相變蓄冷材料在冰箱上應(yīng)用的研究

王 會(huì)，劉忠寶 ,陳向峰

(1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124；2.中國(guó)家用電器研究院，北京 100053)

1 引言

蓄冷技術(shù)在冷藏冷凍領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。目前，冰箱作為大眾家庭食品儲(chǔ)存與保鮮的裝置，已經(jīng)成為每個(gè)家庭不可或缺的物品。我國(guó)作為冰箱等小型制冷裝置生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2012年冰箱銷(xiāo)售量約為7800萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)2.85%。目前我國(guó)電冰箱的總保有量已突破2.5億臺(tái)，接近3億臺(tái)。

在冰箱的能源研究過(guò)程中，主要是研究冰箱的節(jié)能與功能問(wèn)題。但作為能源方面，除了產(chǎn)品的本身具有節(jié)能的特點(diǎn)外，對(duì)于冰箱的儲(chǔ)能研究以及如何更好地利用蓄冷使其有利于食品的保鮮、冰箱更加節(jié)能等方面也是一個(gè)比較關(guān)鍵的項(xiàng)目[2]。蓄冷材料的應(yīng)用在八十年代已經(jīng)在冰箱上進(jìn)行使用，在當(dāng)時(shí)的環(huán)境與條件下，冰箱的能耗大，消費(fèi)生活水平低，對(duì)于蓄冷材料也主要是“鹽水”，所以在很多方面研究不夠深入、不夠清楚。另外有關(guān)目前冰箱的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與使用要求等也會(huì)產(chǎn)生較大的差別。

綜合上述的問(wèn)題，本論文主要通過(guò)研究新型相變蓄冷材料的特性，將其應(yīng)用于冰箱使其提高食品速凍保鮮效果，讓更多的家庭享受到新鮮食品所帶來(lái)的健康與美味。另外對(duì)蓄冷材料改善冰箱的內(nèi)部溫差、能量轉(zhuǎn)移特定進(jìn)行驗(yàn)證，從而改善冰箱制冷系統(tǒng)的不足。

2 相變蓄冷材料

因相變蓄冷材料在相變過(guò)程中，可吸收或釋放大量相變潛熱，與顯熱蓄冷相比，蓄、放熱效率高等特點(diǎn)，故相變蓄冷技術(shù)日益受到關(guān)注和重視。速凍保鮮技術(shù)可加快食品凍結(jié)速率，減少食品度過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間、防止食品中的水形成重結(jié)晶、破壞(擠壓、刺破)食品微生物組織，故是一種最大限度地保持食品原有色、香、味及其外觀(guān)、鮮度和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食品保鮮方法[3]。

2.1 蓄冷材料

氯化銨(AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，乙二醇(AR,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，SAP(AR,北京德寶管理有限公司，型號(hào)XQ031)，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)能實(shí)驗(yàn)室，電導(dǎo)率<0.5 us·cm-1)。

應(yīng)用CH3CH2OH 水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 wt%)和NH3CL水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)25 wt%)按照一定的質(zhì)量比混合，為了防止相變蓄冷材料液態(tài)泄露，在其內(nèi)加入高吸水性樹(shù)脂(SAP)，制備成粘稠狀的相變蓄冷材料，克服了相變蓄冷材料在使用中液相流動(dòng)問(wèn)題。

采用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)量了該復(fù)合相變蓄冷材料的相變潛熱值為304.00kJ·kg-1、相變溫度為-17.10 ℃。在經(jīng)過(guò)50次的蓄冷/釋冷循環(huán)后,其相變潛熱和相變溫度基本保持穩(wěn)定,說(shuō)明該相變蓄冷材料熱穩(wěn)定性較好,基本無(wú)相分離。

表1 相變蓄冷材料的特性Table 1 perforamance of phase change cold storage materials

2.2 快速熱交換結(jié)構(gòu)

相變蓄冷速凍器系統(tǒng)原理如下：在蓄冷器的背面添加相變蓄冷材料組成一個(gè)相變蓄冷速凍器，將該速凍器放置在冰箱冷凍室內(nèi)，與冷凍室內(nèi)的蒸發(fā)器進(jìn)行熱量交換，使多余的冷量以潛熱的形式儲(chǔ)存在相變材料中，然后當(dāng)速凍器承載熱負(fù)荷時(shí)，將多余的冷量通過(guò)導(dǎo)熱的形式傳遞給外界。當(dāng)需要速凍食品時(shí)，常溫的食物放置在相變蓄冷速凍器的表面，經(jīng)導(dǎo)熱，當(dāng)達(dá)到相變材料的相變溫度時(shí)，可進(jìn)行大量的熱量交換，食品快速降溫，盡可能短的時(shí)間內(nèi)度過(guò)其最大冰晶生成帶，滿(mǎn)足速凍效果。

1-蓄冷器塑料外殼 2-蓄冷材料 3-導(dǎo)熱材料 4-制冷蒸發(fā)器

由于采用導(dǎo)熱材料與蒸發(fā)器的直接接觸，加快了能量的交換，可以快速將蒸發(fā)器的能量?jī)?chǔ)存在相變蓄冷器中，減少了蓄冷材料的過(guò)冷度，同時(shí)由于換熱速度加快，也加大了儲(chǔ)能材料內(nèi)部分子間的運(yùn)動(dòng)，加快了內(nèi)部的熱量傳遞。

冰箱由于蒸發(fā)器面積設(shè)計(jì)大小不同，壓縮機(jī)制冷量匹配的差異，會(huì)產(chǎn)生不同的蒸發(fā)溫度，一般蒸發(fā)溫度在冷凍室會(huì)在-26～-30℃之間，當(dāng)冰箱停止工作時(shí)，蒸發(fā)器的溫度會(huì)上升至-18℃以上，相變溫度設(shè)計(jì)是否合理對(duì)于能量的最大儲(chǔ)存有影響，同時(shí)對(duì)于儲(chǔ)存能量的釋放也同樣有影響，本研究材料可以較大溫度差吸收蒸發(fā)器的能量，同時(shí)又可以通過(guò)導(dǎo)熱材料與蒸發(fā)器的接觸，將冷量通過(guò)蓄冷器的外殼、蒸發(fā)器釋放出來(lái)。

2.3 材料對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)相變蓄冷速凍器速凍效果的實(shí)驗(yàn)研究,一方面在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外對(duì)于相變蓄冷材料本身的速凍效果也進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)方法是通過(guò)分析試驗(yàn)包的厚度對(duì)冷卻時(shí)間的影響以及度過(guò)最大冰晶生成帶的時(shí)間等來(lái)對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)條件：冰箱冷凍室內(nèi)溫度-22℃，環(huán)境溫度18℃。實(shí)驗(yàn)在上述提供的恒溫恒濕環(huán)境的冰箱性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。

表2 有/無(wú)相變蓄冷速凍器對(duì)比實(shí)驗(yàn)方案布置Table 2 experimental plan arrangement

在試驗(yàn)包的中心布置熱電偶測(cè)量溫度，根據(jù)國(guó)際上劃分速凍效果主要體現(xiàn)在度過(guò)最大冰晶生成帶時(shí)間上(-1～-5℃)，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表3。

圖2 試驗(yàn)包中心溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig 2 the curve of temperature of package with time

表3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析Table 3 analysis of data and result

以A方案作為空白對(duì)照，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)包B和C的速凍效果近似相等，而采用本文蓄冷材料D比日本某材料B和國(guó)內(nèi)某材料C速凍效果提高9.1%。

3 應(yīng)用研究

冰箱的首要功能是保持食品新鮮和質(zhì)量，這取決于冷藏室或冷凍室的空氣溫度和氣流分布[4-5]。通過(guò)對(duì)相變材料的研究以及導(dǎo)熱方式的加強(qiáng)，從實(shí)驗(yàn)與理論上可以了解蓄冷材料會(huì)有較好的儲(chǔ)存冷量的效果，并且具有較快的冷卻速度。但在冰箱上如何更好地利用，需要結(jié)合冰箱的具體分析。

針對(duì)國(guó)內(nèi)銷(xiāo)量最大的兩門(mén)直冷單循環(huán)冰箱，由于制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制而會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，通過(guò)采用蓄冷材料可以較好地得到改善。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)能耗測(cè)試

在冰箱的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中，主要項(xiàng)目有冰箱的能耗測(cè)試、儲(chǔ)藏溫度、冷凍能力、冷卻速度、溫度回升等，這些檢測(cè)指標(biāo)可以判定一個(gè)冰箱的性能好壞，尤其冰箱的能耗。

對(duì)于單循環(huán)直冷冰箱，冷凍室采用絲管類(lèi)蒸發(fā)器后，冷量基本上是按蒸發(fā)器的布置設(shè)計(jì)進(jìn)行分布，而且針對(duì)目前國(guó)內(nèi)與歐洲的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于此類(lèi)冰箱的冷凍室溫度基本上是按照冷凍室的最高溫度作為冷凍室的溫度判定。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制，以及冰箱熱負(fù)荷的分布，一般在冷凍室內(nèi)頂部出現(xiàn)溫度最高點(diǎn)，如圖3中試驗(yàn)包放置“M1”、“M2”、“M3”和“M4”，其中“M1”和“M2”兩點(diǎn)因?yàn)檎舭l(fā)器的設(shè)計(jì)限制，能量無(wú)法提供更多的需求，從而使此兩點(diǎn)的溫度與其它點(diǎn)的溫度出現(xiàn)較大的偏差，這種偏差一般會(huì)在2～3℃之間，這無(wú)形中會(huì)增加冰箱的能耗，對(duì)比溫度均勻一致的冰箱能耗結(jié)果，能耗會(huì)偏大5%。

圖3 冰箱冷凍室測(cè)試點(diǎn)的布置Fig 3 M package location for freezing test

采用蓄冷材料，將它設(shè)計(jì)在蒸發(fā)器的頂部，可以較好地解決上部點(diǎn)的溫度差，可以將冰箱冷凍室的溫度設(shè)計(jì)更加均勻一致，從而使冰箱更節(jié)能。

3.2 溫度回升

在溫度回升的實(shí)驗(yàn)中，也主要是指冷凍室的溫度從-18℃上升至-9℃的時(shí)間，一般冰箱的冷凍室頂部溫度是最容易上升，同樣采用蓄冷材料后可以明顯改變溫度回升的時(shí)間。從圖4中可以看出，主要溫度升高點(diǎn)為“M1”和“M2”兩點(diǎn)，只要改善此點(diǎn)的溫度上升時(shí)間，則冰箱的溫度回升時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，提高了冰箱的性能。

3.3 能量轉(zhuǎn)移

相變蓄冷材料除對(duì)冰箱在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中的性能有改善外，針對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用也有較大的改進(jìn)，尤其對(duì)于單循環(huán)機(jī)械溫控直冷冰箱，在高溫環(huán)境下，對(duì)冰箱的節(jié)能有更大的效果。一般此類(lèi)冰箱的設(shè)計(jì)都是基于25℃的環(huán)境設(shè)計(jì)匹配，冷凍室蒸發(fā)面積與冷藏蒸發(fā)面積也都是按照此溫度條件下的熱負(fù)荷匹配，但在高溫環(huán)境下，冷藏室與冷凍室的負(fù)荷匹配發(fā)生變化，一般都是冷藏的負(fù)荷變化大于冷凍的負(fù)荷變化率，從而出現(xiàn)在高溫的環(huán)境下，冷凍室溫度出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象，在環(huán)境溫度38℃的情況下，冷凍室溫度會(huì)低于-20℃，這樣會(huì)使冰箱的耗電量加大。采用蓄冷材料，可以將冷凍室的能量轉(zhuǎn)移至冷藏室，從而可以通過(guò)外移能量的方式改善冰箱制冷系統(tǒng)的不足，達(dá)到減少冷藏的開(kāi)機(jī)時(shí)間，調(diào)高冷凍室的溫度，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖4 冷藏室和冷凍室溫度回升時(shí)間曲線(xiàn)Fig4 the curve of temperature rise time about chill-compartment and freezer

3.4 速凍

在對(duì)比蓄冷材料的降溫速度方面，本文研究的相變蓄冷材料經(jīng)過(guò)對(duì)比有較好的降溫效果，同時(shí)通過(guò)改進(jìn)了實(shí)用性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加導(dǎo)熱材料，會(huì)加快蓄冷材料的降溫速度，也加快了蓄冷材料的儲(chǔ)存與釋放冷量的速度，使食品能盡快的度過(guò)其最大冰晶生成帶時(shí)間，達(dá)到冰箱食品真正意義上的速凍效果。

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)發(fā)性能較好的蓄冷材料，對(duì)比國(guó)內(nèi)外其它規(guī)格的材料，具有較好的性能參數(shù)，同時(shí)為更加優(yōu)化蓄冷材料的性能，改進(jìn)實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過(guò)采用導(dǎo)熱材料，擴(kuò)大蓄冷材料的性能。針對(duì)冰箱的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與性能要求，研究蓄冷材料如何在冰箱上應(yīng)用后產(chǎn)生更好的節(jié)能效果，更有利于蓄冷材料的推廣與應(yīng)用。

[1] 方貴銀，徐錫斌.空調(diào)蓄冷材料熱性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2004,(2):40-42

[2] YE Qiong-juan，YU Ming，ZHANG Quan-kai，CHEN Qing-fa，YANG Gong-ming.The Application of Quick-frozen Technology in Food Engineering [J].Academic Periodical of Farm Products Processing.2012,12 :97-100

[3] 關(guān)志強(qiáng)等.食品冷凍冷藏原理與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：240-278

[4] 羅超，黃興華，陳江平.不同環(huán)境參數(shù)對(duì)間冷式冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜換熱性能的影響[J].制冷學(xué)報(bào)，2008,(2):17-22

* 2013-2018年中國(guó)冰箱產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)分析及投資趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告[R].智研咨詢(xún)集團(tuán)，2013.9