無霜冰箱蓄熱化霜系統(tǒng)的理論分析及其蓄熱材料的實驗研究

李 驁 史慧新 張賢中 劉忠寶

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無霜冰箱蓄熱化霜系統(tǒng)的理論分析及其蓄熱材料的實驗研究

李 驁1史慧新2張賢中2劉忠寶1

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

風冷無霜冰箱因其大容積和無霜的優(yōu)勢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)的運行方式，設計了蓄熱裝置的結構，實驗分析了蓄熱材料的性能，優(yōu)選出了一種以石蠟為主的復合相變蓄熱材料。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

風冷無霜冰箱以其特有的容量大、“多溫區(qū)”、自動除霜等優(yōu)點，被行業(yè)公認為冰箱發(fā)展的必然趨勢。其主要是通過蒸發(fā)器風機使冷藏與冷凍室回風流經(jīng)蒸發(fā)器并與之換熱，在這個降溫過程中空氣中水蒸氣在蒸發(fā)器表面析出凝結成霜，之后蒸發(fā)器運行時間增長，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。因此當蒸發(fā)器表面霜層達到一定厚度時，需要進行定期除霜。

目前國內(nèi)外學者對冰箱除霜的相關過程進行了大量研究[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，針對其上疏下密的分布規(guī)律，設計了兩根功率不同的電加熱器分別對蒸發(fā)器上、下管排進行除霜，提高了除霜效率。宋新洲[5]等人利用冷藏室回風對霜層進行預熱處理，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行模式，并實驗驗證了該模式可以有效降低除霜過程能耗和減少箱溫回升。程學全[7]通過對多溫區(qū)冰箱無霜間室自動化霜設計的實驗分析，對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)的設計進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)了良好自動化霜性能。湯曉亮[8]提出了一種新型的時間-溫差法的風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間。進行試驗驗證后，改進后的化霜能耗占冰箱總能耗的比重在5%以下。

對于蓄熱化霜這種新技術，目前還多應用于空調(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)存進蓄能器中，當化霜開始時，蓄熱器中儲存的熱量首先傳遞給反向運行的制冷劑，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化了除霜時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，除霜后恢復正常工況的時間縮短。周中華等[13]對以壓縮機廢熱為熱源的蓄熱化霜循環(huán)原理、裝置進行了設計、研究，并同步在空調(diào)產(chǎn)品上進行了相關實驗驗證，發(fā)現(xiàn)空調(diào)的低溫制熱量、除霜時間和舒適性方面都有較好的改善效果。并由于壓縮機蓄熱槽的特殊結構的保溫效果，使壓縮機在低溫環(huán)境下化霜后能快速啟動，制熱時間相比普通機型提前了3分鐘。袁旭東[14]采用儲能型冷凝器，冰箱冷凝器從間歇性換熱轉換為連續(xù)性換熱，進而提高冷凝器的總體換熱能力，以提高冰箱的節(jié)能效果。但這種技術只利用了相變材料對熱量的時間轉移特點，不能對所儲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的研究中可以看出，冰箱結霜是影響風冷冰箱性能的重要因素之一，但對于冰箱化霜技術的研究多集中在對冰箱化霜控制模式或加熱器位置分布的改進研究上，少見提出的新型化霜方法。這是由于現(xiàn)有化霜方法中，電熱化霜的結構簡單，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)運行，但增加了超聲波發(fā)生設備，而且除霜效果受風道結構影響非常大。對于蓄熱化霜技術，目前主要應用在空調(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。本文選擇實驗室現(xiàn)有的一臺型號BCD-372的風冷無霜冰箱進行排氣溫度的測試。

圖1 壓縮機排氣溫度測點位置

如圖1所示是測試所選型號冰箱的壓縮機排氣溫度的測點位置，位于壓縮機排氣管上。如圖2所示是圖1位置測點監(jiān)測的約1000分鐘的壓縮機排氣溫度變化。此型號冰箱的壓縮機排氣溫度最高達到60℃，壓縮機運行時平均的排氣溫度在45～50℃之間。

圖2 壓縮機排氣溫度

在有機相變材料中，石蠟和多元酸等物質(zhì)，無機材料中，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)凝固點降低定律，即在某一溫度范圍內(nèi)，將兩種物質(zhì)相混合時，其凝固點比其中任何一種物質(zhì)的凝固點都要低。所以此型號冰箱的壓縮機排氣溫度可以滿足本文研究的風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)的運行方式

本文研究的利用相變蓄熱材料儲存冰箱制冷系統(tǒng)的冷凝熱，用于風冷冰箱蒸發(fā)器化霜的技術。如圖3所示是蓄熱化霜系統(tǒng)的結構示意圖。在冰箱制冷系統(tǒng)中，從壓縮機出口引出一段冷凝管路，進入相變蓄熱器，利用冰箱運行時的過熱制冷劑蒸氣加熱其中的相變材料，達到回收冷凝熱的目的。當需要給冰箱室內(nèi)蒸發(fā)器化霜時，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)結構示意圖

3 蓄熱裝置的結構

在蓄熱器部分，采用三套管換熱器完成蓄熱材料的儲存，加熱和釋熱過程。三套管換熱器的結構如圖4所示。

圖4 蓄熱器結構

蓄熱器內(nèi)側管為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小時左右完成蓄熱，在載熱介質(zhì)流速1m/s時，提供300W的加熱功率，持續(xù)20min，將載熱介質(zhì)30℃的進口溫度加熱至35℃的出口溫度。

4 蓄熱材料的選擇

對于相變溫度在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置為a、b、c和d組，以切片石蠟作為對照組a，測試其融化時間。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熱源加熱過程中，由于其導熱率較低，僅有0.3～0.6W/(m·K)，所以其熔化過程較長，影響了石墨的儲熱和釋熱性能，所以需要添加導熱性強的添加劑增強導熱性能，石墨作為一種高導熱材料其導熱率達到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)量分數(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。設置4種樣品材料為：

1號：c組，共50g，不添加石墨粉；

2號：d組，共50g，不添加石墨粉；

3號：c組，共50g，添加一定質(zhì)量分數(shù)的石墨粉；

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

4種材料共同在同一個恒溫水浴池中進行恒溫加熱融化實驗，恒溫水浴溫度設置在61℃，采用熱電偶測試樣品中心區(qū)溫度，結果如圖6至圖9所示。

圖6 1號和2號材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，2號材料首先開始融化，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號和4號材料融化溫度曲線

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

圖8 1號和3號材料融化溫度曲線

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

圖9 2號和4號材料融化溫度曲線

分析數(shù)據(jù)可知，2號第22分鐘開始融化，第48分鐘完全融化。4號材料第17分鐘開始融化，第38分鐘完全融化。4號材料為2號材料添加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 結論

經(jīng)過理論及實驗分析，可以得出以下結論。

（1）將蓄熱技術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）本文設計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存冰箱制冷系統(tǒng)的冷凝熱，用于風冷冰箱蒸發(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，當兩者比例合適時候，可以達到蓄熱化霜所需的溫度。

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

（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。

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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