風(fēng)冷冰箱化霜控制分析研究

劉 雷 李培培

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

風(fēng)冷冰箱，又稱無霜冰箱，由于可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化霜，不用手工除霜，使用方便，已成為國內(nèi)消費(fèi)者購買冰箱的首選，其制冷原理就是利用翅片蒸發(fā)器中制冷劑相變吸熱及以風(fēng)扇為動(dòng)力的強(qiáng)制對流換熱方式使冰箱內(nèi)部實(shí)現(xiàn)降溫。由于冰箱內(nèi)儲存的食物含有水分，且冰箱在開關(guān)門的過程中也會(huì)進(jìn)入一定的水蒸汽，這些水蒸汽會(huì)隨著冰箱風(fēng)循環(huán)流經(jīng)翅片蒸發(fā)器的表面時(shí)形成霜層[1]。

目前，現(xiàn)有的風(fēng)冷冰箱化霜控制方式普遍采用以壓縮機(jī)累計(jì)工作時(shí)間和冰箱開門時(shí)間為基礎(chǔ)換算總計(jì)時(shí)的方式，即壓縮機(jī)累計(jì)工作時(shí)間和冰箱開門時(shí)間為基礎(chǔ)進(jìn)行公式換算的結(jié)果為總計(jì)時(shí)，當(dāng)總計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)冰箱啟動(dòng)化霜[2]。

但是，現(xiàn)有的許多風(fēng)冷冰箱只有冷藏室有開關(guān)門檢測裝置，而冷凍/變溫間室則沒有。冰箱在冷凍/變溫室開門時(shí)，大量濕空氣進(jìn)入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器快速滿霜，而總計(jì)時(shí)值不能隨之增加，且冰箱不能及時(shí)化霜，就會(huì)導(dǎo)致上述所述的食物變質(zhì)，風(fēng)扇打冰、堵轉(zhuǎn)等問題。為解決此問題，設(shè)計(jì)師大多會(huì)采用縮短化霜周期的措施來提高冰箱在惡劣工況下化霜的可靠性，但同時(shí)也增加了冰箱在正常工況的化霜頻次，造成過度化霜，產(chǎn)生不必要的化霜功耗[3]。

對此，本文選擇兩門風(fēng)冷BCD-338W冰箱為研究載體，通過相應(yīng)的試驗(yàn)測試，分析出冷藏制冷時(shí)間與蒸發(fā)器結(jié)霜量的關(guān)系，設(shè)計(jì)出以冷藏制冷時(shí)間為依據(jù)的單循環(huán)風(fēng)冷冰箱化霜控制方法，使冰箱達(dá)到“準(zhǔn)確化霜，及時(shí)化霜”的目的。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

本次實(shí)驗(yàn)所用樣機(jī)是型號為BCD-338W的單循環(huán)風(fēng)冷兩門冰箱，為上藏下凍結(jié)構(gòu)。該樣機(jī)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、毛細(xì)管和蒸發(fā)器等部分組成，其冷藏風(fēng)門開關(guān)由冷藏傳感器控制，壓縮機(jī)的啟停由冷藏傳感器和冷凍傳感器控制。冰箱所用蒸發(fā)器是一個(gè)三排五列的拉脹翅片管式（如圖1所示），冷凝器為內(nèi)置冷凝器。

圖1 蒸發(fā)器組件

1.2 測試方法分析

本文所用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均是在環(huán)境溫度為32 ℃，相對濕度為80 %的條件下取得。實(shí)驗(yàn)過程中，采用銅-康銅熱電偶來測量溫度；在箱體內(nèi)部均布置有溫度測點(diǎn)，監(jiān)測冰箱運(yùn)行期間各測點(diǎn)的溫度變化。數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 s；同時(shí)采用數(shù)字測試儀測量冰箱的運(yùn)行功率和耗電量。另外在測試過程中冰箱冷藏、冷凍室溫度分別設(shè)定為4 ℃和-18 ℃。

如圖2所示，t1、t2為化霜后冰箱制冷穩(wěn)定段冷藏單次制冷時(shí)間長度，tp為t1、t2均值，tn為冰箱化霜前最后一次完整的冷藏單次制冷時(shí)間長度，Ts為冰箱化霜周期，即兩個(gè)相鄰化霜之間的間隔時(shí)間長度，Vs為冰箱每次化霜所產(chǎn)生的化霜水容積，△E為化霜能耗。本次試驗(yàn)主要研究分析在一個(gè)的化霜周期內(nèi)隨著蒸發(fā)器結(jié)霜量的增加，冷藏每次制冷時(shí)間長度的變化規(guī)律，并以冰箱化霜周期Ts為變量，分別取Ts=10 h、15 h、20 h、25 h、30 h、35 h、40 h共7組狀態(tài)下，驗(yàn)證測試并計(jì)算出tp、tn、Vs、△E、tn/tp共6個(gè)數(shù)值，如表1 所示。

2 化霜控制分析

2.1 結(jié)霜過程分析

如圖2所示，冰箱化霜完成后，蒸發(fā)器風(fēng)阻較小，換熱效率高，冷藏降溫速度快，如表1所列，tp值均在16 min上下，在較短的時(shí)間內(nèi)完成了一個(gè)冷藏制冷周期，但隨著冰箱累計(jì)運(yùn)行時(shí)間遞增，霜層逐漸加厚，風(fēng)路系統(tǒng)阻力逐漸變大，風(fēng)循環(huán)效率降低，制冷效果變差，進(jìn)而導(dǎo)致冷藏單次制冷時(shí)間tn逐漸變大。

表1 結(jié)霜試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表

如圖3所示，隨著化霜周期Ts值從10 h增至40 h，tn值也在快速增加，當(dāng)化霜周期升到35 h以上后，tn和tp比值升至2.0以上，冷藏降溫速度下降明顯，說明此階段冰箱制冷效率很差，蒸發(fā)器已接近霜滿狀態(tài)。由此可以得出一個(gè)結(jié)論：在一個(gè)化霜周期內(nèi)隨著蒸發(fā)器結(jié)霜量的增加，冰箱制冷效率會(huì)逐步下降，冷藏單次制冷時(shí)間也逐漸加長，反之，若根據(jù)冷藏制冷時(shí)間的變化，也能間接反映出冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜量的多少。

2.2 化霜周期控制

如上文所述，風(fēng)冷冰箱持續(xù)制冷，蒸發(fā)器結(jié)霜量不斷增加，冰箱累計(jì)制冷時(shí)間越長，蒸發(fā)器結(jié)霜量就越多。如圖3所示，化霜周期Ts在10 h至25 h，化霜水量Vs值增速較快。此階段是蒸發(fā)器霜層由少到多的快速增長期，也是冰箱高效率制冷運(yùn)行時(shí)期。化霜周期Ts在25 h之后，化霜水量Vs值曲線平緩，在此階段冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜量較多，已接近滿霜，同時(shí)，tn值相對較大，較前階段冷藏單次制冷時(shí)間增加很多，冰箱制冷效率很低，此時(shí)冰箱若再繼續(xù)制冷，不僅會(huì)增加運(yùn)行耗電量，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致冷凍風(fēng)道內(nèi)部結(jié)霜、結(jié)冰，故冰箱應(yīng)立即停止制冷并啟動(dòng)化霜，待化霜結(jié)霜后再恢復(fù)制冷。其次，化霜周期Ts從10 h增至30 h、40 h，化霜增量△E并沒有同倍數(shù)增長，由此可見，在保證冰箱制冷運(yùn)行正常的前提下，應(yīng)僅可能地延長化霜周期，有助于降低冰箱運(yùn)行能耗。

圖3 結(jié)霜試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析圖

針對上述驗(yàn)證分析結(jié)果，冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜多寡，影響冷藏制冷時(shí)間長短，反之，根據(jù)冷藏制冷時(shí)間的變化，亦可間接反應(yīng)出蒸發(fā)器結(jié)霜量多少，并判定冰箱是否需要啟動(dòng)化霜。對此，本文提出一個(gè)新的單循環(huán)風(fēng)冷冰箱化霜控制方法：如圖2所示，在冰箱正常制冷時(shí)，判斷冷藏室當(dāng)前制冷周期內(nèi)制冷時(shí)間與化霜結(jié)霜后穩(wěn)定運(yùn)行階段若干次冷藏制冷時(shí)間平均值的比值是否大于等于與預(yù)設(shè)值；若是，則判定蒸發(fā)器為滿霜，立即啟動(dòng)化霜；若不是，則判定蒸發(fā)器未滿霜，冰箱繼續(xù)進(jìn)行制冷，具體如下：當(dāng)時(shí)，冰箱停止制冷并啟動(dòng)化霜，否則冰箱繼續(xù)制冷，其中tp為化霜后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)段冷藏單次制冷時(shí)間平均值，tn為當(dāng)前冷藏制冷周期內(nèi)制冷時(shí)間長度，k值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，一般取值在1.5～2.5之間。

3 總結(jié)

本文提供的一種單循環(huán)風(fēng)冷冰箱化霜控制方法，可以有效補(bǔ)充現(xiàn)有化霜控制方式，使冰箱化霜更加智能，可保證除冷凍間室外的其他間室在遇到霜堵時(shí)能夠及時(shí)地恢復(fù)制冷，可使冰箱化霜更加準(zhǔn)確及時(shí)，避免了出現(xiàn)因蒸發(fā)器滿霜導(dǎo)致冰箱制冷效果差或不制冷，以及因化霜不及時(shí)導(dǎo)致冷凍風(fēng)扇結(jié)霜、扇葉周圍積冰，進(jìn)而出現(xiàn)扇葉打冰、冰堵的異常噪聲的問題，同時(shí)又杜絕了為保證化霜可靠性使冰箱過度化霜浪費(fèi)電能的問題，做到“及時(shí)化霜、準(zhǔn)確化霜”。本文的研究成果豐富了冰箱的化霜控制方法，為單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱的化霜設(shè)計(jì)改善提供重要的設(shè)計(jì)參考。