陳開松 高冬花

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

節(jié)能一直是國家政策、冰箱企業(yè)和消費者關(guān)注和追求的目標(biāo)，從發(fā)達國家到發(fā)展中國家，對電冰箱能效要求不斷提高。2019年中國家電技術(shù)大會上提出了中國家用電冰箱研發(fā)路線圖，主要包括節(jié)能、低碳環(huán)保、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級、保鮮健康與新材料等,其中節(jié)能具體要求為冰箱整機到2025年電冰箱能效水平較2019年提高25 %；2030年較2025年再提高25 %。

當(dāng)前，風(fēng)冷冰箱節(jié)能技術(shù)研究的一個重點方向為翅片蒸發(fā)器高效換熱技術(shù)。翅片蒸發(fā)器換熱提效的方向主要包括翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計、翅片與管道表面的涂層設(shè)計及化霜控制邏輯設(shè)計等。翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案由順排、斜插到當(dāng)前的扭角拉脹，單體性能方面基本上達到了最高狀態(tài)，故高效翅片蒸發(fā)器的設(shè)計基本達到了一個瓶頸階段。翅片蒸發(fā)器的涂層應(yīng)用研究方面，主要為親水涂層與疏水涂層用的比較廣泛，實際對冰箱節(jié)能有一定的效果，但總體而言效果不是很理想，有進一步優(yōu)化的空間?；刂七壿嬙O(shè)計主要包括化霜退出溫度降低、滴水時間縮短、化霜加熱器間斷加熱或變功率化霜控制等，可靠性需要進一步驗證。

基于以上存在的問題，需設(shè)計出一種新型高效翅片蒸發(fā)器，確保翅片蒸發(fā)器換熱量進一步提升，達到冰箱中整機化霜能耗進一步降低的設(shè)計目標(biāo)。

1 具體方案

應(yīng)用具有換熱量提升的石墨烯涂層翅片蒸發(fā)器于一款三門風(fēng)冷冰箱中，從整機性能驗證角度出發(fā)，確保達到整機耗電量降低的目標(biāo)要求。

1.1 蒸發(fā)器涂層選擇

冰箱用翅片蒸發(fā)器，行業(yè)中主要為親水涂層與疏水涂層兩種[1]。其中，親水涂層的材料主要功能為確?；梢栽诔崞舭l(fā)器的翅片與管道表面上均勻涂覆，霜層或霜與冰層厚度比較一致，換熱也就會比較均勻，如圖1所示，從圖中的鏡片表面的水分布來看，水與接觸表面接觸度非常大，接觸比較充分。翅片蒸發(fā)器表面用親水材料，可以確?；c翅片蒸發(fā)器的翅片、與管道表面均勻接觸，所形成的霜層或冰層厚度更加均勻。此種親水性材料的應(yīng)用更適合冰箱整機運行過程中的翅片蒸發(fā)器換熱性能的提升。

關(guān)于疏水性材料，可以確保在化霜過程中形成的水可以快速脫離翅片蒸發(fā)器的表面，縮短化霜時間，降低化霜能耗。如圖2所示，該圖顯現(xiàn)了采用疏水性材料后的水與接觸面的接觸現(xiàn)狀，接觸面較小，水在重力作用下可以直接流走。關(guān)于翅片蒸發(fā)器表面用疏水材料，可以確保化霜水在化霜過程以及化霜結(jié)束后可以快速脫離翅片與管道，達到縮短滴水時間的目標(biāo)。

與翅片蒸發(fā)器的翅片與管道表面不接觸或少接觸，此種疏水性材料的應(yīng)用更適合冰箱整機化霜過程中的翅片蒸發(fā)器化霜水快速排出的設(shè)計要求。

基于以上分析需要尋找一種材料，可以應(yīng)用于翅片蒸發(fā)器的翅片與管道表面，達到提升制冷期間的換熱量以及縮短化霜期間滴水時間的目標(biāo)。本文提出的石墨烯涂料，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，導(dǎo)熱性能優(yōu)良，故應(yīng)用較為廣泛。本項目在蒸發(fā)器表面（包括蒸發(fā)器管道、翅片等）采用噴涂方式涂覆石墨烯材料涂層，厚度25 μm（該種石墨烯涂層厚度設(shè)計前期做過對比研究，采用噴涂石墨烯且厚度25 μm的效果較佳）。

1.2 石墨烯蒸發(fā)器與整機性能測試

1.2.1 石墨烯蒸發(fā)器性能測試

將上面所采用的技術(shù)方案設(shè)計出來的石墨烯蒸發(fā)器樣件在換熱器換熱量測試設(shè)備[2]中進行單體性能對比測試，即原狀態(tài)蒸發(fā)器與在原狀態(tài)蒸發(fā)器上涂覆石墨烯材料的石墨烯蒸發(fā)器的換熱量對比測試驗證。

采用的換熱器換熱量測試設(shè)備主要由蒸發(fā)器管內(nèi)側(cè)的熱水系統(tǒng)與管外側(cè)的風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)兩部分組成，其中蒸發(fā)器管內(nèi)側(cè)的熱水系統(tǒng)主要包括恒溫?zé)崴?、水泵、水流量計以及蒸發(fā)器進、出口測溫?zé)犭娕寂c連接管道等，管外側(cè)的風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)主要包括風(fēng)道、風(fēng)流量計與風(fēng)道進口側(cè)溫度熱電偶等。相關(guān)實驗設(shè)備裝置見圖3 ，翅片蒸發(fā)器置于此實驗設(shè)備的風(fēng)道中。

實驗數(shù)據(jù)處理方面，翅片蒸發(fā)器管內(nèi)側(cè)的熱水換熱量與管外側(cè)的風(fēng)循環(huán)換熱量的數(shù)值誤差控制在5 %以內(nèi)，重點記錄管內(nèi)側(cè)熱水的換熱量，作為翅片蒸發(fā)器改進前后換熱性能優(yōu)劣的對比數(shù)據(jù)。

1.2.2 冰箱整機用石墨烯蒸發(fā)器性能測試

圖1 親水表面水的分布狀態(tài)

圖2 疏水表面水的分布狀態(tài)

以一款風(fēng)冷冰箱BCD-250W為研究載體（見圖4），該載體為單循環(huán)制冷系統(tǒng)，僅具有一個蒸發(fā)器，其蒸發(fā)器型號與石墨烯蒸發(fā)器型號一致，只是石墨烯蒸發(fā)器是在蒸發(fā)器表面按照上面描述的設(shè)計與工藝方案，噴涂上一層石墨烯涂層。其他的與原樣機一致。

在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的型式實驗室中，將冰箱載體樣機按照測試標(biāo)準(zhǔn)要求擺放，內(nèi)部布置測溫銅質(zhì)圓柱探頭，采集各間室的平均溫度。通過既定的溫度采集、功率采集以及電能采集等裝置，得出對應(yīng)的整機耗電量。按照電冰箱相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 12021.2-2015）得出16 ℃與32 ℃環(huán)溫下的穩(wěn)態(tài)能耗、化霜能耗以及整機標(biāo)準(zhǔn)耗電量。通過對比分析兩款不同蒸發(fā)器應(yīng)用條件下的整機穩(wěn)態(tài)耗電量與化霜能耗，得出該款改進后的石墨烯涂層蒸發(fā)器性能優(yōu)劣對比數(shù)據(jù)，給出分析結(jié)果。

2 結(jié)果分析

2.1 翅片蒸發(fā)器換熱量對比結(jié)果

本次采用噴涂方式的石墨烯涂層厚度為25 μm，樣件見圖5（b）。從圖5（b）中可知，采用噴涂的涂覆方式，翅片蒸發(fā)器的翅片等不同部位涂覆的均勻性較好，依靠視覺的直觀感受是黑色，石墨烯材料在該翅片蒸發(fā)器的管道、翅片以及管道與翅片之間的間隙上涂覆均比較均勻。依托石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可以彌補當(dāng)前工藝下的翅片蒸發(fā)器少部分翅片與管道接觸不佳的問題，進一步提升翅片蒸發(fā)器單體的換熱性能。

將BCD-250W冰箱用原狀態(tài)的與涂覆石墨烯的蒸發(fā)器進行單體換熱量對比驗證測試，依托換熱器換熱量測試實驗臺，得到的換熱量測試結(jié)果見表1所示。從表中可知，翅片蒸發(fā)器涂覆石墨烯涂層后，單體換熱量較原狀態(tài)提高約17.8 %，實現(xiàn)了翅片蒸發(fā)器換熱量提升設(shè)計要求。

2.2 整機性能驗證結(jié)果

圖3 換熱器換熱量測試設(shè)備

圖4 BCD-250W冰箱載體

圖5 兩種翅片蒸發(fā)器樣件

表1 圖5兩種類型翅片蒸發(fā)器換熱量數(shù)據(jù)

在以上所描述的測試工況下，以BCD-250W為研究載體，得出16 ℃與32 ℃環(huán)溫下的穩(wěn)態(tài)能耗、化霜能耗以及整機標(biāo)準(zhǔn)耗電量，詳細(xì)結(jié)果見表2。就相關(guān)結(jié)果分別進行介紹：

1）穩(wěn)態(tài)能耗方面

在32 ℃環(huán)溫下，BCD-250W冰箱的穩(wěn)態(tài)能耗由0.729 kWh/24 h變?yōu)?.727 kWh/24 h，降低約0.27 %，降低比率較小。

在16 ℃環(huán)溫下，BCD-250W冰箱的穩(wěn)態(tài)能耗由0.301 kWh/24 h變?yōu)?.3 kWh/24 h，降低約0.33 %，降低比率也較小。

綜合以上16 ℃與32 ℃兩種環(huán)溫下的冰箱穩(wěn)態(tài)對比來看，穩(wěn)態(tài)耗電量降低比率較小，具有一定的節(jié)能效果，可能主要是因為石墨烯的加入彌補了蒸發(fā)器部分位置的接觸不良，變相增大了換熱面積，提升了換熱效果。同時石墨烯具有較優(yōu)的疏水性，霜化成水之后可以快速地離開蒸發(fā)器表面，蒸發(fā)器表面殘存水量少，下一次化霜后殘存的化霜水結(jié)冰就少，換熱器換熱性能得到進一步提升。

2）化霜能耗方面

在32 ℃環(huán)溫下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.071 kWh/24 h變?yōu)?.059 kWh/24 h，降低約1.7 %。

在16 ℃環(huán)溫下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.039 kWh/24 h變?yōu)?.033 kWh/24 h，降低約1.5 %。

綜合以上16 ℃與32 ℃兩種環(huán)溫下的冰箱化霜能耗對比來看，化霜能耗降低比率至少1.5 %，節(jié)能效果比較好，主要是因為石墨烯是優(yōu)良的熱導(dǎo)體，在實際的化霜過程中，當(dāng)?shù)撞客扛彩┑慕Y(jié)霜管道開始化霜完成時，黑色的石墨烯具有更強的吸熱與導(dǎo)熱能力，可以更快地在管道與翅片之間傳遞熱量，加速了石墨烯蒸發(fā)器的換熱速度，進一步縮短了化霜時間，達到了化霜節(jié)能的設(shè)計目標(biāo)。

3）整機標(biāo)準(zhǔn)耗電量方面

整機標(biāo)準(zhǔn)耗電量是根據(jù)GB 12021.2-2015的要求，依托16 ℃與32 ℃環(huán)溫下的穩(wěn)態(tài)與化霜能耗，加之特定的標(biāo)準(zhǔn)耗電量計算公式得出來的。標(biāo)準(zhǔn)耗電量從0.56 kWh/24 h降低為0.55 kWh/24 h，耗電量降低比率為1.78 %，達到了整機節(jié)能降耗的設(shè)計目標(biāo)。

表2 整機耗電量對比結(jié)果

3 結(jié)論

依托翅片蒸發(fā)器換熱量測試設(shè)備，對涂覆石墨烯蒸發(fā)器與原狀態(tài)蒸發(fā)器進行單體換熱量與整機性能對比驗證。噴涂石墨烯蒸發(fā)器比原狀態(tài)蒸發(fā)器的單體換熱量提升15 %以上，應(yīng)用于冰箱載體中，載體冰箱整機能耗同比降低至少1.5 %，重點是化霜能耗降低的貢獻，故應(yīng)用石墨烯涂層的翅片蒸發(fā)器達到節(jié)能效果是未來的一個研究方向。