風(fēng)冷冰箱化霜加熱器性能研究

孟憲春 李同琴 任 偉 周 揚(yáng) 李 頡

（1.合肥聯(lián)寶信息技術(shù)有限公司，合肥 230601；2.合肥美的電冰箱有限公司，合肥 230601）

風(fēng)冷冰箱由于冷卻速度快、容積大、無需人工除霜等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為冰箱行業(yè)的主流產(chǎn)品。常規(guī)的風(fēng)冷冰箱化霜加熱器有鋼管加熱器、石英管加熱器和鋁管加熱器3種。國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)3種加熱器的特性進(jìn)行了充分研究。研究表明：鋁管加熱器發(fā)熱量較低而石英管加熱器易破損，導(dǎo)致二者的應(yīng)用范圍有限；鋼管加熱器管材耐用，可靠性高，應(yīng)用范圍最廣泛[2-4]。本文以不同規(guī)格、材質(zhì)的鋼管加熱器作為研究對(duì)象，研究不同米功率、表面材質(zhì)等因素條件下，鋼管加熱器的表面溫度的變化規(guī)律，從而為冰箱用鋼管加熱器的設(shè)計(jì)和選型提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和測試系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

圖1為普通鋼管加熱器的剖面圖。不同規(guī)格的鋼管加熱器，選用的發(fā)熱絲、氧化鎂粉末類型以及表面鋼管的材質(zhì)均不同。本文對(duì)3種不同規(guī)格的鋼管加熱器的表面溫升進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，具體見表1。

表1 3種不同規(guī)格的鋼管加熱器的基本參數(shù)

圖1 普通鋼管加熱器剖面圖

1.2 測試方法與樣品類型

為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先研究兩種不同的熱電偶布設(shè)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的影響，即分別采用熱電偶探頭纏繞鋼管固定法和銅箔包裹熱電偶探頭法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在焓差法實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，環(huán)境溫度為25.0 ℃±0.8 ℃，相對(duì)濕度為65%。數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 s。

1.3 測試結(jié)果

測試過程中，加熱器的運(yùn)行功率均被調(diào)整到326 W左右。圖2曲線為分別采用熱電偶探頭纏繞法和銅箔包裹的方法對(duì)鋼管加熱器規(guī)格2進(jìn)行的溫度測量結(jié)果。從數(shù)據(jù)可以看出，熱電偶探頭纏繞法結(jié)果差異較大。一方面，鋼管表面最大溫度比用銅箔包裹法低了近100 ℃；另一方面，不同測點(diǎn)溫差大，超過了100 ℃。其余兩種規(guī)格也分別做了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果類似。

圖2 兩種方法對(duì)同一樣件的測試結(jié)果對(duì)比

熱電偶測試誤差可用式（1）計(jì)算[5]：

式中：Tg代表熱電偶附近的氣體溫度；T代表熱電偶的實(shí)際溫度；Tw代表焓差室壁面溫度。由式（1）可知，當(dāng)熱電偶探頭裸露在空氣中時(shí)，測量誤差與其自身溫度的4次方成正比。它的表面溫度越高，測量誤差越大，故銅箔包裹的測試結(jié)果更可信。

圖3為采用銅箔包裹法對(duì)上文提出的3種不同規(guī)格的樣件進(jìn)行測試后的最高溫度對(duì)比圖。其中，由于一般的T型熱電偶無法測量400 ℃以上的高溫，所以樣件1采用了K型熱電偶進(jìn)行測試。從圖3的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，影響鋼管加熱器表面最大溫度的因素主要是米功率。對(duì)比規(guī)格1和規(guī)格2，相同鋼管材質(zhì)條件下，米功率從1.27 W·cm-2降低到0.80 W·cm-2，加熱器的最高溫度降低100 ℃左右。此外，鋼管加熱器表面材質(zhì)也對(duì)加熱器的最大溫升有一定影響。對(duì)比規(guī)格2和規(guī)格3發(fā)現(xiàn)，相同米功率條件下，材質(zhì)由304鋼改為840鋼，最高溫度可降低30～50 ℃。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，較為可信。

圖3 3種不同規(guī)格鋼管加熱器安規(guī)最高溫度對(duì)比

2 鋼管加熱器熱物性測量

2.1 表面發(fā)射率

304鋼是一種常見的鋼材材質(zhì)，很多作者都對(duì)其光譜發(fā)射率進(jìn)行過深入研究。研究結(jié)果表明，在鋼管加熱器工作溫度范圍內(nèi)，304鋼的平均發(fā)射率約為0.6。本文利用傅立葉光譜儀對(duì)840材質(zhì)鋼在350 ℃下的光譜發(fā)射率進(jìn)行測試。圖4為傅里葉紅外光譜儀（BRUKERVERTEX80）、測試附件以及樣件測試前后的對(duì)比圖片。

圖4 傅立葉紅外光譜儀和測試前后樣件圖片

圖5為840鋼樣品在350 ℃條件下，2.5～25 μm波長范圍內(nèi)的光譜發(fā)射率以及其光譜發(fā)射功率曲線圖。從數(shù)據(jù)計(jì)算可得，在冰箱化霜時(shí)所用到的近紅外波段內(nèi)（2.5～11.0 μm），鋼管加熱器的平均光譜發(fā)射率約為0.8。

圖5 840樣品的光譜發(fā)射率和光譜發(fā)射功率

3 結(jié)論

本文不僅分析了鋼管加熱器工作過程中不同的布點(diǎn)方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，還分析了不同的米功率、材質(zhì)對(duì)其最大溫度的影響，結(jié)論如下：

（1）鋼管加熱器在工作過程中，裸露的熱電偶對(duì)環(huán)境的輻射換熱會(huì)造成較大的測量誤差，為減少此測量誤差，必須采用窄而薄的耐高溫金屬片將其端部包裹在加熱器上進(jìn)行測試；

（2）通過單體熱物性測試表明，840材質(zhì)的鋼管加熱器表面發(fā)射率為0.8，而304材質(zhì)的鋼管加熱器表面發(fā)射率為0.60；

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：米功率從1.27 W·cm-2降低到0.8 W·cm-2時(shí)，加熱器表面最大溫度可以降低100 ℃；而相同米功率和測試功率條件下，840材質(zhì)比304材質(zhì)的加熱器表面最大溫度降低30～50 ℃。