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冰柜毛細管外面結冰是怎么回事(冰柜毛細管結露是什么原因)

 

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前沿拓展：劉霞 韋自妍 劉忠寶

北京工業大學環境與生命學部

摘要

Abstract

商超冷柜因箱體內無霜、可利用空間大、清潔衛生等優點得到了快速的發展，但同時也因其蒸發器表面除霜耗電量大的缺點受到局限。除霜尤其是冬季除霜對商超冷柜來說是十分重要的話題。熱氣旁通除霜方式的運用減小了傳統電熱除霜的功耗，但是也存在低溫環境下壓縮機吸氣溫度低、除霜時間長等問題。為解決上述除霜問題，對商超風冷無霜立式冷凍柜原有的熱氣旁通除霜管路進行改造，提出一種新型蓄熱化霜系統。通過在系統中添加相變蓄熱換熱器來蓄存系統運行時的冷凝熱，并在系統熱氣旁通除霜過程中釋放熱量，以提升壓縮機的吸氣溫度。通過將改裝后系統與原系統在不同環境溫度下進行除霜性能測試，得出如下結論：在冬季氣溫下，改裝后系統的除霜時間縮短為原系統的5%，除霜功耗減小為原來的5.6%，可以解決原系統冬季除霜效率低的問題。

關鍵詞

Keywords

商超柜除霜；熱氣旁通除霜；冷凝熱蓄熱

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2021.05.008

1 引言

隨著全球能源危機和溫室效應等問題的出現，世界各國開始注重能源的高效利用，綠色節能已逐漸成為各國的共識。在2020年習近平總書記對我國的碳排放提出新的達峰和中和目標[1]，如何建立可持續利用的能源體系成為有待解決的關鍵問題。近兩年新冠肺炎疫情的暴發，使人們意識到保鮮的重要性，而冷柜因儲藏量大的優點，在食物等物品的保鮮方面占有重要的地位。根據產業在線數據顯示，冷柜2020年全年銷量比2019年同比增長39.7%[2]。但同時也因其蒸發器表面除霜耗電量大的缺點受到局限，這對冷柜來說是十分關鍵的問題。大多商用冷柜采用的除霜方式是熱氣旁通除霜[3]，但是這種除霜方式在較低的環境溫度下，除霜速度慢[4]，并且隨著除霜過程的進行，壓縮機吸氣溫度降低，會造成能耗增加。

目前研究解決熱氣除霜存在問題的研究主要在空氣源熱泵和空調方面，在冷柜方面幾乎沒有。劉忠寶等人[5][6]通過在冰箱壓縮機殼體外側添加相變材料蓄熱，在系統除霜的過程中，將壓縮機殼體廢熱用于提升來自蒸發器的低溫制冷劑的溫度，來避免壓縮機持續回液問題的發生。林金煌[7]等人研究空調并行分流熱氣除霜，使得除霜時間與常規除霜時間相比縮短25%。余萌[8]設計一種與空氣源熱泵結合的相變蓄熱裝置，通過模擬在嚴寒地區運行情況，發現除霜性能可得到明顯提高，并且供熱更加穩定。

結合前人的研究，為了解決在冷柜熱氣旁通除霜中存在的問題并節省能耗，本文以熱氣旁通除霜方式的風冷冷凍柜為研究對象，通過在系統中添加相變蓄熱換熱器來回收冷凝熱，并在除霜時釋放熱量提升壓縮機吸氣溫度，從而提高除霜功率，加快除霜過程，以解決現存的較低環境溫度下除霜時間長、除霜功耗大和除霜效果差的問題，并且通過在不同運行模式下的性能和功耗對比實驗，從而分析得出結論。

2 系統設計

2.1 蓄熱材料的選擇

由于本實驗是通過添加蓄熱換熱器來收集系統中冷凝熱的，因此壓縮機的排氣溫度Tc直接決定了蓄熱材料熔點溫度，進而影響了相變蓄熱材料的選取。本文分別對-7℃、0℃和25℃環境溫度下壓縮機的排氣溫度Tc進行測定，實驗所得數據如圖1所示。經測定25℃環境溫度下壓縮機平均排氣溫度為95℃，0℃環境溫度下壓縮機平均排氣溫度為63℃，-7℃環境溫度下壓縮機的平均排氣溫度為60℃。由此可以得出，在選取相變蓄熱材料時其相變溫度不可高于95℃，考慮到低溫環境下的除霜情況，最終應選擇相變溫度不高于60℃的相變蓄熱材料。

 

 

圖1 不同環境溫度下壓縮機的排氣溫度

為了選出導熱能力更強的蓄熱材料，對三種材料進行熔化時長、熔化速度、熔化溫度的測試。材料1為20g純石蠟，材料2中添加有5%的石墨，材料3中含有5%的膨脹石墨。實驗過程中以材料1為對照組，材料2和材料3為實驗組。實驗方法為：將室溫約25℃下的材料1、材料2和材料3放入90℃下的恒溫油浴中，進行熔化實驗，材料熔化過程如圖2所示。根據三種材料溫度變化曲線和實驗觀察，添加5%的石墨和添加5%的膨脹石墨后都可以縮短熔化時間。但是添加膨脹石墨會增加材料的體積，對本系統來說是不利的。因此本文選取能量密度最高的64號切片石蠟（即純石蠟）為相變蓄熱材料。經過差示掃描量熱法進行蓄熱材料的熱物性測定，結果顯示選取相變蓄熱材料石蠟的相變潛熱為128.9kJ/kg，樣品開始熔化的溫度為61.8℃，熔化結束的溫度為72.4℃，符合本文所需的相變蓄熱材料要求。

圖2 材料1、2、3熔化實驗

2.2 蓄熱換熱器的設計

通過測定除霜過程中系統的功耗，確定霜層從固態變為液態的所需的熱量，進而確定相變蓄熱材料的添加量。通過計算可以得出系統在除霜過程中需要為霜層提供的功耗為0.0653kW•h。

因此蓄熱材料需求的質量mP為：

 

式中：mP為所需相變蓄熱材料的質量，W為一個除霜過程的耗功，?h為相變蓄熱材料的相變潛熱。

由于添加電磁閥成本較高，為了減少使用電磁閥的數量，因此采用雙回路蓄熱換熱器。因蓄熱材料石蠟的導熱系數較小，為了加速蓄存熱量的使用速度和效率，本文采用蓄存熱量的管道和釋放熱量的管道叉排分布的方式，以充分利用蓄熱材料中蓄存的熱量。在系統改造中，為了不對系統中的壓力平衡造成影響，采用相同管徑的銅管和相同管程換熱器。本換熱器的部分工藝要求如下：換熱器最終尺寸為長190mm，寬170mm，高150mm，采用16排12孔，排間距為12.8mm，孔間距為21mm。鋁箔采用親水鋁箔，鋁箔的厚度為0.115mm，翅片間距為1.8mm。制作完成后的換熱器如圖3所示。

圖3 蓄熱換熱器

通過計算得出相變蓄熱材料的添加量mP為1.825kg，則填充石蠟所需體積VP約為：

 

式中：VP為所需相變蓄熱材料的體積，ρ為相變蓄熱材料的密度。由于換熱器兩側有長約30mm的管道彎頭，因此含有翅片的管道長度為160mm，則可以得此換熱器的翅片最小孔隙率ε為：

 

式中：ε為換熱器翅片的最小孔隙率。

2.3 實驗裝置改進

通過進行不同環境溫度下原系統除霜性能實驗驗證，證實在較低的環境溫度下冷凍柜熱氣旁通除霜存在壓縮機排氣溫度低、除霜時間長、除霜效果差的問題。通過前期對不同溫度下壓縮機排氣溫度測定，分析除霜效果差的主要原因是壓縮機排氣溫度較低。本文嘗試在冷凝器側并聯相變蓄熱換熱器，以蓄存系統正常運行時較多的冷凝熱，通過合理布置管路和電磁閥，實現熱氣旁通除霜過程中壓縮機吸氣的再升溫。改裝后系統可以實現正常制冷循環、蓄熱和除霜三種運行模式。

（1）蓄熱模式。如圖4所示，系統蓄熱模式的原理為：電磁閥2、4打開，電磁閥1、3、5關閉。來自壓縮機的高溫高壓的制冷劑氣體通過電磁閥4流入蓄熱換熱器，向蓄熱換熱器中的蓄熱材料散熱，變為高壓的制冷劑液體；流入毛細管降壓，變為低壓的制冷劑液體；制冷劑液體流入蒸發器以后，吸收冷凍柜內物品含有的熱量變為低壓的制冷劑氣體，然后制冷劑流回壓縮機完成一次循環。

圖4 新型蓄熱除霜系統流程圖

（2）正常制冷模式。如圖4所示，系統正常制冷模式的原理為：電磁閥2、5打開，電磁閥1、3、4關閉。來自壓縮機的高溫高壓的制冷劑氣體通過電磁閥5流入冷凝器，向冷凝器外界空氣散熱，變為高壓的制冷劑液體；流入毛細管降壓，變為低壓的制冷劑液體；制冷劑液體流入蒸發器以后，吸收冷凍柜內物品含有的熱量，變為低壓的制冷劑氣體，然后制冷劑流回壓縮機完成一次循環。

（3）除霜模式。如圖4所示，系統除霜原理為：電磁閥1由常閉狀態切換為打開狀態，電磁閥3打開，電磁閥2關閉。來自壓縮機的高溫高壓的制冷劑蒸氣，通過電磁閥1流入蒸發器，向蒸發器外側的霜層散熱，使霜層融化，由于制冷劑氣體向外界環境散熱，溫度變低；流經電磁閥3進入蓄熱換熱器，吸收蓄熱換熱器內蓄熱材料中蓄存的熱量，實現一定程度的溫升，再流回壓縮機吸氣，完成一次除霜循環。

3 實驗方法

實驗過程中對不同環境溫度下除霜過程中系統運行功率等數據進行采集和記錄，對25℃和0℃環溫下改裝后系統和原系統的壓縮機吸氣溫度、壓縮機排氣溫度、熱氣旁通吸氣溫度（熱氣旁通除霜過程中蒸發器入口溫度）、熱氣旁通排氣溫度（熱氣旁通除霜過程中蒸發器出口溫度）、蒸發器溫度等測溫點除霜過程中的數值變化進行記錄。

本文中所有實驗均在北京工業大學制冷實驗室恒溫恒濕室內進行，兩臺冷凍柜和恒溫室內空氣處理機組的出風口、回風口的距離相同。實驗過程中，兩臺機器先空載運行兩個小時，然后放入實驗包，系統穩定運行后，每隔10min開一次冷凍柜的玻璃門，每次開門時間為15s。從系統穩定運行后的第一次化霜開始數據記錄。環境溫度為25℃時，設定除霜時蒸發器表面溫度達到12℃結束除霜，最長除霜時間為120min。環境溫度為0℃時，為了避免除霜時間過長造成冷凍柜內過大的溫度波動，設定原系統除霜時蒸發器表面達到5℃除霜過程結束，最長除霜時間為120min。

4 實驗結果

4.1 兩系統25℃溫度下除霜數據對比

4.1.1 25℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化

25℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化如圖5所示。通過對比25℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化可以看出，改裝后系統的蓄熱換熱器出口溫度比入口溫度提升了約30℃。改裝后壓縮機的排氣溫度較原系統提升約20℃。

圖5 25℃下各個測溫點溫度變化圖

4.1.2 25℃下原系統與改裝后系統除霜功率變化

25℃下原系統與改裝后系統除霜功率變化如圖6所示。原系統除霜時長約7min，除霜過程中系統功率最高值為741.3W，平均功率約為700W。由于除霜過程中用于裝飾燈光和冷凝器風扇的功率共計約140W，因此壓縮機的平均功率約為560W。經計算，系統用于除霜的功耗為0.0653kW•h。改裝后的系統在環境溫度25℃下運行時，除霜過程中系統最高除霜功率為866.13W，相較于原系統除霜時的最高功率741.3W提升了約120W。除霜過程中，改裝后系統的平均功率為799.004W，減去系統風扇、燈光的功率約140W，則用于除霜的功率為659.004W，除霜時長為4.5min，經計算原系統除霜功耗為0.0494kW•h。

圖6 25℃下兩系統除霜功率變化圖

4.1.3 25℃下原系統與改裝后系統運行一個周期（穩定運行后一次除霜開始到下一次除霜開始）功率變化

25℃下原系統與改裝后系統運行一個周期功率變化如圖7所示。25℃下原系統在一個運行周期內除霜時長7min，壓縮機運行時長74min，壓縮機停機時長30 min，平均功率為430.47W。經計算，原系統運行一個周期的功耗為0.861 kW•h。根據圖7，通過分析可以發現，改裝后系統正常運行過程中的功率普遍大于原系統的功率。此外，改裝后系統在除霜結束后需要更長的壓縮機運行時間來恢復冷凍柜內的設定溫度，這對系統節能是不利的。改裝后系統運行一個周期的平均功率為548.60W，經計算改裝后系統運行一個周期的功耗為1.097kW•h。

圖7 25℃下兩系統運行一周期功率變化圖

4.1.4 25℃下原系統和改裝后系統的除霜效果對比

25℃下原系統和改裝后系統的除霜所得數據如表1所示。對于25℃環境溫度下的兩系統除霜，改裝后系統的壓縮機平均排氣溫度較原系統提升20℃，蒸發器表面溫升增大3.7K，除霜時間比原系統縮短2.5min，除霜平均功率增大99.004W，一次除霜功耗減少0.0159kW•h，運行一個周期后改裝后系統功耗增加0.236kW•h。

表1 25℃下兩系統除霜過程主要參數

4.2 兩系統0℃溫度下除霜數據對比

4.2.1 0℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化

0℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化如圖8所示。通過對比0℃下原系統與改裝后系統各個測溫點溫度變化可以看出，改裝后系統各測溫點溫度變化圖。在除霜過程中壓縮機的排氣溫度最高可達70.8℃，相較于原系統除霜過程中的最高排氣溫度45.6℃，提升約25℃，壓縮機排氣溫度的上升有利于緩解低溫下系統除霜困難的問題。此外，壓縮機排氣溫度沒有出現原系統中先上升后下降的變化，而是一直處于緩慢上升的趨勢。此外，蓄熱換熱器出口溫度比蓄熱換熱器進口溫度提升約40℃，這說明蓄熱換熱器的添加很大程度上提升了壓縮機吸氣溫度，對除霜過程來說是有利的。

圖8 0℃下各個測溫點溫度變化圖

4.2.2 0℃下原系統與改裝后系統除霜功率變化

0℃下原系統與改裝后系統除霜功率變化如圖9所示。原系統的除霜功率變化，除霜過程中系統平均功率為582.3W，減去風扇和燈光等的功率140W，系統用于除霜的功率為442.3W時長為80min，則系統除霜所需功耗為0.590kW•h。在環境溫度0℃下，改裝后系統除霜過程中系統的最大功率為667.58W。除霜過程中，系統平均功率為629.2W，減去系統中風扇、照明等的功率，系統用于除霜的平均功率為489.2W。除霜過程持續時間為4min，則除霜過程中所需功耗為0.0326kW•h。

圖9 25℃下兩系統除霜功率變化圖

4.2.3 0℃下原系統與改裝后系統運行一個周期（穩定運行后一次除霜開始到下一次除霜開始）功率變化

0℃下原系統與改裝后系統運行一個周期功率變化如圖10所示。原系統在0℃環境溫度下，選取系統穩定運行后某次除霜開始之前到下一次除霜開始之前的2h作為一個運行周期。在環境溫度為0℃下，系統平均運行功率為551.53W，則原系統一個運行周期內的功耗為1.103kW•h。改裝后系統在環境溫度為0℃下，系統平均運行功率為391.0W，則原系統一個運行周期內的功耗為0.783 kW•h。

圖10 0℃下兩系統運行一周期功率變化圖

4.2.4 0℃下原系統和改裝后系統的除霜效果對比

0℃下改裝后系統和原系統的除霜所得數據如表2所示。

表2 0℃環境溫度下兩系統除霜過程主要參數

對于0℃環境溫度下的兩系統除霜，改裝后系統的壓縮機平均排氣溫度較原系統提升30℃，蒸發器表面的溫升增大12K，除霜時間比原系統縮短76min，除霜平均功率增大46.9W，一次除霜功耗減少0.5574kW•h，運行一個周期后改裝后系統功耗減少0.3 kW•h。

5 結論

通過將原系統和改裝后系統在25℃和0℃環境溫度下進行對比實驗發現：

1）在25℃環境下，改裝后系統可以縮短除霜時間2.5min，減小除霜功耗。

2）相較于25℃在0℃環境下，改裝系統可以明顯提升除霜過程中的壓縮機吸氣溫度約40℃，從而縮短除霜時間。改裝后系統除霜時間縮短為原系統5%，除霜功耗減小為原來的5.6%，可以解決原系統冬季除霜效果差的問題，且成效明顯。

3）該研究結果將對商超冷柜的除霜性能改進產生積極的影響，并指導家用大型冰箱的除霜系統的開發和應用，有望在商超冷柜和家用冰箱行業中大規模應用，為我國的碳達峰、碳中和的“雙碳”目標實現做出貢獻。

參考文獻

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（責任編輯：張晏榕）

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