劉霞 韋自妍 劉忠寶

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部 北京 100124

1 引言

隨著全球能源危機(jī)和溫室效應(yīng)等問題的出現(xiàn)，世界各國(guó)開始注重能源的高效利用，綠色節(jié)能已逐漸成為各國(guó)的共識(shí)。在2020年習(xí)近平總書記對(duì)我國(guó)的碳排放提出新的達(dá)峰和中和目標(biāo)[1]，如何建立可持續(xù)利用的能源體系成為有待解決的關(guān)鍵問題。近兩年新冠肺炎疫情的暴發(fā)，使人們意識(shí)到保鮮的重要性，而冷柜因儲(chǔ)藏量大的優(yōu)點(diǎn)，在食物等物品的保鮮方面占有重要的地位。根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線數(shù)據(jù)顯示，冷柜2020年全年銷量比2019年同比增長(zhǎng)39.7%[2]。但同時(shí)也因其蒸發(fā)器表面除霜耗電量大的缺點(diǎn)受到局限，這對(duì)冷柜來說是十分關(guān)鍵的問題。大多商用冷柜采用的除霜方式是熱氣旁通除霜[3]，但是這種除霜方式在較低的環(huán)境溫度下，除霜速度慢[4]，并且隨著除霜過程的進(jìn)行，壓縮機(jī)吸氣溫度降低，會(huì)造成能耗增加。

目前研究解決熱氣除霜存在問題的研究主要在空氣源熱泵和空調(diào)方面，在冷柜方面幾乎沒有。劉忠寶等人[5][6]通過在冰箱壓縮機(jī)殼體外側(cè)添加相變材料蓄熱，在系統(tǒng)除霜的過程中，將壓縮機(jī)殼體廢熱用于提升來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑的溫度，來避免壓縮機(jī)持續(xù)回液?jiǎn)栴}的發(fā)生。林金煌[7]等人研究空調(diào)并行分流熱氣除霜，使得除霜時(shí)間與常規(guī)除霜時(shí)間相比縮短25%。余萌[8]設(shè)計(jì)一種與空氣源熱泵結(jié)合的相變蓄熱裝置，通過模擬在嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)除霜性能可得到明顯提高，并且供熱更加穩(wěn)定。

結(jié)合前人的研究，為了解決在冷柜熱氣旁通除霜中存在的問題并節(jié)省能耗，本文以熱氣旁通除霜方式的風(fēng)冷冷凍柜為研究對(duì)象，通過在系統(tǒng)中添加相變蓄熱換熱器來回收冷凝熱，并在除霜時(shí)釋放熱量提升壓縮機(jī)吸氣溫度，從而提高除霜功率，加快除霜過程，以解決現(xiàn)存的較低環(huán)境溫度下除霜時(shí)間長(zhǎng)、除霜功耗大和除霜效果差的問題，并且通過在不同運(yùn)行模式下的性能和功耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而分析得出結(jié)論。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 蓄熱材料的選擇

由于本實(shí)驗(yàn)是通過添加蓄熱換熱器來收集系統(tǒng)中冷凝熱的，因此壓縮機(jī)的排氣溫度Tc直接決定了蓄熱材料熔點(diǎn)溫度，進(jìn)而影響了相變蓄熱材料的選取。本文分別對(duì)-7℃、0℃和25℃環(huán)境溫度下壓縮機(jī)的排氣溫度Tc進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如圖1所示。經(jīng)測(cè)定25℃環(huán)境溫度下壓縮機(jī)平均排氣溫度為95℃，0℃環(huán)境溫度下壓縮機(jī)平均排氣溫度為63℃，-7℃環(huán)境溫度下壓縮機(jī)的平均排氣溫度為60℃。由此可以得出，在選取相變蓄熱材料時(shí)其相變溫度不可高于95℃，考慮到低溫環(huán)境下的除霜情況，最終應(yīng)選擇相變溫度不高于60℃的相變蓄熱材料。

圖1 不同環(huán)境溫度下壓縮機(jī)的排氣溫度

為了選出導(dǎo)熱能力更強(qiáng)的蓄熱材料，對(duì)三種材料進(jìn)行熔化時(shí)長(zhǎng)、熔化速度、熔化溫度的測(cè)試。材料1為20 g純石蠟，材料2中添加有5%的石墨，材料3中含有5%的膨脹石墨。實(shí)驗(yàn)過程中以材料1為對(duì)照組，材料2和材料3為實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)方法為：將室溫約25℃下的材料1、材料2和材料3放入90℃下的恒溫油浴中，進(jìn)行熔化實(shí)驗(yàn)，材料熔化過程如圖2所示。根據(jù)三種材料溫度變化曲線和實(shí)驗(yàn)觀察，添加5%的石墨和添加5%的膨脹石墨后都可以縮短熔化時(shí)間。但是添加膨脹石墨會(huì)增加材料的體積，對(duì)本系統(tǒng)來說是不利的。因此本文選取能量密度最高的64號(hào)切片石蠟（即純石蠟）為相變蓄熱材料。經(jīng)過差示掃描量熱法進(jìn)行蓄熱材料的熱物性測(cè)定，結(jié)果顯示選取相變蓄熱材料石蠟的相變潛熱為128.9 kJ/kg，樣品開始熔化的溫度為61.8℃，熔化結(jié)束的溫度為72.4℃，符合本文所需的相變蓄熱材料要求。

圖2 材料1、2、3熔化實(shí)驗(yàn)

2.2 蓄熱換熱器的設(shè)計(jì)

通過測(cè)定除霜過程中系統(tǒng)的功耗，確定霜層從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的所需的熱量，進(jìn)而確定相變蓄熱材料的添加量。通過計(jì)算可以得出系統(tǒng)在除霜過程中需要為霜層提供的功耗為0.0653 kW·h。

因此蓄熱材料需求的質(zhì)量mP為：

式中：mP為所需相變蓄熱材料的質(zhì)量，W為一個(gè)除霜過程的耗功，Δh為相變蓄熱材料的相變潛熱。

由于添加電磁閥成本較高，為了減少使用電磁閥的數(shù)量，因此采用雙回路蓄熱換熱器。因蓄熱材料石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)較小，為了加速蓄存熱量的使用速度和效率，本文采用蓄存熱量的管道和釋放熱量的管道叉排分布的方式，以充分利用蓄熱材料中蓄存的熱量。在系統(tǒng)改造中，為了不對(duì)系統(tǒng)中的壓力平衡造成影響，采用相同管徑的銅管和相同管程換熱器。本換熱器的部分工藝要求如下：換熱器最終尺寸為長(zhǎng)190 mm，寬170 mm，高150 mm，采用16排12孔，排間距為12.8 mm，孔間距為21 mm。鋁箔采用親水鋁箔，鋁箔的厚度為0.115 mm，翅片間距為1.8 mm。制作完成后的換熱器如圖3所示。

圖3 蓄熱換熱器

通過計(jì)算得出相變蓄熱材料的添加量mP為1.825 kg，則填充石蠟所需體積VP約為：

式中：VP為所需相變蓄熱材料的體積，ρ為相變蓄熱材料的密度。由于換熱器兩側(cè)有長(zhǎng)約30 mm的管道彎頭，因此含有翅片的管道長(zhǎng)度為160 mm，則可以得此換熱器的翅片最小孔隙率ε為：

式中：ε為換熱器翅片的最小孔隙率。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

通過進(jìn)行不同環(huán)境溫度下原系統(tǒng)除霜性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)在較低的環(huán)境溫度下冷凍柜熱氣旁通除霜存在壓縮機(jī)排氣溫度低、除霜時(shí)間長(zhǎng)、除霜效果差的問題。通過前期對(duì)不同溫度下壓縮機(jī)排氣溫度測(cè)定，分析除霜效果差的主要原因是壓縮機(jī)排氣溫度較低。本文嘗試在冷凝器側(cè)并聯(lián)相變蓄熱換熱器，以蓄存系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)較多的冷凝熱，通過合理布置管路和電磁閥，實(shí)現(xiàn)熱氣旁通除霜過程中壓縮機(jī)吸氣的再升溫。改裝后系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正常制冷循環(huán)、蓄熱和除霜三種運(yùn)行模式。

（1）蓄熱模式。如圖4所示，系統(tǒng)蓄熱模式的原理為：電磁閥2、4打開，電磁閥1、3、5關(guān)閉。來自壓縮機(jī)的高溫高壓的制冷劑氣體通過電磁閥4流入蓄熱換熱器，向蓄熱換熱器中的蓄熱材料散熱，變?yōu)楦邏旱闹评鋭┮后w；流入毛細(xì)管降壓，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭┮后w；制冷劑液體流入蒸發(fā)器以后，吸收冷凍柜內(nèi)物品含有的熱量變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w，然后制冷劑流回壓縮機(jī)完成一次循環(huán)。

（2）正常制冷模式。如圖4所示，系統(tǒng)正常制冷模式的原理為：電磁閥2、5打開，電磁閥1、3、4關(guān)閉。來自壓縮機(jī)的高溫高壓的制冷劑氣體通過電磁閥5流入冷凝器，向冷凝器外界空氣散熱，變?yōu)楦邏旱闹评鋭┮后w；流入毛細(xì)管降壓，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭┮后w；制冷劑液體流入蒸發(fā)器以后，吸收冷凍柜內(nèi)物品含有的熱量，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w，然后制冷劑流回壓縮機(jī)完成一次循環(huán)。

（3）除霜模式。如圖4所示，系統(tǒng)除霜原理為：電磁閥1由常閉狀態(tài)切換為打開狀態(tài)，電磁閥3打開，電磁閥2關(guān)閉。來自壓縮機(jī)的高溫高壓的制冷劑蒸氣，通過電磁閥1流入蒸發(fā)器，向蒸發(fā)器外側(cè)的霜層散熱，使霜層融化，由于制冷劑氣體向外界環(huán)境散熱，溫度變低；流經(jīng)電磁閥3進(jìn)入蓄熱換熱器，吸收蓄熱換熱器內(nèi)蓄熱材料中蓄存的熱量，實(shí)現(xiàn)一定程度的溫升，再流回壓縮機(jī)吸氣，完成一次除霜循環(huán)。

圖4 新型蓄熱除霜系統(tǒng)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)不同環(huán)境溫度下除霜過程中系統(tǒng)運(yùn)行功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，對(duì)25℃和0℃環(huán)溫下改裝后系統(tǒng)和原系統(tǒng)的壓縮機(jī)吸氣溫度、壓縮機(jī)排氣溫度、熱氣旁通吸氣溫度（熱氣旁通除霜過程中蒸發(fā)器入口溫度）、熱氣旁通排氣溫度（熱氣旁通除霜過程中蒸發(fā)器出口溫度）、蒸發(fā)器溫度等測(cè)溫點(diǎn)除霜過程中的數(shù)值變化進(jìn)行記錄。

本文中所有實(shí)驗(yàn)均在北京工業(yè)大學(xué)制冷實(shí)驗(yàn)室恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行，兩臺(tái)冷凍柜和恒溫室內(nèi)空氣處理機(jī)組的出風(fēng)口、回風(fēng)口的距離相同。實(shí)驗(yàn)過程中，兩臺(tái)機(jī)器先空載運(yùn)行兩個(gè)小時(shí)，然后放入實(shí)驗(yàn)包，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，每隔10 min開一次冷凍柜的玻璃門，每次開門時(shí)間為15 s。從系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的第一次化霜開始數(shù)據(jù)記錄。環(huán)境溫度為25℃時(shí)，設(shè)定除霜時(shí)蒸發(fā)器表面溫度達(dá)到12℃結(jié)束除霜，最長(zhǎng)除霜時(shí)間為120 min。環(huán)境溫度為0℃時(shí)，為了避免除霜時(shí)間過長(zhǎng)造成冷凍柜內(nèi)過大的溫度波動(dòng)，設(shè)定原系統(tǒng)除霜時(shí)蒸發(fā)器表面達(dá)到5℃除霜過程結(jié)束，最長(zhǎng)除霜時(shí)間為120 min。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 兩系統(tǒng)25℃溫度下除霜數(shù)據(jù)對(duì)比

4.1.1 25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化

25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化如圖5所示。通過對(duì)比25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化可以看出，改裝后系統(tǒng)的蓄熱換熱器出口溫度比入口溫度提升了約30℃。改裝后壓縮機(jī)的排氣溫度較原系統(tǒng)提升約20℃。

圖5 25℃下各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化圖

4.1.2 25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化

25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化如圖6所示。原系統(tǒng)除霜時(shí)長(zhǎng)約7 min，除霜過程中系統(tǒng)功率最高值為741.3 W，平均功率約為700 W。由于除霜過程中用于裝飾燈光和冷凝器風(fēng)扇的功率共計(jì)約140 W，因此壓縮機(jī)的平均功率約為560 W。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)用于除霜的功耗為0.0653 kW·h。改裝后的系統(tǒng)在環(huán)境溫度25℃下運(yùn)行時(shí)，除霜過程中系統(tǒng)最高除霜功率為866.13 W，相較于原系統(tǒng)除霜時(shí)的最高功率741.3 W提升了約120 W。除霜過程中，改裝后系統(tǒng)的平均功率為799.004 W，減去系統(tǒng)風(fēng)扇、燈光的功率約140 W，則用于除霜的功率為659.004 W，除霜時(shí)長(zhǎng)為4.5 min，經(jīng)計(jì)算原系統(tǒng)除霜功耗為0.0494 kW·h。

圖6 25℃下兩系統(tǒng)除霜功率變化圖

4.1.3 25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期（穩(wěn)定運(yùn)行后一次除霜開始到下一次除霜開始）功率變化

25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期功率變化如圖7所示。25℃下原系統(tǒng)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)除霜時(shí)長(zhǎng)7 min，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)74 min，壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)長(zhǎng)30 min，平均功率為430.47 W。經(jīng)計(jì)算，原系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期的功耗為0.861 kW·h。根據(jù)圖7，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，改裝后系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中的功率普遍大于原系統(tǒng)的功率。此外，改裝后系統(tǒng)在除霜結(jié)束后需要更長(zhǎng)的壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間來恢復(fù)冷凍柜內(nèi)的設(shè)定溫度，這對(duì)系統(tǒng)節(jié)能是不利的。改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期的平均功率為548.60 W，經(jīng)計(jì)算改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期的功耗為1.097 kW·h。

圖7 25℃下兩系統(tǒng)運(yùn)行一周期功率變化圖

4.1.4 25℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜效果對(duì)比

25℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜所得數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)于25℃環(huán)境溫度下的兩系統(tǒng)除霜，改裝后系統(tǒng)的壓縮機(jī)平均排氣溫度較原系統(tǒng)提升20℃，蒸發(fā)器表面溫升增大3.7 K，除霜時(shí)間比原系統(tǒng)縮短2.5 min，除霜平均功率增大99.004 W，一次除霜功耗減少0.0159 kW·h，運(yùn)行一個(gè)周期后改裝后系統(tǒng)功耗增加0.236 kW·h。

表1 25℃下兩系統(tǒng)除霜過程主要參數(shù)

4.2 兩系統(tǒng)0℃溫度下除霜數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2.1 0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化

0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化如圖8所示。通過對(duì)比0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化可以看出，改裝后系統(tǒng)各測(cè)溫點(diǎn)溫度變化圖。在除霜過程中壓縮機(jī)的排氣溫度最高可達(dá)70.8℃，相較于原系統(tǒng)除霜過程中的最高排氣溫度45.6℃，提升約25℃，壓縮機(jī)排氣溫度的上升有利于緩解低溫下系統(tǒng)除霜困難的問題。此外，壓縮機(jī)排氣溫度沒有出現(xiàn)原系統(tǒng)中先上升后下降的變化，而是一直處于緩慢上升的趨勢(shì)。此外，蓄熱換熱器出口溫度比蓄熱換熱器進(jìn)口溫度提升約40℃，這說明蓄熱換熱器的添加很大程度上提升了壓縮機(jī)吸氣溫度，對(duì)除霜過程來說是有利的。

圖8 0℃下各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度變化圖

4.2.2 0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化

0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化如圖9所示。原系統(tǒng)的除霜功率變化，除霜過程中系統(tǒng)平均功率為582.3 W，減去風(fēng)扇和燈光等的功率140 W，系統(tǒng)用于除霜的功率為442.3 W時(shí)長(zhǎng)為80 min，則系統(tǒng)除霜所需功耗為0.590 kW·h。在環(huán)境溫度0℃下，改裝后系統(tǒng)除霜過程中系統(tǒng)的最大功率為667.58 W。除霜過程中，系統(tǒng)平均功率為629.2 W，減去系統(tǒng)中風(fēng)扇、照明等的功率，系統(tǒng)用于除霜的平均功率為489.2 W。除霜過程持續(xù)時(shí)間為4 min，則除霜過程中所需功耗為0.0326 kW·h。

圖9 25℃下兩系統(tǒng)除霜功率變化圖

4.2.3 0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期（穩(wěn)定運(yùn)行后一次除霜開始到下一次除霜開始）功率變化

0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期功率變化如圖10所示。原系統(tǒng)在0℃環(huán)境溫度下，選取系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后某次除霜開始之前到下一次除霜開始之前的2 h作為一個(gè)運(yùn)行周期。在環(huán)境溫度為0℃下，系統(tǒng)平均運(yùn)行功率為551.53 W，則原系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的功耗為1.103 kW·h。改裝后系統(tǒng)在環(huán)境溫度為0℃下，系統(tǒng)平均運(yùn)行功率為391.0 W，則原系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的功耗為0.783 kW·h。

圖10 0℃下兩系統(tǒng)運(yùn)行一周期功率變化圖

4.2.4 0℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜效果對(duì)比

0℃下改裝后系統(tǒng)和原系統(tǒng)的除霜所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 0℃環(huán)境溫度下兩系統(tǒng)除霜過程主要參數(shù)

對(duì)于0℃環(huán)境溫度下的兩系統(tǒng)除霜，改裝后系統(tǒng)的壓縮機(jī)平均排氣溫度較原系統(tǒng)提升30℃，蒸發(fā)器表面的溫升增大12 K，除霜時(shí)間比原系統(tǒng)縮短76 min，除霜平均功率增大46.9 W，一次除霜功耗減少0.5574 kW·h，運(yùn)行一個(gè)周期后改裝后系統(tǒng)功耗減少0.32 kW·h。

5 結(jié)論

通過將原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)在25℃和0℃環(huán)境溫度下進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1）在25℃環(huán)境下，改裝后系統(tǒng)可以縮短除霜時(shí)間2.5 min，減小除霜功耗。

2）相較于25℃在0℃環(huán)境下，改裝系統(tǒng)可以明顯提升除霜過程中的壓縮機(jī)吸氣溫度約40℃，從而縮短除霜時(shí)間。改裝后系統(tǒng)除霜時(shí)間縮短為原系統(tǒng)5%，除霜功耗減小為原來的5.6%，可以解決原系統(tǒng)冬季除霜效果差的問題，且成效明顯。

3）該研究結(jié)果將對(duì)商超冷柜的除霜性能改進(jìn)產(chǎn)生積極的影響，并指導(dǎo)家用大型冰箱的除霜系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，有望在商超冷柜和家用冰箱行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，為我國(guó)的碳達(dá)峰、碳中和的“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)。