風冷冰箱蒸發(fā)器除霜特性及箱溫回升的實驗研究

唐學強,黃東,龔勤勤,白連社,魏邦福

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.合肥美菱股份有限公司, 230601, 合肥)

風冷冰箱蒸發(fā)器除霜特性及箱溫回升的實驗研究

唐學強1,黃東1,龔勤勤1,白連社2,魏邦福2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安; 2.合肥美菱股份有限公司, 230601, 合肥)

為了探究風冷冰箱除霜過程動態(tài)特性及其對箱溫回升的影響,對某單循環(huán)風冷冰箱穩(wěn)定運行時的除霜過程進行了實驗研究,結果表明:在蒸發(fā)器溫度升高到0 ℃的預熱階段,霜層堵塞翅片間隙,箱溫基本無回升;在溫度維持在0 ℃左右的融霜階段,除霜電加熱被布置在蒸發(fā)器下方以及霜層“上疏下密”分布使底部霜層最早開始融化,融化結束時刻比頂部提前8 min,融霜時翅片間空氣流通面積逐漸增大,進入箱體內部的熱空氣量增多,箱溫在9.34 min內平緩上升5.7 ℃;在溫度高于0 ℃的排水階段,因蒸發(fā)器右上方冷藏送風風道存在凸起,熱空氣會積聚在此處,導致階段結束時該部位比左上溫度高17.1 ℃,此時翅片間空氣流通面積達到最大,箱溫在6.5min內快速上升6.6 ℃。

風冷冰箱;除霜;箱溫回升

風冷無霜冰箱以其特有的容量大、多溫區(qū)、自動除霜等優(yōu)點,被行業(yè)公認為冰箱發(fā)展的必然趨勢,其主要是通過蒸發(fā)器風機使冷藏與冷凍室回風流經(jīng)蒸發(fā)器并與之換熱,在這個降溫過程中空氣中水蒸氣在蒸發(fā)器表面析出凝結成霜,之后蒸發(fā)器運行時間增長,霜層逐漸增厚,使得換熱過程熱阻和空氣的流通阻力增加,空氣流量減小,蒸發(fā)溫度下降,蒸發(fā)器換熱性能降低,因此當蒸發(fā)器表面霜層達到一定厚度時,需要進行定期除霜。

目前國內外學者對除霜相關過程進行了大量研究。Huang指出,當管路的當量直徑小于臨界熱絕緣半徑時,霜層的積聚促進制冷劑與空氣之間的換熱,當其大于臨界熱絕緣半徑時霜層阻礙制冷劑與空氣之間的換熱[1];Inan的研究表明,相對濕度越大,蒸發(fā)器表面霜層厚度增加越快,翅片間空氣流通面積就越容易被堵塞[2];Ozkan發(fā)現(xiàn),隨著蒸發(fā)溫度的降低,霜從針形向致密形轉變,霜層密度增加[3];Claudio通過實驗對比分析了不同功率模式下鋁管導熱式、鋼管輻射對流式和玻璃管輻射對流式3種電加熱器的除霜效率,并指出在綜合考慮除霜效率、電加熱器價格及其安裝使用等因素時,鋼管輻射對流式電加熱器更適合在實際生產中使用[4];Pradeep使用傳熱模型來分析除霜過程中的熱量分配,指出鋼管輻射對流式電加熱器產生的熱量僅有30.3%用于化霜[5];Fernando的實驗表明,由于霜層“上疏下密”分布,使用兩根功率不等的電加熱器分別對蒸發(fā)器上、下管排進行除霜可以提高除霜效率[6];李成武指出,除霜過程主要通過除霜電加熱器工作消耗電能,以及除霜過程中大量的熱量進入箱體內使得在下一次制冷的過程中冰箱運行時間增長來影響耗電量[7];宋新洲等人利用冷藏室回風對霜層進行預熱處理,可以降低除霜過程中電加熱器的電量消耗[8];湯曉亮等人研發(fā)了一種以冷凍室溫與蒸發(fā)器溫度之間的差值為主要參數(shù)的除霜控制技術,將除霜能耗占總能耗的比重降低了40%左右[9];劉志成等人基于除霜過程中熱量利用率逐漸下降的現(xiàn)象,提出除霜過程中電加熱器功率先高后低的運行模式,并實驗驗證了該模式可以有效降低除霜過程能耗和減少箱溫回升[10]。

以上研究主要集中在結霜過程、除霜電加熱器的電量消耗及其優(yōu)化的分析,缺乏對除霜過程動態(tài)特性和對箱溫回升影響的論述。本文以風冷冰箱BCD-537WPB為載體,對除霜過程及其與箱溫回升的關系進行實驗研究,探究其動態(tài)過程和變化機理。

1 實驗對象和測試系統(tǒng)

實驗樣機為一臺單循環(huán)風冷變頻冰箱,主要是由全封閉往復式變頻壓縮機、叉排蒸發(fā)器、毛細管和鼠籠式絲管冷凝器組成。其中,蒸發(fā)器共有2排9列管路,其翅片呈“上密下疏”式分布,進出口位于右側同一水平高度的內外兩排管上,制冷劑流動方向為“上進上出”,具體結構如圖1所示。冷藏和冷凍室共用一個蒸發(fā)器,各自有單獨的送、回風風道,箱溫均由各自的感溫包控制,冷藏感溫包控制冷藏風門的開關,并與冷凍感溫包共同控制壓縮機的啟停。冰箱的主要部件參數(shù)如表1所示。

圖1 樣機中蒸發(fā)器結構和電加熱器安裝位置示意圖

表1 被測冰箱主要技術參數(shù)

冰箱使用鋼管輻射對流式電加熱器進行除霜,其布置方式如圖1所示,電加熱器為U型并被安裝在蒸發(fā)器的下方,其長度與蒸發(fā)器鋁管長度相同,除固定用的兩個接觸點外,電加熱器與蒸發(fā)器無其他接觸點。

實驗工況:環(huán)境溫度為(25±0.8) ℃,相對濕度為65%。溫度測量使用銅-康銅熱電偶,精度為±0.2 ℃,實驗過程中蒸發(fā)器左上、右上和底部等位置均布置有測點,具體如圖1所示。同時,采用青智8775A數(shù)字電參數(shù)測試儀測量冰箱的運行功率,精度為0.5級。整個實驗過程中冰箱空箱運行,其冷藏室與冷凍室溫度分別設定為5℃和-18 ℃。

2 除霜過程動態(tài)特性分析

冰箱采用固定壓縮機累計運行時間的方式來控制除霜過程的開始,即壓縮機運行43 h之后自動除霜,直到除霜終止感溫包(布置在制冷劑出口處)溫度升至8 ℃時停止除霜過程。實驗中冰箱共完成4次除霜,過程基本相同,取第3次除霜過程進行分析,圖2和圖3顯示了第3次除霜的完整過程,將電加熱啟動時刻記為0 min,第19.17 min時電加熱器停止工作,即除霜過程結束,整個過程用時19.17 min,按蒸發(fā)器溫度變化將整個過程劃分為預熱、融霜和排水3個階段。

圖2 除霜過程中蒸發(fā)器表面溫度變化

圖3 除霜過程中蒸發(fā)器上下和左右溫差變化

2.1 預熱階段動態(tài)特性分析

預熱階段從電加熱啟動開始到蒸發(fā)器底部溫度升至0 ℃結束,用時3.33 min。如圖2和圖3所示,預熱階段開始后,蒸發(fā)器溫度緩慢升高,到第1 min時左上、右上以及底部的溫度從-17.4 ℃、-17.2 ℃、-17.3 ℃分別上升至-16.6 ℃、-16.4 ℃、-16.1 ℃,此時蒸發(fā)器上下溫差(因蒸發(fā)器右上測點處于底部測點正上方,故用其與底部的溫差表示蒸發(fā)器上下溫差)僅為0.3 ℃。其原因在于:除霜過程剛開始時,除霜電加熱器及其周圍空氣溫度較低,其產生的熱量大部分用來提高自身以及周邊空氣溫度,很少一部分被霜層吸收;其次,霜層附著在蒸發(fā)器表面增加了換熱過程的熱阻,二者共同作用使得初期蒸發(fā)器溫升速度較小。1 min之后蒸發(fā)器底部溫度快速升高,而頂部溫升速度依然較小,到第3.33 min,底部溫度升高到0 ℃,而左上和右上部溫度分別上升到-12.5℃和-12.1 ℃,同時上下溫差增大至11.5℃。這是因為電加熱器產生的熱量主要通過輻射和自然對流換熱的方式傳遞給霜層,因其被布置在蒸發(fā)器下方,使得大部分輻射熱量被底部霜層吸收。同時,由于霜層堵塞了翅片間空氣流通面積并呈“上疏下密”分布,造成熱空氣只能在蒸發(fā)器底部和電加熱器之間的空間流動,與底部霜層換熱,兩者共同作用使底部溫度最先升高到0 ℃。另外,由于底部霜層的堵塞,使熱空氣不能流動到頂部,此處霜層吸熱量較少,溫升速度較小,故蒸發(fā)器上下溫差逐漸增大。

2.2 融霜階段動態(tài)特性分析

融霜階段從蒸發(fā)器底部溫度高于0 ℃開始到右上部溫度升至0 ℃以上結束,用時9.34 min。如圖2和圖3所示,融霜階段開始后,蒸發(fā)器底部霜層開始融化,溫度維持在0 ℃左右,到第4.67 min時,底部溫度升高到0 ℃以上,表明此處霜層已融盡。在此期間,左上和右上部溫度緩慢升高到-8.3 ℃和-7.8 ℃,上下溫差逐漸減小到8.6 ℃。其原因在于:霜層融化增加了翅片間空氣流通面積,但增加量較小,使得傳遞到蒸發(fā)器頂部的熱空氣量緩慢增多,頂部溫度緩慢升高,加上底部霜層融化使其溫度維持在0 ℃左右,造成上下溫差逐漸減小。

蒸發(fā)器底部霜層完全融化后,溫度快速上升,第8.83 min時升高至20.9 ℃,而此時頂部溫度才緩慢升高到0 ℃,上下溫差增大到22.6 ℃。這是由于底部霜層已融盡,該部位吸收的熱量大部分用來提高自身溫度,因此溫升速度較大,同時蒸發(fā)器底部以及中部霜層融化使得流動到頂部的熱空氣量增多,頂部霜層吸熱量增加,其溫度逐漸升高到0 ℃,但由于頂部溫升速度遠小于底部的,故蒸發(fā)器上下溫差迅速增大。第8.83 min到12.67 min,底部溫升速度有所降低,而頂部始終維持在0 ℃左右,上下溫差增大到35.2 ℃。其原因在于:霜層融化增加了翅片間空氣流通面積,使得熱空氣帶走的熱量增多,底部溫升速度略有降低,而頂部霜層融化使其溫度保持在0 ℃左右,因此上下溫差迅速增大。

第12.67 min時,蒸發(fā)器右上部溫度升高到0 ℃以上,表明此處霜層已融盡,比底部滯后8 min,而此時左上部溫度依然低于0 ℃,說明此處仍有霜未融化,由此蒸發(fā)器頂部出現(xiàn)霜層融化不同步的現(xiàn)象。其原因在于:蒸發(fā)器右上方冷藏送風風道存在凸起,減少了熱空氣向上流動的空間并使熱空氣積聚在此處,進而增大了熱空氣與霜層之間的換熱溫差,使大部分熱量被此處霜層吸收,因此霜層融化較快,而左側相應位置無凸起,無熱空氣積聚,換熱溫差較小,故左上部霜層吸收的熱量較少,霜層融化所需時間比右上部長。

總之,融霜階段中,霜層逐漸向上融化,使得翅片間空氣流通面積增加,進而流動到頂部的熱空氣量增加,頂部霜層開始融化。另外,右上比底部的霜層融化結束時刻滯后8 min,占整個融霜階段用時的85.7%。

2.3 排水階段動態(tài)特性分析

排水階段從蒸發(fā)器右上溫度升至0 ℃以上開始,到除霜終止感溫包溫度高于8 ℃結束,用時6.5min。如圖2、圖3所示,進入排水階段之后,蒸發(fā)器底部溫度先緩慢降低到33.5℃,之后緩慢升高至39.6 ℃。其原因在于:12.67 min之后,由于大部分霜層已經(jīng)融化,翅片間空氣流通面積增大,使熱空氣流速增大,帶走的熱量增加,同時霜層融化產生的水在排走的過程中吸收大量的熱,兩者共同作用使得蒸發(fā)器底部比周圍空氣溫度高,熱空氣從該部位吸熱,因此底部溫度先緩慢降低,之后隨著融霜水被排走,吸收的熱量減少,使得此處溫度逐漸低于附近空氣的,進而從周圍熱空氣吸熱,導致此處溫度緩慢升高。

從12.67 min到18.17 min,蒸發(fā)器右上部溫度在波動中快速上升,而左上部溫度仍維持在0 ℃左右,蒸發(fā)器左右溫差(即蒸發(fā)器右上與左上測點之間的溫度差值)在波動中快速增大。這主要是因為:第12.67 min時右上部霜層已完全融化,之后其吸收的熱量主要用來提高自身溫度,加上霜層融化過程中產生的水蒸氣凝結成的水珠滴落到該部位,使得此處溫度在波動中快速上升,同時左上部霜層仍未融盡使溫度一直保持在0 ℃左右,因此左右溫差在波動中快速增大。第18.17 min左上部溫度升高到0 ℃以上,表明此處霜層已融化完全,比右上部滯后5.5min。

排水階段主要目的是除去殘留在蒸發(fā)器上的融霜水,同時防止在恢復制冷后水滴被凍結成“頑冰”。由于蒸發(fā)器右上部冷藏送風風道存在凸起,使得此處溫升速度大于左上部,進而導致該部位排水結束時間早于左上部。為了防止左上部出現(xiàn)“頑冰”,只有當溫度升高到0 ℃以上,除霜過程才能停止,而此時底部溫度已升至39.6 ℃,右上部溫度上升到17.4 ℃。

3 除霜動態(tài)特性對箱溫回升的影響

冰箱穩(wěn)定運行時,箱體以及門封等存在漏熱,使停機過程中箱溫升高。除霜過程中這些漏熱依然存在,加上部分除霜電加熱器產生的熱量通過風道進入箱體內部,使箱溫快速回升。為了準確分析除霜對箱溫回升的影響,特選擇冰箱穩(wěn)定運行過程中某一單周期內的停機過程中箱溫回升過程為基準進行對比分析。為方便對比,將單周期內壓縮機停機瞬間記為0 min。

霜層融化使得翅片間空氣流通面積增大,進入箱體內的熱空氣增多,箱溫回升速度加大。如圖4所示,0～3.33 min,除霜過程中箱溫從-18 ℃回升到-17.7 ℃,僅回升0.3 ℃;正常停機過程中箱溫從-18.7 ℃回升至-17.9 ℃,表明預熱階段中除霜過程對箱溫回升幾乎無影響。其原因在于:此階段中蒸發(fā)器底部結霜量多以致翅片間隙被堵塞,且霜層未開始融化,使得熱空氣不能向上流動到箱體內部,故此時箱溫回升主要是由箱體以及門封等處的漏熱引起的,與穩(wěn)定運行停機過程的基本相同。3.33～12.67 min,除霜過程中箱溫從-17.7 ℃逐漸升高到-12 ℃,且回升速度逐漸增大;正常停機過程中箱溫僅從-17.7 ℃回升至-17.1 ℃,說明融霜階段中除霜過程的進行使得箱溫回升速度逐漸增大。其原因在于:此階段中霜層逐漸向上融化,使翅片間空氣流通面積增大,流動阻力降低,進而流入箱體內的熱空氣量增加的速度逐漸增大,因此箱溫回升速度越來越大。12.67～19.17 min,除霜過程中箱溫線性快速回升,從-12 ℃回升到-5.4 ℃,而正常停機過程中箱溫僅從-17.1 ℃回升到-16.6 ℃,表明排水階段中箱溫快速回升。其原因在于:此階段中蒸發(fā)器表面霜層已經(jīng)基本融化,翅片間空氣流通面積增大到最大,進入箱體內部的熱空氣量迅速增多,箱溫快速升高。

圖4 除霜過程中與穩(wěn)定周期停機過程中箱體溫度變化對比

蒸發(fā)器左側霜層融化滯后右側對除霜過程結束時的箱溫值影響較大。從圖2可以看出,蒸發(fā)器右上部分霜層在第12.67 min時就已完全融化,而左上部的則一直持續(xù)到第18.17 min,為了防止左上部出現(xiàn)“頑冰”,除霜過程到第19.17 min才停止。結合圖4可知,12.67 min后箱溫處于線性快速上升階段,因此蒸發(fā)器左上部分除霜過程滯后右上部的時間越長,進入箱體內的熱空氣就越多,除霜結束時的箱溫也會越高,最終會嚴重影響冰箱整體性能,增加耗電量。

綜上可以看出,除霜電加熱器被安裝在蒸發(fā)器下方使得風冷冰箱蒸發(fā)器除霜過程中的同步性較差,特別是在蒸發(fā)器底部霜層融化后,隨著翅片間空氣流通面積的增大,熱空氣向上流動過程中的阻力減小,這使得大量熱量進入冷凍室內,冷凍箱溫迅速回升,因此在設計電加熱器安裝位置時盡可能使其靠近或者鑲嵌到蒸發(fā)器中,同時降低除霜過程后期電加熱器的功率。但是,功率降低的幅度以及開始的時間需要通過實驗來確定,還可以適當增加蒸發(fā)器頂部翅片數(shù)量以減少進入箱體內部的熱空氣。除霜過程的同步性又容易受到蒸發(fā)器附近空間特別是左右空間對稱與否的影響,故應合理設計蒸發(fā)器與附近部件之間的相對位置及配合關系,盡可能使得蒸發(fā)器左右空間對稱分布,減弱除霜過程的不同步。

4 結 論

(1)在預熱階段,霜層堵塞了翅片間隙,熱空氣積聚在蒸發(fā)器底部并加熱此處霜層,使其溫度最早上升到0 ℃,箱溫基本無回升。

(2)在融霜階段,除霜電加熱器被布置在蒸發(fā)器下方以及霜層“上疏下密”的分布使底部霜層最先開始融化,霜層融盡時刻比頂部提前8 min,融霜時翅片間空氣流通面積逐漸增加,進入箱體內的熱空氣量增多,導致箱溫在9.34 min內平緩上升5.7 ℃。

(3)排水階段中,因蒸發(fā)器右上方冷藏送風風道存在凸起,熱空氣會積聚在此處,使得該部位在階段結束時的溫度比左上部高17.1 ℃,此時翅片間空氣流通面積達到最大,箱溫在6.5min內快速上升6.6 ℃。

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(編輯 趙煒 杜秀杰)

ExperimentalInvestigationforDynamicCharacteristicsofDefrostingProcessandEffectonFreezerCompartmentTemperatureinDomesticFrost-FreeRefrigerator

TANG Xueqiang1,HUANG Dong1,GONG Qinqin1,BAI Lianshe2,WEI Bangfu2

(1.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.Hefei Meiling Co.Ltd., Hefei 230601, China)

The defrosting process of a frost-free refrigerator is investigated experimentally, and the effect on the freezing compartment temperature is analyzed.The results show that in the pre-heating stage of the defrosting, the bottom temperature of the evaporator firstly rises to 0 ℃, and the freezing compartment temperature almost remains unchanged because the evaporator is blocked up by frost.In the melting-frost stage, the frost on the evaporator bottom begins to melt firstly and totally melts 8 min earlier than that on the top of the evaporator because the defrost heater is placed under the evaporator and the frost distribution is non-uniform, in fact, the frost on the evaporator top is greatly thinner than that on the bottom.During this stage, the frost melting results in increasing flow area between adjacent fins and the freezing compartment temperature gently rises by 5.7 ℃ in 9.34 min.In the draining-water stage beyond 0 ℃, the top-right temperature of the evaporator gets higher than the top-left temperature because the embossment of the air-supply duct of the refrigerating compartment leads to the warm air gathering there, and at the end of this stage the temperature difference between them increased significantly to 17.1 ℃.The freezing compartment temperature sharply rises by 6.6 ℃ in 6.5min because the flow area increases to the maximum.

frost-free refrigerator; defrost; the freezing compartment temperature rising

2014-06-11。

唐學強(1988—),男,碩士生;黃東(通信作者),男,副教授。

時間:2014-08-13

10.7652/xjtuxb201411014

TB 657.4

:A

:0253-987X(2014)11-0081-05

網(wǎng)絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140813.1008.002.html