無霜冰箱基于濕度傳感器的化霜控制方法研究

程琳

（合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230001）

無霜冰箱基于濕度傳感器的化霜控制方法研究

程琳

（合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230001）

本文通過研究濕度傳感器在家用無霜冰箱中的化霜控制技術(shù)，得到一種全新的研究方法。這種方法通過濕度傳感器在冰箱運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)記錄的干球溫度、相對(duì)濕度，熱力學(xué)計(jì)算方法，得到無霜冰箱運(yùn)行過程中凝結(jié)在蒸發(fā)器表面的結(jié)霜量，用于指導(dǎo)無霜冰箱最佳化霜切入點(diǎn)。

無霜冰箱；濕度傳感器；結(jié)霜量；化霜控制

1 引言

空調(diào)器除濕量的試驗(yàn)研究[3]是比較成熟的課題，同樣的原理，無霜冰箱制冷運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器表面也會(huì)凝結(jié)水汽形成結(jié)霜層，蒸發(fā)器除霜方案的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確找到除霜的切入點(diǎn)和退出點(diǎn)，若除霜太晚，在有限的時(shí)間內(nèi)霜層難以除盡，殘留在翅片表面的霜層在下一個(gè)結(jié)霜周期內(nèi)形成“二次結(jié)霜”且容易形成冰塊，導(dǎo)致冰箱工作狀況惡化，化霜失效將導(dǎo)致下一周期冰箱無法正常制冷；若除霜過早，會(huì)造成頻繁化霜增加不必要的能耗。因此，蒸發(fā)器化霜技術(shù)的優(yōu)劣性對(duì)冰箱性能有著非常重要的意義。

無霜冰箱化霜控制一般采用規(guī)避法，冰箱長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行避開計(jì)算周期，集中化霜一次，此種方法造成單次化霜能耗增量很高，蒸發(fā)器結(jié)霜量未知，所以可能并不是除霜的最好時(shí)機(jī)。

濕度傳感器化霜技術(shù)能夠從原理上解決該問題，這是因?yàn)闈穸葌鞲衅骺蓽?zhǔn)確檢測(cè)所測(cè)點(diǎn)的相對(duì)濕度和干球溫度，結(jié)合理論算法和經(jīng)驗(yàn)公式，能夠計(jì)算出每個(gè)制冷周期開機(jī)時(shí)刻經(jīng)由進(jìn)風(fēng)風(fēng)道—蒸發(fā)器—回風(fēng)風(fēng)道從間室負(fù)載和外界進(jìn)入所帶走的水量。這些水分被蒸發(fā)器凝結(jié)，形成霜層，進(jìn)而能夠較準(zhǔn)確的推算結(jié)霜量。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了無霜冰箱基于濕度傳感器技術(shù)的化霜控制方法，總結(jié)出無霜冰箱在運(yùn)行過程中結(jié)霜量公式，綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出無霜冰箱最佳化霜切入點(diǎn)，該計(jì)算方法和控制規(guī)則可以成為一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，指導(dǎo)無霜冰箱化霜規(guī)則的確定。

2 試驗(yàn)原理

由于具有同樣的制冷原理，空調(diào)除濕量研究方法[2]建同樣適用于無霜冰箱。不同的是，空調(diào)是一個(gè)單循環(huán)過程，而無霜冰箱一般具有兩個(gè)及以上的風(fēng)道回路。涉及到不同狀態(tài)的濕空氣混合[1]過程。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

假設(shè)：a.進(jìn)、出蒸發(fā)器的干空氣質(zhì)量流量相等；b.吸入、吹出蒸發(fā)器的濕空氣參數(shù)各點(diǎn)均勻一致。

2.2 蒸發(fā)器的吸風(fēng)、出風(fēng)、凝露水參數(shù)

（1）吸風(fēng)濕空氣參數(shù)：干球溫度t1(℃)，含濕量d1(g水蒸汽/kg干空氣)，質(zhì)量流量m1(kg/s)，比焓h1(kJ/kg干空氣），干空氣流量m干(kg/s)。

（2）出風(fēng)濕空氣參數(shù)：干球溫度t2(℃)，含濕量d2(g水蒸汽/kg干空氣)，質(zhì)量流量m2(kg/s)，比焓h2(kJ/kg干空氣)，干空氣流量m干(kg/s)。

（3）結(jié)霜參數(shù)：溫度t′(℃)，比焓h′(kJ/ kg)，質(zhì)量流量m′(kg/s)。

3 求解

據(jù)能量守恒定律得：

將式（3）與式（4）代入式（2），得出：

將式（5）代入式（1），得出：

將式（6）代入式（5），得出：

其中，Q是冰箱壓縮機(jī)的制冷量（由實(shí)驗(yàn)室通過壓縮機(jī)量熱計(jì)測(cè)得），h1、h2、d1、d2均可由進(jìn)出風(fēng)干球溫度和相對(duì)濕度利用熱力學(xué)公式計(jì)算得到，h′可通過對(duì)蒸發(fā)器布置溫濕度傳感器干球溫度和相對(duì)濕度利用熱力學(xué)公式計(jì)算得到。也就是說，只要測(cè)得蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)干球溫度、相對(duì)濕度、蒸發(fā)器表面干球溫度、相對(duì)濕度，即可通過熱力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式按式（7）計(jì)算得出家用無霜冰箱理論結(jié)霜量。

由上公式可見，設(shè)法求出五個(gè)點(diǎn)的h和d即可得出除濕量m(kg/s)。已知某點(diǎn)的干球溫度t、相對(duì)濕度φ，利用以下公式求該點(diǎn)的焓值h和含濕量d：

M=5m′（假設(shè)5s內(nèi)能滿足公式成立的穩(wěn)態(tài)條件，每5s采集一次數(shù)據(jù)）

M=5(m1－m2+m3)（M：蒸發(fā)器結(jié)霜量；m1：冷藏制冷時(shí)冷藏室除濕量；m2：冷藏制冷時(shí)從冷藏進(jìn)入冷凍的水量；m3：冷凍室單獨(dú)制冷時(shí)除濕量）。

涉及濕空氣混合[1]設(shè)有質(zhì)量m1的濕空氣（其中干空氣的質(zhì)量ma1）狀態(tài)參數(shù)為t1、h1、φ1、d1與質(zhì)量為m2的濕空氣（其中干空氣的質(zhì)量ma2）狀態(tài)參數(shù)為t2、h2、φ2、d2，混合后濕空氣的質(zhì)量為mc=m1+m2。

4 試驗(yàn)方法

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

盛思銳EK-H4溫濕度測(cè)試儀，精度為±3%最小采集間隔1s，數(shù)據(jù)處理軟件版本EK-H4 Viewer v1.0。

4.2 試驗(yàn)條件

變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：4500轉(zhuǎn)～1200轉(zhuǎn)，制冷量誤差范圍±5%；

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度25℃、相對(duì)濕度60%Rh，偏移不超過±5%。

4.3 準(zhǔn)備工作

4.3.1 壓縮機(jī)量熱計(jì)測(cè)得相同環(huán)溫下不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)制冷量（見表1）

4.3.2 濕度傳感器的布點(diǎn)位置及空水瓶的安裝

風(fēng)冷無霜冰箱BCD-301W，冷藏室容積：197L；冷凍室容積：104L；蒸發(fā)器表面積：0.006286m2；空水瓶重量12.4g。

將同型號(hào)冰箱壓縮機(jī)放入壓縮機(jī)熱量計(jì)，環(huán)溫調(diào)至25度，測(cè)量其在冷藏制冷、冷凍制冷下不同轉(zhuǎn)速的冷量。

將冰箱冷藏進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)口、冷凍進(jìn)風(fēng)口，回風(fēng)口、蒸發(fā)器上、中、下布置溫濕度傳感器探頭，采集間隔設(shè)定為5s采集一次。放置在25度環(huán)境溫度下通電，在化霜水管出箱端連接一空水瓶，并進(jìn)行密封，保證化霜水能完全滴落到水瓶中。具體布點(diǎn)位置如圖1所示。

5 結(jié)果及分析

5.1 制冷過程分析

因冰箱控制規(guī)則為冷藏、冷凍交替制冷，首先應(yīng)將數(shù)據(jù)區(qū)分為冷藏制冷時(shí)間、冷凍制冷時(shí)間，并將對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)冷量一一對(duì)應(yīng)好（可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，也可人工輸入）。

由于該冰箱的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：蒸發(fā)器位于冷凍室，單個(gè)風(fēng)扇為兩個(gè)間室共用，冷藏室通過風(fēng)門開啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)開停。所以當(dāng)冷藏室制冷時(shí)，冷凍室被動(dòng)制冷，此時(shí)進(jìn)入蒸發(fā)器的濕空氣狀態(tài)應(yīng)當(dāng)是冷凍回風(fēng)濕空氣和冷藏回風(fēng)濕空氣狀態(tài)參數(shù)的混合hc、dc；出蒸發(fā)器的空氣狀態(tài)等同于冷藏進(jìn)風(fēng)口狀態(tài)。

當(dāng)冷凍室制冷時(shí)，冷藏風(fēng)門關(guān)閉，此時(shí)進(jìn)蒸發(fā)器的空氣狀態(tài)等同于冷凍回風(fēng)口狀態(tài)，出蒸發(fā)器的空氣狀態(tài)等同于冷凍室進(jìn)風(fēng)口狀態(tài)。

5.2 理論公式驗(yàn)證

冰箱測(cè)試持續(xù)幾個(gè)化霜周期，每個(gè)化霜周期需量水，記錄每個(gè)周期化霜水量。驗(yàn)證公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差，判定公式準(zhǔn)確性，見表2。

由表2可看出，該熱力學(xué)判定方法擬合的公式具有較好的一致性，但存在誤差。誤差范圍在3.26%左右，故冰箱調(diào)整系數(shù)K=1-0.17=0.83

5.3 化霜切入點(diǎn)預(yù)判

通過控制軟件實(shí)現(xiàn)冰箱無化霜狀態(tài)運(yùn)行5天以上，通過溫度漂移、耗電量增量觀察，得到幾個(gè)預(yù)估的化霜最佳切入點(diǎn)。通過以上公式和調(diào)整系數(shù)綜合計(jì)算得這幾個(gè)點(diǎn)的結(jié)霜量。

表1 相同環(huán)溫下不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)制冷量

表2 實(shí)測(cè)水量誤差分析

由以往經(jīng)驗(yàn)，預(yù)判準(zhǔn)則暫定為：

（1）冷凍最熱點(diǎn)溫度24小時(shí)內(nèi)波動(dòng)超過+0.3℃，且之后無明顯下降趨勢(shì)；從圖2可以看到，以冷凍最熱點(diǎn)為例，將其溫度坐標(biāo)精度提高，且生成趨勢(shì)圖3后，即可大致判定切入點(diǎn)位置在第164個(gè)數(shù)據(jù)左右。

（2）壓縮機(jī)開機(jī)率較平均開機(jī)率增大3%以上（目標(biāo)開機(jī)率82%）且之后無明顯下降趨勢(shì)，如圖3，預(yù)判位置也同樣落在第164個(gè)數(shù)據(jù)左右。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，一般一、二同時(shí)出現(xiàn)；切入點(diǎn)預(yù)判為測(cè)試開始到第164個(gè)數(shù)據(jù)所在的時(shí)間，即系統(tǒng)連續(xù)制冷運(yùn)行的第64小時(shí)。

通過修改控制軟件，對(duì)這幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行摸底測(cè)試，可以發(fā)現(xiàn)，切入點(diǎn)處化霜對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能耗有益，化霜周期耗電量增量同比減少5%。

5.4 反推結(jié)霜厚度

化霜切入點(diǎn)確定后，我們可以利用擬合公式計(jì)算出切入點(diǎn)結(jié)霜量。對(duì)該制冷系統(tǒng)切入點(diǎn)結(jié)霜量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)霜量M=201g，已知蒸發(fā)器表面積S=6.286cm，那么本冰箱最佳除霜系數(shù)N=201/6.286=31.9g/cm2。

在今后的制冷過程中，我們就可以以N作為無霜系統(tǒng)工作效率的界定值。N以上意味冰箱霜層過厚整體性能下降，單次除霜能耗過大；N以下意味蒸發(fā)器霜厚還未影響整體性能，未到最佳除霜時(shí)機(jī)，若除霜?jiǎng)t會(huì)造成能耗浪費(fèi)。

圖1 制冷系統(tǒng)與冰箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論

（1）通過濕度傳感器計(jì)算無霜冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜量的理論公式存在一定誤差，需要通過以上實(shí)驗(yàn)過程確定其調(diào)整參數(shù)后使用。

（2）將無霜冰箱霜層厚度作為指導(dǎo)無霜冰箱化霜切入點(diǎn)指標(biāo)，能使無霜冰箱在不同工況下的化霜?jiǎng)幼鞲又悄芎凸?jié)能。

（3）基于濕度傳感器的化霜控制技術(shù)，能夠讓無霜冰箱擺脫傳統(tǒng)計(jì)時(shí)器控制，是一種基于熱力學(xué)原理的、最了解無霜冰箱運(yùn)行工況的化霜方法。

圖2 冷凍最熱點(diǎn)波動(dòng)及趨勢(shì)線

圖3 開機(jī)率波動(dòng)及趨勢(shì)線

[1] 廉樂明，李力能，吳家正等. 工程熱力學(xué)[M]. 中國建筑工業(yè)出版社,2000

[2] 黃向紅. 家用空調(diào)器除濕量的計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)定[J]. 制冷學(xué)報(bào),1994(4):32-35

[3] 李玉春. 變頻空調(diào)器除濕量的試驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào),2007(3):13-16

Study on the control method of frost free refrigerator based on humidity sensor

CHENG Lin
（Hefei Meiling Co.,Ltd. Hefei 230001）

In this paper，a new method for the study of frost control of frost free refrigerator based on humidity sensor. This approach by the humidity sensor in the running process of the refrigerator are recorded in real time dry bulb temperature, relative humidity, thermodynamic calculation method obtained during the operation of the refrigerator frost condensation in evaporator surface frost quantity, used to guide no frost refrigerator optimal frost point.

Frost free refrigerator; Humidity sensor; Frost quantity; Frost control