冰箱用新型翅片蒸發器性能分析研究

陳開松 高冬花

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

節能一直是國家政策、冰箱企業和消費者關注和追求的目標，從發達國家到發展中國家，對電冰箱能效要求不斷提高。2019年中國家電技術大會上提出了中國家用電冰箱研發路線圖，主要包括節能、低碳環保、產品結構升級、保鮮健康與新材料等,其中節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 %。

當前，風冷冰箱節能技術研究的一個重點方向為翅片蒸發器高效換熱技術。翅片蒸發器換熱提效的方向主要包括翅片蒸發器結構設計、翅片與管道表面的涂層設計及化霜控制邏輯設計等。翅片蒸發器結構設計方案由順排、斜插到當前的扭角拉脹，單體性能方面基本上達到了最高狀態，故高效翅片蒸發器的設計基本達到了一個瓶頸階段。翅片蒸發器的涂層應用研究方面，主要為親水涂層與疏水涂層用的比較廣泛，實際對冰箱節能有一定的效果，但總體而言效果不是很理想，有進一步優化的空間。化霜控制邏輯設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，需設計出一種新型高效翅片蒸發器，確保翅片蒸發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計目標。

1 具體方案

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

1.1 蒸發器涂層選擇

冰箱用翅片蒸發器，行業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保化霜水可以在翅片蒸發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。翅片蒸發器表面用親水材料，可以確保化霜水與翅片蒸發器的翅片、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用更適合冰箱整機運行過程中的翅片蒸發器換熱性能的提升。

關于疏水性材料，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，該圖顯現了采用疏水性材料后的水與接觸面的接觸現狀，接觸面較小，水在重力作用下可以直接流走。關于翅片蒸發器表面用疏水材料，可以確保化霜水在化霜過程以及化霜結束后可以快速脫離翅片與管道，達到縮短滴水時間的目標。

與翅片蒸發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用更適合冰箱整機化霜過程中的翅片蒸發器化霜水快速排出的設計要求。

基于以上分析需要尋找一種材料，可以應用于翅片蒸發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。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，導熱性能優良，故應用較為廣泛。本項目在蒸發器表面（包括蒸發器管道、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 石墨烯蒸發器與整機性能測試

1.2.1 石墨烯蒸發器性能測試

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

采用的換熱器換熱量測試設備主要由蒸發器管內側的熱水系統與管外側的風循環系統兩部分組成，其中蒸發器管內側的熱水系統主要包括恒溫熱水箱、水泵、水流量計以及蒸發器進、出口測溫熱電偶與連接管道等，管外側的風循環系統主要包括風道、風流量計與風道進口側溫度熱電偶等。相關實驗設備裝置見圖3 ，翅片蒸發器置于此實驗設備的風道中。

實驗數據處理方面，翅片蒸發器管內側的熱水換熱量與管外側的風循環換熱量的數值誤差控制在5 %以內，重點記錄管內側熱水的換熱量，作為翅片蒸發器改進前后換熱性能優劣的對比數據。

1.2.2 冰箱整機用石墨烯蒸發器性能測試

圖1 親水表面水的分布狀態

圖2 疏水表面水的分布狀態

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

在滿足國家標準規定要求的型式實驗室中，將冰箱載體樣機按照測試標準要求擺放，內部布置測溫銅質圓柱探頭，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，得出對應的整機耗電量。按照電冰箱相關的國家標準（GB 12021.2-2015）得出16 ℃與32 ℃環溫下的穩態能耗、化霜能耗以及整機標準耗電量。通過對比分析兩款不同蒸發器應用條件下的整機穩態耗電量與化霜能耗，得出該款改進后的石墨烯涂層蒸發器性能優劣對比數據，給出分析結果。

2 結果分析

2.1 翅片蒸發器換熱量對比結果

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。依托石墨烯具有優良的導熱性能，可以彌補當前工藝下的翅片蒸發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器單體的換熱性能。

將BCD-250W冰箱用原狀態的與涂覆石墨烯的蒸發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果見表1所示。從表中可知，翅片蒸發器涂覆石墨烯涂層后，單體換熱量較原狀態提高約17.8 %，實現了翅片蒸發器換熱量提升設計要求。

2.2 整機性能驗證結果

圖3 換熱器換熱量測試設備

圖4 BCD-250W冰箱載體

圖5 兩種翅片蒸發器樣件

表1 圖5兩種類型翅片蒸發器換熱量數據

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 ℃環溫下的穩態能耗、化霜能耗以及整機標準耗電量，詳細結果見表2。就相關結果分別進行介紹：

1）穩態能耗方面

在32 ℃環溫下，BCD-250W冰箱的穩態能耗由0.729 kWh/24 h變為0.727 kWh/24 h，降低約0.27 %，降低比率較小。

在16 ℃環溫下，BCD-250W冰箱的穩態能耗由0.301 kWh/24 h變為0.3 kWh/24 h，降低約0.33 %，降低比率也較小。

綜合以上16 ℃與32 ℃兩種環溫下的冰箱穩態對比來看，穩態耗電量降低比率較小，具有一定的節能效果，可能主要是因為石墨烯的加入彌補了蒸發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的疏水性，霜化成水之后可以快速地離開蒸發器表面，蒸發器表面殘存水量少，下一次化霜后殘存的化霜水結冰就少，換熱器換熱性能得到進一步提升。

2）化霜能耗方面

在32 ℃環溫下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.071 kWh/24 h變為0.059 kWh/24 h，降低約1.7 %。

在16 ℃環溫下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.039 kWh/24 h變為0.033 kWh/24 h，降低約1.5 %。

綜合以上16 ℃與32 ℃兩種環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 %，節能效果比較好，主要是因為石墨烯是優良的熱導體，在實際的化霜過程中，當底部涂覆石墨烯的結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，加速了石墨烯蒸發器的換熱速度，進一步縮短了化霜時間，達到了化霜節能的設計目標。

3）整機標準耗電量方面

整機標準耗電量是根據GB 12021.2-2015的要求，依托16 ℃與32 ℃環溫下的穩態與化霜能耗，加之特定的標準耗電量計算公式得出來的。標準耗電量從0.56 kWh/24 h降低為0.55 kWh/24 h，耗電量降低比率為1.78 %，達到了整機節能降耗的設計目標。

表2 整機耗電量對比結果

3 結論

依托翅片蒸發器換熱量測試設備，對涂覆石墨烯蒸發器與原狀態蒸發器進行單體換熱量與整機性能對比驗證。噴涂石墨烯蒸發器比原狀態蒸發器的單體換熱量提升15 %以上，應用于冰箱載體中，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，故應用石墨烯涂層的翅片蒸發器達到節能效果是未來的一個研究方向。