冰箱冷量損失的實驗測定與保溫性能的改進

和 鵬粘權鑫，2方文振陶文銓

（1西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室 西安 710049；2東風柳州汽車有限公司 柳州 545000）

冰箱冷量損失的實驗測定與保溫性能的改進

和 鵬1粘權鑫1，2方文振1陶文銓1

（1西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室 西安 710049；2東風柳州汽車有限公司 柳州 545000）

本文通過實驗的方法研究了冰箱空載時的冷量損失規(guī)律，提出一種減小冷量損失的冰箱結構改進方案。首先將冰箱各壁面的散熱問題簡化為一維導熱模型。在全天候模擬實驗平臺上，為得到環(huán)境溫度對冰箱冷量損失的影響，設置環(huán)境相對濕度為80%，環(huán)境溫度分別為5～40℃（間隔為5℃）；為得到環(huán)境相對濕度對冰箱冷量損失的影響，設置環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境相對濕度分別為55% ～95%（間隔為10%）。在冰箱空載狀態(tài)下分別測量以上兩組條件下各壁面的內外表面溫度，再根據傅里葉導熱定律計算各壁面的熱流量，進而得到冰箱冷量損失與環(huán)境溫度和相對濕度的關系。結果表明：環(huán)境溫度升高時冰箱冷量損失增大；環(huán)境相對濕度對冰箱冷量損失幾乎沒有影響；樣本冰箱冷藏室后壁面的冷量損失明顯高于其他壁面，頂部冷量損失較小；對后壁面采取加厚絕熱層厚度的措施后降低了冰箱整體的冷量損失，同時為了保證冷藏室容積，減小冷藏室頂部絕熱層的厚度，最終各壁面冷量損失接近一致。

冰箱；冷量損失；導熱；改進

隨著生活水平的提高，冰箱作為常見的家用電器已進入很多家庭，冰箱又是持續(xù)工作的家用電器，其電力消耗在家庭用電中占了較大的比例。所以對冰箱節(jié)能降耗方面的研究具有重要意義。

D.P.Traviss等［1］將除霜控制系統(tǒng)操作過程與冰箱門的開合次數和持續(xù)時間進行了關聯(lián)，提出了優(yōu)化除霜系統(tǒng)開啟過程和時間的方法。H.Tuo等［2］提出了用閃蒸氣消除A／C系統(tǒng)來優(yōu)化微通道蒸發(fā)器內制冷劑的分布，減少壓降，從而提高系統(tǒng)效率。楊大海等［3］通過理論計算與反向熱泄漏測量、冰箱實際運行熱泄漏測量相結合的方法來測算冰箱的熱負荷，根據壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器的相應參數，進行發(fā)泡層厚度配置，得到冰箱各工況下各部位最佳發(fā)泡層厚度。此外，還有采用CFD模擬的方法研究冰箱的傳熱特性［4－6］，對冰箱內部結霜和除霜的研究［7－9］，對冰箱局部結構的設計和控制策略的研究［10－15］。上述各種方法雖取得了不錯的成果，但現有文獻中對冰箱在各種運行條件下各部位絕熱層的散熱大小及其相對的比例研究不夠，缺少可供設計參考的可靠數據。因此用實驗方法研究冰箱各個部分絕熱層厚度對冰箱散熱的影響具有重要意義。

本文采用實驗的方法研究冰箱冷量損失與環(huán)境溫度和相對濕度的關系，利用全天候模擬實驗平臺模擬環(huán)境條件，通過熱電偶測得冰箱內外壁面的溫度和傳熱學的基本關系式，獲得各部位的散熱量，在此基礎之上提出改變冰箱壁面絕熱層厚度的改進方案并加以驗證。

1 實驗方法

1.1 實驗原理

當環(huán)境溫度高于冰箱內部溫度時，由于工作時冰箱是封閉的，外界熱量只以導熱的形式傳遞到冰箱內部。冰箱保溫材料的導熱系數隨著溫度變化而變化，本實驗中首先測定了所測試冰箱保溫材料的導熱系數隨溫度的變化關系，如圖1所示。根據傳熱學的基本知識，冰箱壁面的傳熱現象可以簡化為變導熱系數的一維導熱問題，如圖2所示。在導熱系數和換熱面積已知的前提下，若測得冰箱壁面的內外側溫度，則單位時間內冰箱一個壁面的導熱量可用傅里葉定律表示為［16］：

圖1 冰箱隔熱材料導熱系數隨環(huán)境溫度的變化關系Fig.1 Variations of effective thermal conductivity of insulation materials with ambient temperature

圖2 變導熱系數一維導熱示意圖Fig.2 One?dimensional heat conduction model with the variable thermal conductivity

冰箱整體冷量損失計算：

冰箱一個壁面動態(tài)穩(wěn)定運行24 h的總導熱量?d，J：

式中：（t2－t1）i為冰箱某個壁面內外側的平均溫差，系將同一壁面上相對應各個點溫差做平均而得。例如某一區(qū)域有相對應的3對熱電偶101-201、102-202、103-203，則：

1.2 實驗平臺

實驗設備主要包括全天候模擬實驗平臺、樣本冰箱、銅康銅熱電偶、吉時利（Keithley）、帶吉時利測試軟件的計算機，整體布置如圖3所示。

圖3 實驗平臺Fig.3 Experiment platform

全天候模擬實驗平臺的技術參數為：1）工作室尺寸：20 m3；2）溫濕度技術要求：35% ～95%；3）溫度控制范圍：－60～100℃；4）相對濕度控制范圍：30% ～98%；5）溫度波動度：±0.3℃；6）溫度均勻度：±1℃；7）濕度均勻度：±3%RH；8）太陽輻射技術要求：輻射強度為 1120 W／m2、840 W／m2、560 W／m2、280 W／m2四檔；9）風速調節(jié)范圍：0.7～1.5 m／s。

本次實驗研究采用的樣本冰箱為美的BCD-310 WM冰箱，技術參數如表1所示。

表1 冰箱技術參數Tab.1 Technical parameters of fridge

1.3 實驗方案

實驗前用精度為0.03 K的鉑電阻對熱電偶進行了標定。熱電偶在冰箱上的布置如表2所示，表中每個數值乘以2表示壁面內外側布置等量的熱電偶，并且位置相對應。

表2 冰箱內外部溫度測試點布置Tab.2 Temperature test points of fridge

具體實驗方案為：

1）冰箱空載，環(huán)境濕度為80%，環(huán)境溫度分別設置為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃時，測量冰箱工作狀態(tài)處于動態(tài)穩(wěn)定時每個壁面內外側溫度的變化曲線；

2）冰箱空載，環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境濕度分別設置為55%、65%、75%、85%、95%時，測量冰箱工作狀態(tài)處于動態(tài)穩(wěn)定時每個壁面內外側溫度的變化曲線。

2 實驗結果

設定環(huán)境濕度為80%，環(huán)境溫度為5℃時冷藏室后側溫度變化如圖4所示，圖例中3位數字的熱電偶編號中第一位表示冰箱的內外側，其中1代表內側，2代表外側，后兩位則代表熱電偶標號。例如編號101就代表內表面標號為1的熱電偶。可以看出冰箱壁面外測溫度近似等幅波動，這剛好對應冰箱的工作狀態(tài)，即冰箱壓縮機工作，冰箱內壁面溫度下降，使外壁面溫度隨之降低；壓縮機停止工作，內壁面溫度上升，使外壁面溫度回升。環(huán)境溫度為5℃時冷藏室后側各測點溫差如圖5所示。

圖4 環(huán)境溫度為5℃時冷藏室后側溫度變化Fig.4 Temperature variation of the refrigerator back wall at ambient temperature being 5℃

圖5 環(huán)境溫度為5℃時冷藏室后側各測點溫差Fig.5 Temperature difference of the refrigerator back wall at ambient temperature being 5℃

圖5中Δx代表樣本冰箱壁面兩側標號為x的這對熱電偶所測溫差。例如：Δ12代表對應于編號為112和212的這對熱電偶的溫差。

由此兩圖可見在冰箱啟動后約300 min后其運行就進入周期性穩(wěn)態(tài)（即動態(tài)穩(wěn)態(tài)）的工況。

文中定義動態(tài)穩(wěn)定為冰箱在某一工況下運行300 min后的狀態(tài)，取300～600 min之間測量所得數據用于計算。

圖6所示為冰箱整體冷量損失隨環(huán)境溫度的變化曲線。冰箱整體冷量損失是各壁面損失的和，而各壁面冷量損失根據測點溫度計算。由圖6可知，當環(huán)境溫度大于冰箱內部溫度時，冰箱的整體冷量損失隨環(huán)境溫度的上升而增大。這是因為導熱系數λ—和內外壁溫差（t2－t1）隨著環(huán)境溫度的升高而上升，所以冰箱的整體冷量損失隨環(huán)境溫度的上升而增大。

表3所示為冰箱各壁面熱流量實驗結果。溫度是指測試時的環(huán)境溫度。可以看出，各個壁面的熱流量隨著環(huán)境溫度的上升而上升，冰箱左右兩側的熱流量相差不明顯，冷藏室后側的熱流量變化較大，特別是環(huán)境溫度上升到15℃以上時，其熱流量顯著大于冰箱其他壁面。

圖6 冰箱整體冷量損失隨環(huán)境溫度的變化曲線Fig.6 The relation between the total cold loss of fridge and ambient temperature

表3 改進前冰箱各壁面熱流量實驗結果（W／m2）Tab.3 The calculated heat flux among different walls before improvement（W／m2）

圖7所示為環(huán)境溫度為25℃時，樣本冰箱冷量損失隨濕度的變化曲線。可知冷量損失基本為一條平行直線，說明樣本冰箱冷量損失隨濕度變化不大。由于冰箱的絕熱材料被表層包裹，濕度變化不直接作用于絕熱材料，故濕度的變化過程對絕熱材料導熱系數λ—沒有影響。所以冰箱的整體冷量損失隨環(huán)境濕度的變化基本可以忽略。

3 分析及改進

圖7 整體冷量損失隨環(huán)境濕度變化曲線Fig.7 The relation between the whole cold loss of fridge and the ambient humidity

通過分析樣本冰箱工作過程中內部氣流的流動規(guī)律，發(fā)現冰箱冷藏室制冷作用由冷凍室的冷空氣通過風扇從冷藏室后側吹到冷藏室內產生，導致冷藏室后側存在強制對流的現象。由于從冷凍室吹來的風溫要低于冷藏室溫度，所以冷藏室后側的壁面溫度要普遍低于冷藏室其他各壁面。導致冷藏室后側壁面的內外溫差加大，對應導熱熱流量增大。由熱阻的概念分析可知當壁面兩邊溫度一定時，壁面的厚度會影響熱流量的大小。所以，通過增加冰箱冷藏室后壁面中絕熱材料的厚度，可以減少冷量損失。因此，取冷藏室后壁面內外壁溫度為定值，改變絕熱層厚度，由計算得到如圖8所示通過后壁面的冷量損失隨絕熱層厚度的變化關系曲線。

由圖8可知，通過冰箱后壁面的冷量損失隨絕熱層厚度增加而減少，但考慮到絕熱層厚度不能無限制的增加，因此選擇將冷藏室后側的絕熱層厚度由35.5 mm增加至55.5 mm。同時由于冷藏室頂部的熱流量較小，為了彌補冷藏室后側增厚導致的冷藏室容積的減少，將冷藏室頂部的絕熱層厚度從31.5 mm降低至25 mm。

圖8 25℃時冷量損失隨冷藏室后壁絕熱層厚度變化Fig.8 The relation between the thickness of refrigerator back wall and the cold loss at ambient temperature being 25℃

改進后冰箱各壁面熱流量分布如表4所示。可看出冷藏室后側熱流量大幅度減小，并且冰箱各壁面散熱的均勻性有顯著改善。

表4 改進后冰箱各個壁面熱流量（W／m2）Tab.4 The heat flux of each wall after improvement（W／m2）

圖9所示為改進后冰箱整體冷量損失減少率隨環(huán)境溫度的變化關系。定義冰箱整體冷量損失減少率為改進前后整體冷量損失的差值與改進前整體冷量損失的比值。可以看出，改進后冰箱整體冷量損失在溫度區(qū)間5～40℃的范圍內均減少，并且隨著環(huán)境溫度的升高冷量損失減少率明顯增大，環(huán)境溫度為40℃時，冷量損失減少率達到10.9%。冰箱一般在室溫（25℃）條件下工作，這時的冷量損失減少率為6.67%，冰箱的使用年限為12～15年［17］。按12年計算，室溫為25℃時冷量減少量換算成電量為184 kW·h。

圖9 改進后冰箱整體冷量損失減少率隨環(huán)境溫度的變化Fig.9 The relation between the total cold loss decrease rate of fridge and the ambient temperature after improvement

4 結論

本文利用全天候模擬實驗平臺模擬環(huán)境條件，在冰箱空載狀態(tài)時，設置環(huán)境相對濕度為80%，環(huán)境溫度分別為5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃；設置環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境相對濕度分別為55%、65%、75%、85%、95%。在以上條件下采用熱電偶測量冰箱各壁面的內外表面溫度，根據傅里葉導熱定律計算各壁面的熱流量進而得到冰箱各壁面的冷量損失量。在分析及改進后，得到如下結論：

1）環(huán)境濕度對冰箱冷量損失幾乎沒有影響。

2）樣本冰箱左右兩側冷量損失沒有較大差別，冷藏室后壁面冷量損失明顯大于其他各壁面。

3）對后壁面采取增加絕熱層厚度的措施降低了冰箱的冷量損失，同時為了保證冷藏室容積，減小冷藏室頂部絕熱層的厚度，最終使各壁面冷量損失接近一致，使總的冷量損失有所減小。

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Measurement of Refrigerator Cooling Capacity Loss and Improvement
of Its Thermal Insulation

He Peng1Nian Quanxin1，2Fang Wenzhen1Tao Wenquan1
（1.Key Laboratory of Thermo-fluid Science and Engineering of MOE，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou，545000，China）

In the present paper，the cold loss of a fridge when unloaded was studied through an experiment，and an improvement was proposed.First，the heat transfer process between the fridge interior and the external environment was simplified into a one-dimensional heat conduction process.On an all-weather simulation experiment platform，to investigate the effect of ambient temperature on cooling capacity loss，the ambient temperature was set to 5，10，15，20，25，30，35，and 40℃ with a fixed ambient relative humidity of 80%.To investigate the effect of ambient humidity on cooling capacity loss，the ambient relative humidity was set to 55%，65%，75%，85%，and 95%with a fixed ambient temperature of 25℃.The temperature of the inner and outer walls for every combination of the above two series of parameters was measured when the refrigerator was unloaded.According to the Fourier heat conduction law，the heat flux of each wall can be obtained，and then the cold loss is calculated.The results show that the cold loss of the refrigerator increases with ambient temperature，and the ambient humidity has no effect on cooling capacity loss.The cold loss of the refrigerator back wall is obviously greater than that of the other walls，while that of the top wall is smaller.The insulation of the refrigerator back wall is thickened to decrease the entire cold loss，and the insulation of the refrigerator top wall is made thinner to guarantee the refrigerator storage capacity.This leads to an approximately uniform cold loss distribution of the refrigerator walls.

refrigerator；cooling capacity loss；heat conduction；improve

TB61＋1；TM925.2；TK124

：A

0253－4339（2017）03－0070－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.070

陶文銓，男，教授，西安交通大學，能源與動力工程學院，熱流科學與工程教育部重點實驗室，（029）82669106，E-mail：wqtao＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn。研究方向：先進的傳熱與流動數值模擬方法及其工程應用；強化傳熱與節(jié)能技術及其工程應用；能源與環(huán)境工程問題的多尺度模擬；微細尺度結構中的流動與傳熱問題；航天航空工程中的熱流科學問題；新能源與可再生能源的應用基礎研究；湍流模型及工程應用；能效評估與能源經濟。

國際合作重點基金（51320105004）資助項目。（The project was supported by the Key Project of International Joint Research of NNSFC（No.51320105004）.）

2016年9月13日

About the corresponding author

Tao Wenquan，male，professor，Key Laboratory of Thermo-fluid Science and Engineering of MOE，School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，＋86 29-82669106，E-mail：wqtao＠m(xù)ail.xjtu.edu.cn.Research fields：advanced computational methods in fluid flow and heat transfer and their engineering applications；heat transfer enhancement＆ energy-saving techniques and their applications；multiscale simulations of problems in energy and environmental engineering；fluid flow and heat transfer in mini-micro-nano structures；thermal and fluid science problems in aerospace engineering；fundamental studies of sustainable and renewable energy；turbulence modeling and its engineering applications；energy-efficiency evaluation and energy economics.