商超冷柜冷凝熱回收的熱氣旁通除霜性能研究

劉霞 韋自妍 劉忠寶

北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部 北京 100124

1 引言

隨著全球能源危機和溫室效應等問題的出現(xiàn)，世界各國開始注重能源的高效利用，綠色節(jié)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(xù)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(fā)，使人們意識到保鮮的重要性，而冷柜因儲藏量大的優(yōu)點，在食物等物品的保鮮方面占有重要的地位。根據(jù)產(chǎn)業(yè)在線數(shù)據(jù)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(fā)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(huán)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(diào)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(cè)添加相變材料蓄熱，在系統(tǒng)除霜的過程中，將壓縮機殼體廢熱用于提升來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑的溫度，來避免壓縮機持續(xù)回液問題的發(fā)生。林金煌[7]等人研究空調(diào)并行分流熱氣除霜，使得除霜時間與常規(guī)除霜時間相比縮短25%。余萌[8]設計一種與空氣源熱泵結(jié)合的相變蓄熱裝置，通過模擬在嚴寒地區(qū)運行情況，發(fā)現(xiàn)除霜性能可得到明顯提高，并且供熱更加穩(wěn)定。

結(jié)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(jié)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(tǒng)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(xiàn)存的較低環(huán)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(jié)論。

2 系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)境溫度下壓縮機的排氣溫度Tc進行測定，實驗所得數(shù)據(jù)如圖1所示。經(jīng)測定25℃環(huán)境溫度下壓縮機平均排氣溫度為95℃，0℃環(huán)境溫度下壓縮機平均排氣溫度為63℃，-7℃環(huán)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(huán)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(huán)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20 g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(jù)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(tǒng)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(jīng)過差示掃描量熱法進行蓄熱材料的熱物性測定，結(jié)果顯示選取相變蓄熱材料石蠟的相變潛熱為128.9 kJ/kg，樣品開始熔化的溫度為61.8℃，熔化結(jié)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(tǒng)的功耗，確定霜層從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)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(tǒng)在除霜過程中需要為霜層提供的功耗為0.0653 kW·h。

因此蓄熱材料需求的質(zhì)量mP為：

式中：mP為所需相變蓄熱材料的質(zhì)量，W為一個除霜過程的耗功，Δh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(shù)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(shù)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(tǒng)改造中，為了不對系統(tǒng)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190 mm，寬170 mm，高150 mm，采用16排12孔，排間距為12.8 mm，孔間距為21 mm。鋁箔采用親水鋁箔，鋁箔的厚度為0.115 mm，翅片間距為1.8 mm。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1.825 kg，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(cè)有長約30 mm的管道彎頭，因此含有翅片的管道長度為160 mm，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(huán)境溫度下原系統(tǒng)除霜性能實驗驗證，證實在較低的環(huán)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(cè)并聯(lián)相變蓄熱換熱器，以蓄存系統(tǒng)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(xiàn)熱氣旁通除霜過程中壓縮機吸氣的再升溫。改裝后系統(tǒng)可以實現(xiàn)正常制冷循環(huán)、蓄熱和除霜三種運行模式。

（1）蓄熱模式。如圖4所示，系統(tǒng)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?yōu)楦邏旱闹评鋭┮后w；流入毛細管降壓，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭┮后w；制冷劑液體流入蒸發(fā)器以后，吸收冷凍柜內(nèi)物品含有的熱量變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w，然后制冷劑流回壓縮機完成一次循環(huán)。

（2）正常制冷模式。如圖4所示，系統(tǒng)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?yōu)楦邏旱闹评鋭┮后w；流入毛細管降壓，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭┮后w；制冷劑液體流入蒸發(fā)器以后，吸收冷凍柜內(nèi)物品含有的熱量，變?yōu)榈蛪旱闹评鋭怏w，然后制冷劑流回壓縮機完成一次循環(huán)。

（3）除霜模式。如圖4所示，系統(tǒng)除霜原理為：電磁閥1由常閉狀態(tài)切換為打開狀態(tài)，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(fā)器，向蒸發(fā)器外側(cè)的霜層散熱，使霜層融化，由于制冷劑氣體向外界環(huán)境散熱，溫度變低；流經(jīng)電磁閥3進入蓄熱換熱器，吸收蓄熱換熱器內(nèi)蓄熱材料中蓄存的熱量，實現(xiàn)一定程度的溫升，再流回壓縮機吸氣，完成一次除霜循環(huán)。

圖4 新型蓄熱除霜系統(tǒng)流程圖

3 實驗方法

實驗過程中對不同環(huán)境溫度下除霜過程中系統(tǒng)運行功率等數(shù)據(jù)進行采集和記錄，對25℃和0℃環(huán)溫下改裝后系統(tǒng)和原系統(tǒng)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(fā)器入口溫度）、熱氣旁通排氣溫度（熱氣旁通除霜過程中蒸發(fā)器出口溫度）、蒸發(fā)器溫度等測溫點除霜過程中的數(shù)值變化進行記錄。

本文中所有實驗均在北京工業(yè)大學制冷實驗室恒溫恒濕室內(nèi)進行，兩臺冷凍柜和恒溫室內(nèi)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(tǒng)穩(wěn)定運行后，每隔10 min開一次冷凍柜的玻璃門，每次開門時間為15 s。從系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的第一次化霜開始數(shù)據(jù)記錄。環(huán)境溫度為25℃時，設定除霜時蒸發(fā)器表面溫度達到12℃結(jié)束除霜，最長除霜時間為120 min。環(huán)境溫度為0℃時，為了避免除霜時間過長造成冷凍柜內(nèi)過大的溫度波動，設定原系統(tǒng)除霜時蒸發(fā)器表面達到5℃除霜過程結(jié)束，最長除霜時間為120 min。

4 實驗結(jié)果

4.1 兩系統(tǒng)25℃溫度下除霜數(shù)據(jù)對比

4.1.1 25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化

25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化如圖5所示。通過對比25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化可以看出，改裝后系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化

25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化如圖6所示。原系統(tǒng)除霜時長約7 min，除霜過程中系統(tǒng)功率最高值為741.3 W，平均功率約為700 W。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140 W，因此壓縮機的平均功率約為560 W。經(jīng)計算，系統(tǒng)用于除霜的功耗為0.0653 kW·h。改裝后的系統(tǒng)在環(huán)境溫度25℃下運行時，除霜過程中系統(tǒng)最高除霜功率為866.13 W，相較于原系統(tǒng)除霜時的最高功率741.3 W提升了約120 W。除霜過程中，改裝后系統(tǒng)的平均功率為799.004 W，減去系統(tǒng)風扇、燈光的功率約140 W，則用于除霜的功率為659.004 W，除霜時長為4.5 min，經(jīng)計算原系統(tǒng)除霜功耗為0.0494 kW·h。

圖6 25℃下兩系統(tǒng)除霜功率變化圖

4.1.3 25℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運行一個周期（穩(wěn)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(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運行一個周期功率變化如圖7所示。25℃下原系統(tǒng)在一個運行周期內(nèi)除霜時長7 min，壓縮機運行時長74 min，壓縮機停機時長30 min，平均功率為430.47 W。經(jīng)計算，原系統(tǒng)運行一個周期的功耗為0.861 kW·h。根據(jù)圖7，通過分析可以發(fā)現(xiàn)，改裝后系統(tǒng)正常運行過程中的功率普遍大于原系統(tǒng)的功率。此外，改裝后系統(tǒng)在除霜結(jié)束后需要更長的壓縮機運行時間來恢復冷凍柜內(nèi)的設定溫度，這對系統(tǒng)節(jié)能是不利的。改裝后系統(tǒng)運行一個周期的平均功率為548.60 W，經(jīng)計算改裝后系統(tǒng)運行一個周期的功耗為1.097 kW·h。

圖7 25℃下兩系統(tǒng)運行一周期功率變化圖

4.1.4 25℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜效果對比

25℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜所得數(shù)據(jù)如表1所示。對于25℃環(huán)境溫度下的兩系統(tǒng)除霜，改裝后系統(tǒng)的壓縮機平均排氣溫度較原系統(tǒng)提升20℃，蒸發(fā)器表面溫升增大3.7 K，除霜時間比原系統(tǒng)縮短2.5 min，除霜平均功率增大99.004 W，一次除霜功耗減少0.0159 kW·h，運行一個周期后改裝后系統(tǒng)功耗增加0.236 kW·h。

表1 25℃下兩系統(tǒng)除霜過程主要參數(shù)

4.2 兩系統(tǒng)0℃溫度下除霜數(shù)據(jù)對比

4.2.1 0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化

0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化如圖8所示。通過對比0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)各個測溫點溫度變化可以看出，改裝后系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)除霜困難的問題。此外，壓縮機排氣溫度沒有出現(xiàn)原系統(tǒng)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(tǒng)與改裝后系統(tǒng)除霜功率變化

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

圖9 25℃下兩系統(tǒng)除霜功率變化圖

4.2.3 0℃下原系統(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運行一個周期（穩(wěn)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(tǒng)與改裝后系統(tǒng)運行一個周期功率變化如圖10所示。原系統(tǒng)在0℃環(huán)境溫度下，選取系統(tǒng)穩(wěn)定運行后某次除霜開始之前到下一次除霜開始之前的2 h作為一個運行周期。在環(huán)境溫度為0℃下，系統(tǒng)平均運行功率為551.53 W，則原系統(tǒng)一個運行周期內(nèi)的功耗為1.103 kW·h。改裝后系統(tǒng)在環(huán)境溫度為0℃下，系統(tǒng)平均運行功率為391.0 W，則原系統(tǒng)一個運行周期內(nèi)的功耗為0.783 kW·h。

圖10 0℃下兩系統(tǒng)運行一周期功率變化圖

4.2.4 0℃下原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)的除霜效果對比

0℃下改裝后系統(tǒng)和原系統(tǒng)的除霜所得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 0℃環(huán)境溫度下兩系統(tǒng)除霜過程主要參數(shù)

對于0℃環(huán)境溫度下的兩系統(tǒng)除霜，改裝后系統(tǒng)的壓縮機平均排氣溫度較原系統(tǒng)提升30℃，蒸發(fā)器表面的溫升增大12 K，除霜時間比原系統(tǒng)縮短76 min，除霜平均功率增大46.9 W，一次除霜功耗減少0.5574 kW·h，運行一個周期后改裝后系統(tǒng)功耗減少0.32 kW·h。

5 結(jié)論

通過將原系統(tǒng)和改裝后系統(tǒng)在25℃和0℃環(huán)境溫度下進行對比實驗發(fā)現(xiàn)：

1）在25℃環(huán)境下，改裝后系統(tǒng)可以縮短除霜時間2.5 min，減小除霜功耗。

2）相較于25℃在0℃環(huán)境下，改裝系統(tǒng)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(tǒng)除霜時間縮短為原系統(tǒng)5%，除霜功耗減小為原來的5.6%，可以解決原系統(tǒng)冬季除霜效果差的問題，且成效明顯。

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