雙箱頂開門冷柜中梁結(jié)霜解決方案

李恒國

（河南新飛電器有限公司，河南省新鄉(xiāng)市 453002）

0 引言

冷柜即臥式冷藏冷凍箱作為一種專門用于儲(chǔ)存各種需要冷凍或冷藏食品的儲(chǔ)藏工具，被商用消費(fèi)者及家庭廣泛地使用。近幾年來，用戶對(duì)于冷柜（如圖一）（即：箱體內(nèi)部分為兩個(gè)室：冷凍室與冷藏室，上部分別有發(fā)泡門體的雙箱頂開門冷柜），因其使用方便、性價(jià)比高而需求量逐年遞增，由于結(jié)構(gòu)的原因，在一些地區(qū)用戶對(duì)“該產(chǎn)品兩門之間與箱體口框中梁處產(chǎn)生結(jié)霜及結(jié)冰現(xiàn)象”的投訴也逐年增加，并且國內(nèi)各冷柜廠家的類似產(chǎn)品都有此現(xiàn)象。為此，本著提高冷柜整機(jī)質(zhì)量及技術(shù)水平，對(duì)此類現(xiàn)象予以重視，并加以研究及解決。

圖1 雙箱頂開門冷柜

1 中梁結(jié)霜產(chǎn)生的原因

已有研究表明[1]，在各種低溫、制冷系統(tǒng)中，結(jié)霜是一種非常普遍的現(xiàn)象。當(dāng)空氣中的水蒸氣接觸到溫度低于空氣露點(diǎn)溫度的表面時(shí)，就會(huì)發(fā)生相變結(jié)霜現(xiàn)象。由于濕空氣中的水蒸氣不斷發(fā)生冷凝，液態(tài)水珠的體積是隨時(shí)間不斷增長。文獻(xiàn)[1-2]介紹，冷面溫度是影響霜晶形狀的主要因素，隨著冷面溫度的降低，霜晶依次呈現(xiàn)無規(guī)則狀、片狀、針柱狀和羽毛狀；空氣的相對(duì)濕度也在一定程度上影響著霜晶形狀，空氣的相對(duì)濕度越高，越容易出現(xiàn)如羽毛狀這樣復(fù)雜的霜晶。文獻(xiàn)[3]研究表明，冷面溫度是影響水珠凍結(jié)的主要因素，穩(wěn)定溫度高于-4℃的冷面上水珠一直處于過冷狀態(tài)；穩(wěn)定溫度介于-4℃和-12℃之間的冷面上，水珠在冷面溫度達(dá)到穩(wěn)定后仍可持續(xù)一段過冷態(tài)；穩(wěn)定溫度低于-12℃的冷面，過冷水珠在冷面還未達(dá)到穩(wěn)定溫度前就發(fā)生凍結(jié)。

在我國沿海地區(qū)的冬天，受海洋氣候的影響，低溫高濕，部分家庭沒有安裝暖氣，冬天擺放冷柜的位置環(huán)境溫度低于國標(biāo)規(guī)定的16℃，一般在10℃～12℃，特別是煙臺(tái)、威海、青島、秦皇島等沿海地區(qū)此類現(xiàn)象產(chǎn)生較多。從網(wǎng)上查找青島、威海、煙臺(tái)2012 年11 月份的相對(duì)濕度見表1。

隨著國家家電下鄉(xiāng)政策的推出，要求下鄉(xiāng)產(chǎn)品要適合SN、N、ST 寬氣候類型，國標(biāo)GB 8059[4]規(guī)定，SN 氣候類型使用環(huán)境溫度為10℃～32℃，在環(huán)境溫度為10℃，相對(duì)濕度為70%、80%、90%時(shí)的露點(diǎn)溫度分別為4.8℃、6.7℃、8.4℃，為了保證中梁不結(jié)露、不結(jié)冰，中梁表面溫度必須大于露點(diǎn)溫度。

表1 青島、威海、煙臺(tái)2012 年11 月份相對(duì)濕度表

本文主要通過實(shí)驗(yàn)分析，尋找解決雙箱冷柜中梁結(jié)霜的方案，本文所實(shí)驗(yàn)用冷柜型號(hào)為BCD (W)-159 臥式冷藏冷凍箱。

首先，通過詳細(xì)拆分此種冷柜，國內(nèi)同行同類產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上都存在一定的共性：

1)冷藏室與冷凍室為發(fā)泡隔開的雙箱冷柜（冷凍室溫度為-18℃以下，冷藏室溫度為-9℃～9℃之間），受成本、中梁結(jié)構(gòu)、中梁位置的限制，中梁寬度在55 mm～60 mm；

2)為了美觀，兩門之間間隙較小，通常為4 mm～8 mm，兩門封間隙在10 mm～15 mm 左右；

3)冷凍、冷藏蒸發(fā)器鋁板到中梁頂面位置尺寸在20 mm～ 35 mm。（中梁部位結(jié)構(gòu)見圖2）。

圖2 雙箱冷柜中梁局部示意圖

通過以上分析：①由于蒸發(fā)器鋁板到冷柜中梁頂面的距離較小，冷凍室冷量隨著冷柜內(nèi)壁鋁板直接傳遞到中梁處，形成冷面，導(dǎo)致中梁頂面溫度低于0℃；②兩門堵頭之間、兩門封之間間隙小，空氣不對(duì)流，加上環(huán)境溫度低，使冷氣長時(shí)間滯留在兩門之間，加速冷面的形成，造成凝露及結(jié)冰；③門封與中梁接觸不好，造成密封不嚴(yán)，導(dǎo)致冷氣外泄，使冷面的溫度更低，形成凝露及結(jié)冰；④門封隔熱性能不好，冷氣通過門封腔體傳遞到外側(cè)，形成凝露及結(jié)冰。而且，此現(xiàn)象會(huì)隨著用戶長時(shí)間不打開冷柜門體而加劇霜層的堆積。

通過模擬用戶使用環(huán)境（10℃環(huán)溫，70%的濕度），對(duì)三相同型號(hào)不同廠家的樣機(jī)進(jìn)行惡劣條件下的測(cè)試，從冷柜通電到中梁表面溫度低于0℃大約需要2 h，如果用戶長期不開門，最低溫度可達(dá)-5℃～-10℃，在中梁表面形成霜層、甚至結(jié)冰。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2

表2 傳統(tǒng)臥式冷藏冷凍箱中梁表面溫度

2 中梁結(jié)霜解決方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置

實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置為：冰箱性能實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)溫度采集及分析系統(tǒng)、M 實(shí)驗(yàn)包、銅圓柱測(cè)溫點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)等。

實(shí)驗(yàn)方法：將采用各種方法做好的樣機(jī)置于冰箱性能實(shí)驗(yàn)室中，環(huán)境溫度調(diào)整到需求的溫度即10℃和25℃，在冷凍室布M 實(shí)驗(yàn)包，冷藏室布銅圓柱測(cè)溫點(diǎn)，在中梁、排氣管位置布標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)（見圖3），將冷柜通上電源，調(diào)整溫控器檔位，保證冷凍室M 實(shí)驗(yàn)包最高溫度≤-18℃，冷藏室溫度在國標(biāo)規(guī)定的范圍即-9℃～9℃，且連續(xù)工作6 個(gè)小時(shí)并處于穩(wěn)定狀態(tài)，用計(jì)算機(jī)溫度采集及分析系統(tǒng)記錄穩(wěn)定后連續(xù)工作的溫度數(shù)據(jù)及曲線。

圖3 實(shí)驗(yàn)包及測(cè)溫點(diǎn)布點(diǎn)圖

融霜的方法有很多種，如自然融霜、電加熱融霜、熱氣融霜和飽和蒸汽融霜等[1]。這些方法一般采用以下控制手段來實(shí)現(xiàn)：定時(shí)除霜法、時(shí)間-溫度(壓力)法、最佳除霜時(shí)間控制法、自適應(yīng)模糊控制除霜法。文獻(xiàn)[5]研究表明，在霜層生長過程中，表面溫度隨時(shí)間和空間位置發(fā)生變化。文獻(xiàn)中雖然介紹了融霜方法及霜層生長原理，但對(duì)冷柜解決中梁結(jié)霜沒有做研究，目前市場(chǎng)銷售的冷柜多數(shù)中梁存在此問題，通過本文研究優(yōu)化，使冷柜產(chǎn)品此問題得到解決，給消費(fèi)者帶來使用便利。

2.2 自然融霜，加大中梁與環(huán)境對(duì)流間隙

1)加大兩門體堵頭間隙A，由8 mm 加大到12 mm，門封間隙B 不變；

2)加大門封間隙B，由10 mm 增加到20 mm，兩門體堵頭間隙A 不變（間隙不易過大，以免影響整機(jī)美觀）；

3)同時(shí)增加兩門體堵頭間隙A 為12 mm 和門封間隙B 為20 mm。

通過試驗(yàn)，加大兩門體堵頭間隙A、門封間隙B能起到一定的效果，但中梁表面的溫度仍處于0℃以下，低于露點(diǎn)溫度，中梁仍會(huì)結(jié)霜。（詳見表3、圖4）這樣不能徹底解決中梁上表面結(jié)霜的問題。

表3 環(huán)境溫度為10℃時(shí)中梁表面溫度

圖4 環(huán)境溫度為10℃時(shí)沒有加熱溫度變化曲線

為此，應(yīng)從提高中梁表面溫度入手，使中梁表面溫度大于凝露點(diǎn)，抵消箱體內(nèi)部冷量由中梁結(jié)構(gòu)件傳遞到中梁上表面，形成的冷面，進(jìn)而消除由于溫度低，引起空氣中的水分凝結(jié)成霜的因素著手，徹底解決中梁結(jié)霜。

2.3 采用冷凝器加熱融霜、提高中梁表面溫度

冰箱箱門的兩側(cè)、橫梁、中梁由于直接受箱體內(nèi)部冷氣的作用，在它們的表面容易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象[6]；根據(jù)制冷系統(tǒng)循環(huán)回路，冷凝管放熱的特點(diǎn)，將冷凝管其中部份管路通過這些部位，這部份管路就稱為防露管，利用防露管發(fā)出的熱量.減少箱體與外界環(huán)境的溫差，就可以減輕和消除冰箱外表的凝露。

本實(shí)驗(yàn)是在產(chǎn)品的冷凝系統(tǒng)管路中增加一段回路，使其貼附到中梁的內(nèi)壁（也可以單獨(dú)增加防露管，但成本增加較大），將部分熱量傳遞到中梁處，使中梁表面溫度大于凝露點(diǎn)，從而防止表面結(jié)霜(實(shí)驗(yàn)曲線見圖5、圖6)。

由于制冷系統(tǒng)的改變，防露管對(duì)中梁的加熱不會(huì)隨環(huán)境溫度的變化而通、斷，任何環(huán)境下，只要壓縮機(jī)工作，中梁部位一直在加熱，在25℃環(huán)境溫度時(shí)，中梁處的防露管溫度大約在30℃，中梁外表面溫度隨壓縮機(jī)開停而變化，最高溫度高達(dá)26℃，此溫度同樣由中梁傳遞到箱體內(nèi)部，使箱體內(nèi)部溫度升高(實(shí)驗(yàn)曲線見圖7)。

沒有增加防露管時(shí)，箱體內(nèi)部溫度最高點(diǎn)在中間，即實(shí)驗(yàn)包M3 點(diǎn)，最低在底部的M6 點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)曲線見圖8)，上下溫差2℃～3℃。增加防露管后，受中梁處的溫度影響，實(shí)驗(yàn)包溫度最高點(diǎn)移到了M2或M5 點(diǎn)，上下溫差加大0.5℃，溫度波動(dòng)隨壓縮機(jī)開停而加大，這樣，要想達(dá)到國標(biāo)規(guī)定的M 實(shí)驗(yàn)包最低溫度≤-18℃，就需要增加冷量，耗電量就會(huì)加大(實(shí)驗(yàn)曲線見圖9)。

以159 L 雙箱冷柜為例做實(shí)驗(yàn)，沒有增加防露管前，耗電量實(shí)測(cè)為0.59 kW·h/24h，可以標(biāo)稱值為國家一級(jí)能效0.53 kW·h/24h 耗電量；中梁增加防露管后，實(shí)測(cè)為0.67 kW·h/24h，耗電量增大了0.08 kW·h/24h，即增大13.6%，只能達(dá)到國標(biāo)的二級(jí)能效。

因此，此方案雖然能解決中梁結(jié)霜問題，但能耗增加，工藝復(fù)雜，同時(shí)成本增加較多，此方案不可取。

圖5 環(huán)境溫度為10℃時(shí)增加防露管溫度變化曲線

圖6 冷凝器示意圖

圖7 環(huán)境溫度為25℃時(shí)中梁增加防露管溫度變化曲線

圖8 環(huán)境溫度為25℃時(shí)冷凍室M1～6 布點(diǎn)溫度變化曲線

圖9 環(huán)境溫度為25℃時(shí)增加防露管冷凍室M1～6 布點(diǎn)溫度變化曲線

2.4 采用電加熱融霜、提高中梁表面溫度

在中梁內(nèi)壁貼附一道電加熱（位置同防露管位置），并通過控制面板上的控制開關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度較低（一般低于16℃時(shí)），且濕度較大，中梁表面有結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象時(shí)，用戶可打開電加熱加熱中梁，使中梁表面溫度達(dá)到8℃左右，從而防止表面結(jié)霜、結(jié)冰（實(shí)驗(yàn)曲線見圖10）。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，在中梁增加電加熱，不改變現(xiàn)有產(chǎn)品的制冷系統(tǒng)，中梁表面溫度低于環(huán)境溫度，使冷柜箱內(nèi)溫度不受電加熱的溫度影響，對(duì)冷柜耗電量沒有額外的增加。

圖10 環(huán)境溫度為10℃時(shí)中梁增加電加熱溫度變化曲線

中梁加熱功率根據(jù)冷柜容積大小而定，一般在2 W～3W，環(huán)境溫度為10℃時(shí)中梁表面溫度控制在6℃～10℃（及相對(duì)濕度大于90%時(shí)的露點(diǎn)8.4℃），溫度過低起不到防凝露效果，而溫度高將增加冷柜能耗，可以通過實(shí)驗(yàn)并考慮安全性確定功率。

根據(jù)資料介紹，塑料的使用溫度PE（最高80℃），PP（70℃左右，有高的到120℃），聚苯（PS長期使用60℃～80℃左右），而冷柜的中梁為塑料ABS 材料，采用電加熱裝置，必須保證其安全性，表面溫度不能過高，新飛企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其最高溫度限定為≤60℃。

實(shí)驗(yàn)方法：將冷柜產(chǎn)品處于不制冷狀態(tài)下（即模擬冷柜制冷系統(tǒng)出現(xiàn)故障，出現(xiàn)不制冷狀態(tài)），環(huán)境溫度設(shè)定為43℃，電壓為242 V（即220V+10%V），連續(xù)工作至中梁溫度平衡后，再運(yùn)行12 h，測(cè)得中梁溫度不得高于60℃，這樣才能保證產(chǎn)品的安全性，不會(huì)由于冷柜制冷系統(tǒng)問題，電加熱一直在加熱而引起失火、漏電等缺陷。試驗(yàn)曲線見圖11。

圖11 中梁采用電加熱非正常可靠性實(shí)驗(yàn)曲線圖

3 結(jié)論

加大兩門體之間、兩門封之間的間隙能起到一定的效果，但要徹底解決中梁結(jié)霜問題，必須采用加熱融霜，提高中梁溫度的方法，才能徹底解決中梁結(jié)霜。

采用防露管加熱融霜能解決中梁結(jié)霜，但對(duì)產(chǎn)品的性能、冷柜耗電量影響較大，同時(shí)，成本增加較多，此方案不可取。

解決雙頂開門冷柜中梁結(jié)霜問題的首選方案應(yīng)為增加電加熱融霜，即對(duì)冷柜的性能、耗電量影響不大，成本也增加不多，不存在安全隱患。

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