風冷冰箱除霜控制技術研究與應用

湯曉亮 王鐵軍 楊 帆 江 斌 王 正

(1合肥工業大學 合肥 230009;2合肥美菱股份有限公司 合肥 230601)

風冷式冰箱采用強迫對流換熱方式使儲藏室內的空氣流經蒸發室進行熱濕交換，通過箱內空氣循環維持各儲藏空間的溫度穩定在設定范圍。冰箱運行時循環空氣中的水分在蒸發器翅片表面上析出并凍結成霜，隨著冰箱的持續運行霜層不斷增厚，增加了蒸發器換熱熱阻和循環空氣的流通阻力，引起循環空氣流量減小、蒸發溫度下降、冰箱制冷能力衰減和壓縮機啟停比增大，因此除霜控制技術對提高冰箱保鮮品質、降低運行能耗有重要的影響[1-4]。

影響風冷冰箱蒸發器結霜的主要因素是熱、濕負荷，除霜控制的核心技術是除霜切入點的識別方法，基本上可歸納為直接測量霜層厚度[5-6]和間接測量預估[7-9]2類方法。由于直接測量法受制于傳感器成本及其他干擾因素，至今難以在冰箱產品中商業化應用，因而間接測量預估方法成為目前除霜控制技術設計的主流。早期流行的定時除霜法根據制冷壓縮機累計運行時間tC確定除霜切入點，由于不能較好地反饋熱濕負荷的影響，易出現過早或過遲除霜操作而被淘汰。目前廣泛應用的時間-溫度法在累計運行時間tC的基礎上，增加了一個識別參數蒸發溫度T0，由于T0的降低與霜層厚度的增長相關聯，當tC條件滿足并檢測到蒸發溫度達到下限值時，進入除霜工況;引入間接參數T0在一定程度上可反映濕負荷對結霜速度的影響，避免濕負荷較小時過早除霜，但其不足之處主要表現在:不能反映冰箱環境溫度變化，在大容量冰箱中易受到風門啟閉等擾動的影響，不能較為客觀地反映蒸發器的傳熱狀況，難免無法找到理想的除霜切入點，容易產生除霜延遲，導致除霜不凈或除霜時間過長影響保鮮質量。臧潤清等[10]提出基于冷凝壓力與蒸發壓力比值、Lawrence和Evans[11]提出基于蒸發器表面結霜時管內制冷劑流動的不穩定性、Han等[12]提出通過檢測箱內空氣濕度的變化等預估模型，雖然具有一定的科學性，但在冰箱上實施存在傳感器選擇與安裝、成本、預估模型可靠性和非穩態干擾等技術和經濟性問題。綜合環境適應性、可操作性、可靠性和成本等技術經濟因素，選擇溫度和時間物理量作為除霜控制的識別參數較為理想。在進行冰箱動態仿真和實驗研究的基礎上，研發了一種可間接辨識冰箱制冷能力變化的時間-溫差法自動除霜控制技術。

1 時間-溫差法的基本原理

當蒸發器翅片表面結霜時，若忽略管壁熱阻和管內垢層熱阻，蒸發器的傳熱系數K可表示為:

式中:αa，e為結霜工況下翅片管外表面的當量換熱系數;Rf為外表面積灰等所形成的附加熱阻;αb為管內制冷劑沸騰換熱系數;τ為肋化系數。

結霜工況下的翅片管外表面當量換熱系數αa，e可表示為:

式中:ηf，b為翅片管效率;ξ為析濕系數;αa為空氣側換熱系數，對于結構特性參數一定的翅片管而言，空氣側換熱系數一般與迎面風速的n次方成正比，即 αa∝υan(n為小于1 的正數);δs、λs分別為霜層厚度和導熱系數，，ρs為霜層的密度，文獻[3]的研究認為:水蒸氣結霜主要影響霜層厚度，而對密度的影響較小，故在此忽略密度的變化。

由式(1)和(2)可知，當蒸發器翅片表面霜層增厚時，換熱熱阻和空氣流通阻力均增大，蒸發器過流空氣量減小，導致空氣側換熱系數αa和蒸發器的傳熱系數K減小，使得冷凍室溫度與蒸發溫度的差值ΔT逐漸增大，即呈現“霜層增厚→傳熱系數K減小→ΔT增大”的變化規律。

ΔT間接反映冰箱制冷能力的衰減程度，并可作為除霜控制規則的一個識別參數，其依據是:冰箱正常工作時，冷凍室溫度隨蒸發溫度T0下降而下降，ΔT相對穩定;隨著霜層厚度增加，ΔT逐漸增大;霜層增厚到一定程度，送風冷量小于冷凍室的熱負荷，冷凍室溫度不降反升，如不及時除霜，低壓保護致使壓縮機停機，并頻繁啟停。

2 時間-溫差法除霜控制規則

2.1 實驗設計

實驗樣機:風冷冰箱BCD-350W，上藏下凍結構;上層為對開門冷藏室，有效容積249L，溫控范圍2～8℃;下層為抽屜型冷凍室，有效容積101L，溫控范圍－16～－24℃。壓縮機輸入功率為120W，化霜加熱器輸入功率為137W，控制規則采用時間-溫度法。

實驗設備:溫度采集儀選擇DAS-Ⅳ型溫度巡檢儀，示值誤差為±0.5%F·S;溫度傳感器選用Pt100鉑電阻，標定測量范圍為－50℃ ～+100℃，精度±0.2℃，分別安裝在蒸發器管壁、送風口、冷凍室回風口、冷藏室回風口，測量蒸發溫度、送風溫度、冷凍室溫度和冷藏室溫度。

冰箱負載:冷藏室內存放20kg水果、蔬菜和飲料，冷凍室內存放75%負載包。

表1 實驗工況表Tab.1 The experiment table

實驗工況:如表1所示。

實驗方法:根據測得的冷凍室溫度、蒸發溫度和冷藏室溫度，計算出冷凍室溫度和蒸發溫度的差值ΔT，繪制溫度-時間曲線圖，觀察曲線特性，對不同工況進行對比分析，提出適應于環境變化的除霜控制規則。

2.2 實驗結果與分析

圖1和圖2分別為1#、2#實驗工況各特征點的溫度-時間曲線。從圖中可以看出，0～800min時間內ΔT值緩慢變化，而800min后速率明顯加快，冷凍室溫度先降低后反而升高。這是由于冰箱開始制冷時，蒸發器表面的霜較少，傳熱熱阻小，傳熱效果好，且早期的霜層增大了換熱面積和表面粗糙度，從而增加了換熱量，提高了換熱器的傳熱性能[13]，冷凍室溫度隨著蒸發溫度的下降而下降，兩者之間的差值變化緩慢;隨著霜層厚度的增加，導熱熱阻隨之增大，ΔT趨勢性增大，當霜層厚到一定程度時，制冷性能惡化，壓縮機頻繁啟停。圖中溫度多次出現波動主要是由于壓縮機的停機和冷藏風門的開閉。

圖3為3#實驗工況下的時間-溫度曲線，圖中100～600min為一個制冷周期，其中100～250min為化霜周期，化霜加熱器先啟動，待檢測點溫度達到設定值停止加熱，進入滴水時間;250～600min為制冷時間，壓縮機啟動，制冷循環開始。

圖1 1#工況下溫度隨時間的變化曲線Fig.1 Curves of temperature variation with time in No.1 operating condition

圖2 2#工況下的溫度隨時間的變化曲線Fig.2 Curves of temperature variation with time in No.2 operating condition

圖3 3#工況下的溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Curves of temperature variation with time in No.3 operating condition

為了更細致地分析冰箱具體運行情況，分別選取3#～5#工況一時間段內的時間-溫度曲線，如圖4～6所示。由圖可以看出，不同工況的ΔT值不同，環境溫度越高ΔT值越小，其原因為環境溫度越高時，冷凝溫度越高，導致蒸發溫度相對提高，而冷凍室溫度是由用戶要設定的，變化相對不大，因此高環境溫度下的ΔT值要比低環境溫度時的ΔT值小。

圖4 3#工況下一段時間內的溫度隨時間的變化曲線Fig.4 Curves of temperature variation with time in a period of time of No.3 operating condition

圖5 4#工況下一段時間內的溫度隨時間的變化曲線Fig.5 Curves of temperature variation with time in a period of time of No.4 operating condition

圖6 5#工況下的溫度隨時間的變化曲線Fig.6 Curves of temperature variation with time in No.5 operating condition

圖4中，0-1段為壓縮機工作、冷藏風門打開時的曲線，冷藏室溫度、冷凍室溫度和蒸發溫度同時下降;1-2段為壓縮機繼續開啟而冷藏風門關閉時的曲線，冷藏室溫度升高，而冷凍室溫度和蒸發溫度繼續下降;2-3段表示壓縮機停機，冷藏風門仍然關閉的曲線，由于停止制冷，導致箱內溫度均上升。可以看出，冷藏風門開啟時的ΔT值要比關閉時的值小，這是因為冷藏室溫度高于冷凍室溫度，當冷藏風門開啟時，蒸發室內的溫度迅速上升，而冷凍室溫度變化緩慢，導致ΔT值變小。同樣，圖5、圖6中ΔT值的變化規律類似。

2.3 時間-溫差法除霜控制規則

根據上述實驗，可歸納為:1)ΔT值隨壓縮機累計工作時間的增長而變大;2)冷藏風門開啟時的ΔT值比關閉時的小;3)運行工況不同，ΔT值不同，且ΔT值隨環溫的升高而變小。

若用參數表示，1)當冷藏風門開啟時，25℃環境溫度下的ΔT值(用參數α1表示)比12℃環境溫度工況下的ΔT值低Δα，而比38℃時的ΔT值高Δα;同樣，當冷藏風門關閉時，25℃環境溫度工況下的ΔT值α2(其中，α2＞α1)比12℃環境溫度工況下的ΔT值低Δα，而比38℃時的ΔT值高Δα。2)相同環境溫度下，ΔT增大Δβ值后制冷效率顯著下降，對于不同型號的風冷式冰箱，參數 α1、α2、Δα和 Δβ的值不同，可通過實驗得出，表2為冰箱正常制冷時的ΔT值。

表2 3種環境溫度下冰箱正常工作時ΔT的理論值Tab.2 The theoretical values of ΔT with 3 kinds of ambient temperature when refrigerator works normally

根據表2給出的三種環境溫度下的ΔT值，若認為ΔT的理論值隨環境溫度呈線性變化，則繪制出ΔT隨環境溫度的變化曲線，如圖7所示，由此可得出ΔT關于環境溫度的函數關系式，將此ΔT值作為冰箱正常工作時的理論值存儲于控制規則中，當運行過程中檢測到ΔT值比理論值高Δβ時，便可認為蒸發器結霜嚴重，及時進入化霜程序[14]。

3 應用研究

進行了化霜控制規則改進前后的實驗對比，根據表3的實驗數據計算的化霜能耗占總能耗的比值如圖8所示，改進前后冰箱蒸發器的結霜照片如圖9、10所示。

圖7 冰箱正常工作時ΔT的理論值隨環境溫度的變化曲線Fig.7 Curves of theoretical values of ΔT variation with ambient temperature at normal working of refrigerator

圖8 改進前后化霜能耗占總能耗的比值Fig.8 The percentage of defrosting energy consumption in total energy consumption

圖9 改進前蒸發器結霜情況Fig.9 Evaporator frost condition before improvement

對比表3中除霜控制規則改進前后冰箱在有無開關門情況下的化霜周期及加熱時間，可以看出，改進后的化霜周期在不同情況下均有所延長，且無開關門時的化霜周期比有開關門時的長，實現不開門少化霜，多開門多化霜，說明新型除霜控制方法能夠適應不同環境溫度下的運行要求，且除霜切入及時。由圖8可以看出，改進后化霜能耗占總能耗的比值相對改進前的比值明顯減小，且在無開關門的情況下的能耗比值小于5%，達到除霜節能設計指標。

圖10 改進后蒸發器的結霜情況Fig.10 Evaporator frost condition after improvement

表3 改進前后化霜性能實驗數據Tab.3 The experimental data of defrosting performance before and after improvement

對比圖9、圖10所示的改進前后蒸發器結霜圖片，可以看出改進后的化霜效果明顯好于改進前，這是因為改進前除霜控制規則未能準確找出除霜切入點，蒸發器需要化霜時而未能及時進入化霜循環，使得霜層越積越厚，在下一輪制冷周期內形成“二次結霜”;而改進后的除霜控制規則能夠準確判斷出除霜需要，化霜及時，無成形冰塊。

4 結論

1)風冷冰箱結霜實驗表明，蒸發器表面的結霜速度與熱濕負荷相關，環境溫度越高，熱濕負荷越大，結霜速率越快;蒸發溫度和冷凍室溫度的差值ΔT與蒸發器表面的結霜程度相關，可間接預估風冷冰箱制冷能力的衰減程度;

2)應用ΔT作為除霜控制參數，能夠較準確判斷除霜的切入點，除霜對比實驗顯示:應用時間-溫差法除霜控制技術的能效明顯提高，環境適應性好。

3)時間-溫差法除霜控制技術具有普遍的適應性，針對不同型號的風冷冰箱，通過實驗確定特征參數 α1、α2、Δα 和 Δβ，即可使用。

4)該時間-溫差法除霜控制技術已在BCD-350W冰箱中投入使用，目前該技術正在向BCD-500W冰箱轉化研究。

[1] Sekera D，Karatas H，Egrican N.Frost formation on finand-tube heat exchangers.Part I，II [J].International Journal of Refrigeration，2004，27(4):367-377.

[2] 張興群，袁秀玲，黃東，等.強制對流翅片管式換熱器結霜性能的研究[J].西安交通大學報，2006，40(3):353-356.(Zhang Xingqun，Yuan Xiuling，Huang Dong，et al.Study on Performance of Forced Convection Finned-Tube Exchanger under Frosting Conditions[J].Journal of Xi'an Jiao Tong University，2006，40(3):353-356.)

[3] 廖云虎，丁國良，林恩新，等.間冷式冰箱蒸發器結霜模擬[J].制冷學報，2007，28(6):7-12.(Liao Yunhu，Ding Guoliang，Lin Enxin，et al.Simulation of Evaporator for Indirect Cooling Refrigerator under Frosting Conditions[J].Journal of Refrigeration，2007，28(6):7-12.)

[4] 羅超，黃興華，陳江平.不同環境參數對間冷式冰箱蒸發器結霜換熱性能的影響[J].制冷學報，2008，29(1):17-22.(Luo Chao，Huang Xinghua，Chen Jiangping.Effect of Different Parameters on Frosting of Evaporator in Frost-free Refrigerator[J].Journal of Refrigeration，2008，29(1):17-22.)

[5] Xiao J，Wang W，Zhao Y H，et al.An analysis of the feasibility and characteristics of photoelectric technique applied in defrost-control[J].International Journal of Refrigeration，2009，32(6):1350-1357.

[6] Xiao J，Wang W，Guo Q C，et al.An experimental study of the correlation for predicting the frost height in applying the photoelectric technology[J].International Journal of Refrigeration，2010，33(5):1006-1014.

[7] 許東晟，陳汝東.除霜和除霜控制研究[J].流體機械，2006，34(1):69-73.(Xu Dongsheng，Chen Rudong.Study on Defrost and Defrosting Control[J].Fluid Machinery，2006，34(1):69-73.)

[8] 秦俸吉，趙杏根，唐魯彥，等.間冷冰箱的除霜控制方法:中國，CN101726152A[P].2010-06-09.

[9] 王鐵軍，劉向農，吳昊，等.風源熱泵模糊自修正除霜技術應用研究[J].制冷學報，2005，26(1):29-32.(Wang Tiejun，Liu Xiangnong，Wu Hao，et al.Research on Fuzzy Self-tuning Defrosting Technology of Air Source Heat Pump Air conditioners[J].Journal of Refrigeration，2005(1):29-32.)

[10]方箏，臧潤清，車晶.恒溫恒濕系統最佳除霜時刻控制的研究[J].制冷與空調，2004，4(2):45-49.(Fang Zheng，Zang Runqing，Che Jing.Experimental Study on The Optimal Defrosting Point of The Contant Temperature and Humidity System[J].Refrigeration and Air-conditioning，2004，4(2):45-49.)

[11]Lawrence J M W，Evans J A.Refrigerant flow instability as a means to predict the need for defrosting the evaporator in a retail display freezer cabinet[J].International Journal of Refrigeration，2008，31(1):107-112.

[12] Han J H，Shin Y S，Han J S，et al.Refrigerator and defrost control method thereof:US，US8033124B2[P].2011-10-11.

[13] Tassau S A，Datta D.Influence of supermarket environmental parameters on the frosting and defrosting of vertical multideck display cabinets[J].ASHRAE Transactions Symposia，1999，105(1):491-496.

[14]楊帆，魏邦福，湯曉亮，等.無霜冰箱自動除霜控制方法:中國，CN102297565A[P].2011-12-28.