文章研究用于蓄冷無(wú)霜冰箱的相變蓄冷材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同材料的性質(zhì)，篩選材料。通過(guò)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究放置蓄冷材料后停機(jī)8h中無(wú)霜冰箱箱室內(nèi)的溫度變化，從而分析通過(guò)添加蓄冷材料實(shí)現(xiàn)無(wú)霜冰箱錯(cuò)峰制冷運(yùn)行的可行性。

蓄冷材料；無(wú)霜冰箱；性能研究

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家實(shí)行電力“削峰填谷”的錯(cuò)峰用電，蓄冷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在大型中央空調(diào)系統(tǒng)中，明顯降低了空調(diào)運(yùn)行成本，收到了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)今我國(guó)部分地區(qū)已經(jīng)開始施行民用家庭用電的分時(shí)分段計(jì)價(jià)，這使家庭錯(cuò)峰用電成為可能。家用冰箱由于其24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的工作模式使其成為了家庭主要的耗電電器，因此采用蓄冷冰箱實(shí)現(xiàn)家用冰箱的錯(cuò)峰用電可以有效降低家庭用電開支，具有很好的發(fā)展前景。低溫相變蓄冷材料可利用物質(zhì)的顯熱或者潛熱將冷量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在所需之時(shí)再將其冷量釋放，以滿足人們生活或生產(chǎn)用冷的需求[1]。在冰箱中使用相變蓄冷材料可以實(shí)現(xiàn)在用電低谷耗電蓄冷，在用電高峰通過(guò)蓄冷材料釋冷消除用電，從而實(shí)現(xiàn)降低冰箱使用費(fèi)用的目的；從廣義上來(lái)講利用冰箱蓄冷充分利用了耗電低谷時(shí)多余的電力產(chǎn)能，降低了用電高峰時(shí)的用電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)了節(jié)約、調(diào)配電能的作用，具有積極的意義。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多人針對(duì)冰箱的相變蓄冷材料進(jìn)行了研究。楊穎，沈海英[2]采用氯化銨溶液與乙二醇兩種相變材料混合攪拌配制成一種復(fù)合低溫相變蓄冷材料，研究氯化銨和乙二醇的不同配比，最終得到具有較低的相變溫度-16℃，較高的相變潛熱在206kJ/kg—222kJ/kg的復(fù)合蓄冷材料。王會(huì)，劉忠寶[3]等人進(jìn)行了NH4Cl用于蓄冷速凍材料的實(shí)驗(yàn)研究并測(cè)試了其速凍效果。柳建良[4]研究了LASP/AA/AM樹脂—水體系、AA/AM樹脂—水體系這兩種不同樹脂—水蓄冷材料的性能。錢波，袁軍[5]研究了高吸水性樹脂作為冰箱蓄冷材料時(shí)，樹脂的性質(zhì)和不同配比對(duì)蓄冷性能的影響，探究不同吸水倍率和粒徑大小對(duì)樹脂蓄冷效果的影響，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)吸水倍率對(duì)同種濃度下樹脂溶液的蓄冷效果影響規(guī)律不顯著；而樹脂粒徑小對(duì)樹脂蓄冷效果有利。

E Oró，A de Gracia[6]等人總結(jié)了88種可以用于低溫（＜20℃）蓄冷的潛在相變蓄冷材料（PCM）以及相應(yīng)的熱物理性質(zhì)，并介紹了市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的40種商用PCM相變蓄冷材料的性能，其從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)PCM不同封裝方法對(duì)材料傳熱效果的影響進(jìn)行了分析，并討論了PCM傳熱增強(qiáng)的封裝設(shè)計(jì)對(duì)食品存儲(chǔ)質(zhì)量的影響。Fan and Khodadadi[7,8]研究通過(guò)在相變蓄冷材料中添加銅、鋁、鎳及其金屬氧化物、不銹鋼和碳纖維等可對(duì)相變蓄冷材料的傳熱效果有很大的改善。Gin et al[9]研究利用氨水溶液配制出的相變溫度為-15.4℃的蓄冷材料，裝配在冰箱冷凍室的壁面，發(fā)現(xiàn)冷凍室加入相變蓄冷材料降低了冷凍室內(nèi)空氣的波動(dòng)，改善了食品的保鮮質(zhì)量。

由于當(dāng)前的研究多是針對(duì)蓄冷材料的成分、性能的測(cè)試研究[10]，對(duì)于蓄冷材料的應(yīng)用研究大多針對(duì)空調(diào)系統(tǒng)[11]，對(duì)于少數(shù)冰箱蓄冷材料的應(yīng)用研究也大多基于直冷冰箱，很少涉及研究蓄冷材料在無(wú)霜冰箱中的應(yīng)用?？紤]到無(wú)霜冰箱與傳統(tǒng)制冷冰箱在制冷方式上存在較大的差異，故本文針對(duì)無(wú)霜冰箱風(fēng)冷的制冷方式，對(duì)應(yīng)家用無(wú)霜冰箱冷藏和冷凍室不同的食品儲(chǔ)藏溫度研制出相應(yīng)的相變蓄冷材料，探索使用相變蓄冷材料實(shí)現(xiàn)家用冰箱的錯(cuò)峰用電的可行性。為研發(fā)出一款性能可靠、使用方便、節(jié)能高效并且對(duì)冰箱箱室容積影響不大的用于風(fēng)冷式冰箱相變蓄冷裝置提供指導(dǎo)。

1 相變蓄冷材料性能研究

由于冰箱冷凍室和冷藏室的溫控區(qū)間相差較大所以需要采用不同的相變蓄冷材料。而無(wú)機(jī)鹽溶液作為蓄冷材料時(shí)其相變溫度隨著溶液濃度的不同而改變，不同種類和濃度的無(wú)機(jī)鹽溶液其相變溫度的范圍可以達(dá)到-30℃至0℃，因此文章選用無(wú)機(jī)鹽溶液作為相變蓄冷材料，并添加高吸水性樹脂形成無(wú)機(jī)鹽溶液-吸水樹脂體系，從而改良蓄冷材料的性能，研究添加硅藻土作為成核劑后蓄冷材料性能的影響。

1.1 冷藏室用蓄冷材料

冰箱的冷藏室設(shè)定溫度的區(qū)間多為2-8℃，考慮到傳熱溫差的影響，其相變溫度應(yīng)該在-10℃以上，以保證材料相變過(guò)程中不會(huì)使冷藏室溫度過(guò)低而影響食品的保存品質(zhì)。由于無(wú)霜冰箱風(fēng)冷的制冷方式空氣比熱較小，為保證在箱室內(nèi)添加的蓄冷材料在制冷工況下完全凍結(jié)，其相變溫度要相應(yīng)升高。

選用NaCl溶液和KCl溶液作為蓄冷材料，測(cè)試兩種材料在不同濃度下的凍結(jié)和融化過(guò)程中的溫度變化，研究在溶液中添加0.03%的硅藻土作為成核劑后材料的性能變化。

分別配置濃度為3%，5%和8%的NaCl溶液A，B，C和添加了0.03%的硅藻土的相同濃度的NaCl溶液D，E，F(xiàn)各100g；在設(shè)定溫度為-24℃的冷凍箱中凍結(jié)材料，測(cè)試材料在液-固相變過(guò)程中的溫度變化，其400分鐘內(nèi)溫度變化過(guò)程所示如圖1，圖2所示。

圖1 不同濃度NaCl溶液凍結(jié)過(guò)程溫度變化Fig.1 Temperature changes in freezing process of different NaCl solution

圖2 添加硅藻土后，不同濃度NaCl溶液凍結(jié)過(guò)程溫度變化Fig.2 Temperature changes in freezing process of different NaCl solution with diatomite

從圖中曲線可以看出三種不同濃度的NaCl溶液的相變溫度不同，六種溶液在相變過(guò)程中均有出現(xiàn)明顯的過(guò)冷過(guò)程。

對(duì)于NaCl溶液A、B、C三種材料，其分別經(jīng)過(guò)71min、86min和81min到達(dá)過(guò)冷最低溫度，其過(guò)冷度分別為0.27℃、0.63℃和0.63℃，相變開始溫度分別為-1.72℃、-1.61℃和-5.08℃，過(guò)程中相變溫度平均值分別為-1.87℃、-3.19℃和-5.44℃，其相變過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間分別為78min、95min和75min。

對(duì)于添加了硅藻土的相應(yīng)濃度的NaCl溶液D、E、F三種材料，其分別經(jīng)過(guò)80min、81 min和100min到達(dá)過(guò)冷最低溫度，其過(guò)度分別為0.214℃、0.487℃和0.511℃，溶液開始相變溫度分別為-1.61℃、-2.80℃和-4.87℃，相變溫度平均值為-1.74℃、-3.03℃和-5.07℃，其相變過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間分別為117min、100min和80min。

圖3 不同濃度NaCl溶液融化過(guò)程溫度變化Fig.3 Temperature changes in melting process of different NaCl solution

在融化環(huán)境溫度為20℃條件下測(cè)試相同6種NaCl溶液的固-液相變過(guò)程，其900分鐘內(nèi)溫度變化過(guò)程圖3，圖4所示。

圖4 添加硅藻土后，不同濃度NaCl溶液融化過(guò)程溫度變化Fig.4 Temperature changes in melting process of different NaCl solution with diatomite

對(duì)于NaCl溶液A、B、C融化時(shí)，當(dāng)溫度分別達(dá)到-4.23℃、-5.78℃、7.14℃時(shí)開始相變，相變過(guò)程分別經(jīng)過(guò)322min、250min、135min，相變溫度平均值分別為-2.08℃、-3.82℃、-5.37℃。添加硅藻土后相同濃度的溶液D、E、F當(dāng)其溫度分別達(dá)到-4.95℃、-6.22℃、-7.21℃時(shí)開始相變，相變過(guò)程分別經(jīng)過(guò)300min、200min、100min，相變溫度平均值分別為-1.67℃、-3.32℃、-5.14℃。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出NaCl溶液凍結(jié)和融化過(guò)程的相變溫度隨NaCl濃度的增加有較大下降，比較相同濃度的NaCl溶液可以發(fā)現(xiàn)添加硅藻土后會(huì)一定程度上增加凍結(jié)相變時(shí)間，減小融化的相變時(shí)間，添加硅藻土的材料其過(guò)冷度和過(guò)冷時(shí)間都有一定程度降低，但是數(shù)值變化不大，其原因在于添加的硅藻土的密度較大，致使大多數(shù)的硅藻土沉淀于容器底部沒(méi)有均勻分散于溶液之中，因此其減小過(guò)冷度，促進(jìn)成核的效果并不明顯。

在冷凍環(huán)境溫度為-24℃條件下測(cè)試濃度為3%，5%和8%的KCl溶液A、B、C和添加了0.03%的硅藻土的相同濃度KCl溶液D、E、F的液-固相變過(guò)程，其400分鐘內(nèi)溫度變化過(guò)程如圖5，6所示。

圖5 不同濃度KCl溶液凍結(jié)過(guò)程溫度變化Fig.5 Temperature changes in freezing process of different KCl solution

圖6 添加硅藻土后，不同濃度KCl溶液凍結(jié)過(guò)程溫度變化Fig.6 Temperature changes in freezing process of different KCl solution with diatomite

從圖5，圖6中可以看出材料在凍結(jié)過(guò)程中，除了添加了0.03%硅藻土的8%的KCl溶液出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象外，其他溶液均無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象。

KCl溶液A、B、C溶液溫度分別達(dá)到-1.26℃、-2.31℃和-3.72℃時(shí)開始相變，相變過(guò)程經(jīng)過(guò)時(shí)間分別為164.75min、124.5min和87.75min，過(guò)程中相變溫度平均值分別為-1.475℃、-2.607℃和-4.528℃。KCl溶液D、E、F溶液溫度分別達(dá)到-1.21℃、-2.26℃和-3.615℃時(shí)開始相變，相變過(guò)程分別經(jīng)過(guò)166min、143.25min、114 min，過(guò)程中相變溫度平均值為-1.53℃、-2.74℃和-4.71℃

在融化環(huán)境溫度為20℃條件下測(cè)試上述6種KCl溶液的固-液相變過(guò)程，其900分鐘內(nèi)溫度變化過(guò)程圖7、8所示。

圖7 不同濃度KCl溶液融化過(guò)程溫度變化Fig.7 Temperature changes in melting process of different KCl solution

圖8 添加硅藻土后，不同濃度KCl溶液融化過(guò)程溫度變化Fig.8 Temperature changes in melting process of KCl solution

可以看出KCl溶液的相變過(guò)程分為兩段，第一段相變過(guò)程的相變溫度隨溶液濃度的改變和添加劑的有無(wú)的變化很小，為-10℃左右；第二段相變過(guò)程中的平均相變溫度隨溶液濃度的升高而降低。對(duì)于濃度分別為3%、5%和8%的KCl溶液A、B、C來(lái)說(shuō)上述相變過(guò)程中材料的平均溫度分別為-3.14℃、-4.49℃和-5.79℃。添加0.03%的硅藻土后3%、5%和8%的KCl溶液D、E、F在上述過(guò)程中的平均相變溫度分別為-2.92℃、-4.29℃和-5.34℃。

從上述六種KCl材料在其凍結(jié)過(guò)程中的溫度變化趨勢(shì)與NaCl溶液相同，除了添加了硅藻土的濃度為8%的溶液外其他溶液在凍結(jié)過(guò)程中均沒(méi)有明顯的過(guò)冷過(guò)程，因此其作為冷藏室蓄冷材料相較NaCl溶液更為有利，綜合考慮無(wú)霜冰箱在材料蓄冷和材料融化和釋冷兩種工況下送風(fēng)和蓄冷材料的換熱溫差來(lái)選取最佳的相變溫度，最終選用濃度為3%+0.03%的硅藻土的KCl溶液作為冰箱冷藏室的蓄冷材料。

1.2 冷凍室用蓄冷材料

冰箱的冷凍室設(shè)定溫度的區(qū)間多為-24至-15℃，考慮到傳熱溫差的影響，為保證箱室內(nèi)添加的蓄冷材料在制冷工況下完全凍結(jié)，其相變溫度要高于箱室所能設(shè)定的最低溫度。選用NaCl溶液和NH4Cl溶液作為蓄冷材料，在材料中添加高吸水性樹脂作為增稠劑，測(cè)試使用上述兩種不同溶液的材料的凍結(jié)和融化過(guò)程。

選取相變溫度位于冷凍室設(shè)定溫度的區(qū)間內(nèi)的溶液濃度，配置出濃度為15%的NH4Cl溶液，添加了0.03%硅藻土的濃度為15%的NH4Cl溶液以及濃度分別為18%，20%，22%的NaCl溶液各100g，在每種溶液中添加4g高吸水性樹脂作為增稠劑，得到冷凍室用蓄冷材料，并在-30℃的條件下將上述材料凍結(jié)到過(guò)冷態(tài)，之后放置于溫度為30℃的環(huán)境中測(cè)試材料融化相變過(guò)程中的溫升變化，具體如下圖所示。

圖9 冷凍室材料融化過(guò)程溫度變化Fig.9 Temperature changes in melting process of phase change material

從圖9可以看出濃度為15%的NH4Cl蓄冷材料的相變溫度約為-17℃，添加硅藻土對(duì)相變溫度影響很小。采用NaCl作為主體的三種蓄冷材料，其相交濃度為15%的NH4Cl蓄冷材料相變溫度有了明顯下降，并且相變溫度隨著NaCl濃度的上升存在細(xì)微下降，18%，20%，22%的NaCl溶液材料的相變溫度分別為-22.3℃，-22.7℃和-23.1℃。上述材料其融化的相變溫度均位于冷凍室設(shè)定溫度的區(qū)間內(nèi)因此均可以作為冷凍室的蓄冷材料，但是由于的NaCl溶液材料的相變溫度較低，因此當(dāng)冰箱冷凍室設(shè)定較高溫度時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)材料的相變，故采用添加了0.03%硅藻土的濃度為15%的NH4Cl溶液與高吸水性樹脂混合配置得到的材料作為冷凍室蓄冷材料較為合適。

2 相變蓄冷無(wú)霜冰箱性能研究

2.1 蓄冷無(wú)霜冰箱冷藏室性能研究

根據(jù)研究選用濃度為3%的KCl溶液，每百克添加4g高吸水性樹脂和0.03%的硅藻土制成冷藏室制冷材料，并通過(guò)美的BCD-372WTV樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。不同于傳統(tǒng)制冷冰箱的板式的蒸發(fā)器，無(wú)霜冰箱樣機(jī)采用翅片管換熱器，通過(guò)風(fēng)扇送風(fēng)，采用風(fēng)冷的方式實(shí)現(xiàn)箱室的降溫，其蒸發(fā)器和風(fēng)扇位于冷藏室箱室背板后部，通過(guò)風(fēng)道泡沫與箱室隔開，因此將蓄冷材料放置于風(fēng)道泡沫后，并改進(jìn)原有風(fēng)道泡沫結(jié)構(gòu)，改造后安裝蓄冷材料的風(fēng)道泡沫具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 冷藏室風(fēng)道泡沫后蓄冷材料安裝位置Fig.10 The installation location of phase change material in air duct

如圖10所示，在原有風(fēng)道泡沫的后部放置蓄冷材料，圖中中間上部材料位置對(duì)應(yīng)送風(fēng)扇的對(duì)面，中間下部材料對(duì)應(yīng)冷藏室蒸發(fā)器對(duì)面與蒸發(fā)器之間有一塑料隔板分隔，側(cè)面的蓄冷材料布置在風(fēng)道出風(fēng)口處。上部風(fēng)扇處放置的蓄冷材料約為500g，在下部蒸發(fā)器對(duì)面放置的蓄冷材料的質(zhì)量約為1kg，風(fēng)道泡沫兩側(cè)的出風(fēng)口放置的蓄冷材料約為500g，總共放置蓄冷材料2kg。將填放好蓄冷材料的風(fēng)道泡沫安裝回冷藏室，在風(fēng)機(jī)采用冰箱原有溫控工作模式的情況下進(jìn)行材料蓄冷實(shí)驗(yàn)，并在風(fēng)扇處于連續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行蓄冷材料釋冷實(shí)驗(yàn)。蓄冷和釋冷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料及箱室對(duì)應(yīng)溫度變化如下兩圖所示。

圖11 冷藏室風(fēng)道泡沫后蓄冷材料安裝位置Fig.11 Temperature changes in freezing process of refrigerator-freezer

圖11 為材料蓄冷凍結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的各測(cè)溫度變化曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)曲線可以看出風(fēng)扇對(duì)面放置的蓄冷材料經(jīng)過(guò)8h后完全凍結(jié)，之后溫度隨冰箱制冷周期的啟停而波動(dòng)，風(fēng)扇處材料溫度最低可以達(dá)到-4℃左右；風(fēng)道出口處的材料溫度波動(dòng)較大，其波動(dòng)范圍在0到-8℃之間，由于此處流過(guò)的低溫空氣流速較大，平均溫度較低，因此，此處放置的蓄冷材料凍結(jié)過(guò)程較快，凍結(jié)狀態(tài)良好；通過(guò)蒸發(fā)器對(duì)面的隔板上放置的測(cè)測(cè)可知其的溫度波動(dòng)范圍在0到-8℃之間；而蒸發(fā)器其對(duì)面放置的材料溫度在降溫8h后基本維持在0℃左右，實(shí)驗(yàn)后觀察材料只有部分凍結(jié)，出現(xiàn)這種情況的因素有以下幾測(cè)：第一，此部位放置的材料較多，與蒸發(fā)器隔板接觸的部分材料凍結(jié)后導(dǎo)熱較差造成后部的材料無(wú)法凍結(jié)；第二，此部位沒(méi)有風(fēng)扇吹出的較強(qiáng)氣流流過(guò)，換熱效果較差。

圖12 蓄冷材料釋冷過(guò)程，材料及冷藏室溫度變化Fig.12 Temperature changes in melting process of refrigerator-freezer

圖12 為進(jìn)行蓄冷材料蓄冷試驗(yàn)后，在風(fēng)扇處于連續(xù)運(yùn)行的條件下進(jìn)行的釋冷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)房間環(huán)境溫度為33℃。

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)觀察材料凍結(jié)情況，風(fēng)道出口和風(fēng)扇處放置的材料完全凍結(jié)，蒸發(fā)器對(duì)面材料沒(méi)有完全凍結(jié)。由圖12，對(duì)于風(fēng)扇對(duì)面放置的材料經(jīng)過(guò)125min（2h05min）其溫度迅速上升，此時(shí)其完全融化，其相變過(guò)程中溫度維持在-3到-2℃之間；對(duì)于風(fēng)道出口處放置的材料，由于流過(guò)其風(fēng)速較快，因此開始時(shí)溫度迅速上升至相變溫度，之后溫升速度變緩，經(jīng)過(guò)約130min（2h05min）其溫度上升速率變化，此時(shí)其完全融化，其相變過(guò)程中溫度變化范圍在-2到2℃之間；對(duì)于蒸發(fā)器對(duì)面放置的材料，由于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)只有部分凍結(jié)，因此其相變過(guò)程溫度相較其他兩個(gè)位置較高，又因?yàn)榇宋恢梅胖玫男罾洳牧狭肯噍^其他兩個(gè)位置較多并且風(fēng)扇吹出的氣流沒(méi)有直接流過(guò)此處安裝的材料，因此其相變過(guò)程溫度上升較為平緩，相變過(guò)程經(jīng)過(guò)約130min（2h05min）其溫度上升速率變化，此時(shí)其完全融化，其相變過(guò)程中溫度變化范圍在0到1℃之間。

由圖12箱室溫度變化的曲線可以看出，箱室溫度在前150min（2.5h）上升速度較為平緩終溫為8℃，這和蓄冷材料的相變結(jié)束時(shí)間相符，當(dāng)蓄冷材料完全融化后箱室溫度的上升速率也隨之增加，實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)8h后，箱室中部的空氣溫度升值21℃。通過(guò)測(cè)試可以得出結(jié)論，實(shí)驗(yàn)后六個(gè)小時(shí)冷藏室升溫較高，主要基于以下幾個(gè)方面：第一，由于空氣的熱容較小以及導(dǎo)熱不利等因素影響蓄冷材料傳熱過(guò)程，導(dǎo)致蓄冷材料在凍結(jié)過(guò)程中沒(méi)有儲(chǔ)存足夠的冷量；第二，釋冷實(shí)驗(yàn)中由于換熱溫差的存在使流過(guò)材料表面的空氣溫降較低，無(wú)法維持箱室溫度。第三，由于風(fēng)道送風(fēng)口處材料其在釋冷實(shí)驗(yàn)初期溫度波動(dòng)較大，材料迅速融化釋冷，導(dǎo)致無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持箱室溫度。

2.2 蓄冷無(wú)霜冰箱冷凍室性能研究

根據(jù)研究選用濃度為15%的NH4Cl溶液，每百克溶液添加0.03%的硅藻土和4g高吸水性樹脂制成冷凍室制冷材料，在美的BCD-372WTV樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。冷凍室蓄冷材料的一共放置6kg材料，材料采用500g為一包的封裝方式。具體安裝方式圖13。

圖13 冰箱冷凍室蓄冷材料放置方式Fig.13 The placement of phase change material in the refrigerator freezer

圖13 中樣機(jī)的冷凍室具有上下兩個(gè)箱室，在冷凍室上層箱室的頂部通過(guò)粘貼的方式將兩袋蓄冷材料包安裝在頂部，共1kg。在冷凍室上層箱室和下層箱室之間的空間安裝一個(gè)鏤空的金屬托盤，將八袋蓄冷材料包放置在托盤上，共4kg。鏤空托盤采用金屬結(jié)構(gòu)，放置蓄冷材料的部位采用條狀或網(wǎng)狀鏤空結(jié)構(gòu)。在冷凍室下層箱室的底部抽屜的下方放置兩袋蓄冷材料包，共1kg?？偣卜胖?kg蓄冷材料。

在關(guān)閉冰箱電源，冷凍室風(fēng)扇停機(jī)的條件下進(jìn)行材料釋冷實(shí)驗(yàn)，采用將全部材料放置于中間托盤處和按照上述設(shè)計(jì)位置放置的兩種不同的放置方式填放蓄冷材料，測(cè)試釋冷過(guò)程中冷凍室箱室和材料溫度變化。

圖14 材料全部放置在中間托盤處時(shí)的升溫曲線Fig.14 Temperature rising curve when all materials is placed in the middle of the tray

將全部蓄冷材料放置于中間托盤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖14，在釋冷的10小時(shí)過(guò)程中蓄冷材料上表面和下部表面溫度變化幅度不大，兩者的溫差也不大。在開始的前兩個(gè)小時(shí)中材料和兩個(gè)箱室溫度上升速度較快，之后的8小時(shí)中材料溫度基本維持不變，此時(shí)冷凍室上下箱室的溫度也趨于穩(wěn)定，但是上下箱室溫度穩(wěn)定后較高。上冷凍室及下冷凍室的溫度穩(wěn)定在-4℃和-7℃。

圖15 材料按照設(shè)定位置放置時(shí)的升溫曲線Fig.15 Temperature rising curve when all materials is placed according to the desired location

將蓄冷材料按照設(shè)計(jì)位置放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖15，在釋冷的10小時(shí)過(guò)程中測(cè)量的三處位置放置的蓄冷材料表面溫度變化幅度不大，三者的溫差也不大。在實(shí)驗(yàn)開始的前兩個(gè)小時(shí)中材料和兩個(gè)箱室溫度上升速度較快，之后的8小時(shí)中材料溫度基本維持不變，冷凍室上下箱室的溫度也趨于穩(wěn)定，采用這種放置方式箱室的穩(wěn)定溫度有了明顯下降，上冷凍室及下冷凍室的溫度穩(wěn)定在-8℃和-13℃。

之后在開啟冷凍室風(fēng)扇的情況下測(cè)試材料釋冷過(guò)程中的溫度變化，材料的放置位置按照設(shè)計(jì)位置放置，測(cè)得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫升曲線如圖16所示。

圖16 開啟風(fēng)扇時(shí)冷凍室釋冷實(shí)驗(yàn)中的升溫曲線Fig.16 Temperature rising curve about melting experiment in the refrigerator freezer with fan running

再開啟風(fēng)扇的條件下，蓄冷材料按照設(shè)計(jì)位置放置的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖16，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4h后關(guān)閉冰箱電源，開始進(jìn)行蓄冷材料釋冷8h的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前1h中材料和箱室溫度逐漸上升，當(dāng)材料溫度達(dá)到-17℃開始相變后其溫度上升基本停止，同時(shí)箱室溫度上升減緩。試驗(yàn)中各個(gè)不同位置的材料溫度相差很小。同不開啟風(fēng)扇的釋冷實(shí)驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，開啟風(fēng)扇的釋冷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩箱室的溫度之間的差異減小，上冷凍室箱室在材料相變過(guò)程中平均溫度降低為-10℃，下冷凍室箱室在材料相變過(guò)程中平均溫度上升為-11.5℃。由此可見(jiàn)開啟風(fēng)扇有利于均勻箱室溫度場(chǎng)，從材料溫度上升的變化可以看出開啟風(fēng)扇對(duì)強(qiáng)化材料換熱的作用不大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)無(wú)霜冰箱相變蓄冷材料的研究和實(shí)驗(yàn)可以看出無(wú)機(jī)鹽溶解加吸水性樹脂配制成的蓄冷材料可以用于無(wú)霜冰箱，實(shí)現(xiàn)冰箱錯(cuò)峰制冷運(yùn)行。文中選用的冷藏室和冷凍室材料基本滿足在無(wú)霜冰箱的制冷運(yùn)行過(guò)程中凍結(jié)相變的要求，而對(duì)于材料釋冷過(guò)程而言所選用的材料所能維持的箱室溫度仍然較高。

從蓄冷無(wú)霜冰箱的實(shí)驗(yàn)研究中可以得出以下幾測(cè)結(jié)論：

（1）蓄冷無(wú)霜冰箱的冷藏室和冷凍室在添加了相變蓄冷材料后，停機(jī)運(yùn)行過(guò)程中其箱室溫度的回升速度均得到減緩，驗(yàn)證了添加蓄冷材料實(shí)現(xiàn)無(wú)霜冰箱錯(cuò)峰運(yùn)行的功能是可行的。

（2）蓄冷無(wú)霜冰箱的冷藏室和冷凍室在相變蓄冷材料在融化釋冷過(guò)程中開啟風(fēng)扇均有利于材料冷量的釋放，對(duì)于冷凍室開啟風(fēng)扇有利于均勻上下兩冷凍室之間溫度差，而對(duì)于強(qiáng)化材料化熱影響不大。

（3）從蓄冷無(wú)霜冰箱樣機(jī)冷藏室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出目前實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放置的材料不足以控制箱室溫度維持在理想范圍內(nèi)，材料放置位置不能完全實(shí)現(xiàn)全部材料在冰箱制冷運(yùn)行過(guò)程中的凍結(jié)，后期應(yīng)增加冷藏室放置的蓄冷材料量，并優(yōu)化材料放置位置和材料容器結(jié)構(gòu)。

（3）從蓄冷無(wú)霜冰箱樣機(jī)冷藏室的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用設(shè)計(jì)的放置位置放置蓄冷材料可以更好的降低上下兩箱室在釋冷過(guò)程中的最大溫升。采用設(shè)計(jì)的蓄冷材料，由于其融化相變溫度為-17℃，當(dāng)冷凍室溫度低于-20℃時(shí)，材料無(wú)法發(fā)生相變，對(duì)維持較低的冷凍室溫度存在困難，后期應(yīng)探討配合較低相變溫度材料共同使用的可行性。

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The Reserch of Phase Change Materials Used in Household Frost-Free Refrigerator

Zhao Danfeng1Liu Zhongbao1Shi Huixin2Zhu Xiaoliang2Zhang Xianzhong2Li Ao1Guo Lingbuo1
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hefei Midea Refrigerator Co., Ltd, Hefei, 230601 )

Now frost-free refrigerator has gradually spread. Compared with traditional direct frost refrigerator it has better temperature uniformity of food storage compartment and the better quality of food preservation. Due to its food storage compartment is realized by using air cooling way of indoor temperature control, the phase change materials used in the frost-free refrigerator and the way of its placement are different from direct frost refrigerator. This article researches the performance of phase change materials used in frost-free refrigerator. Using the prototype to test the temperature changes of the food storage compartment which places the phase storage material after 8h downtime, So that to analysis the feasibility of energy saving operation by adding the phase storage material in frost-free refrigerator.

phase change materials; household frost-free refrigerator; performance study

TB651

B

1671-6612（2017）01-001-08

趙丹峰（1991.7-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1054196764@qq.com

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

2015-11-02