風冷冰箱化霜控制分析研究

劉 雷 李培培

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

風冷冰箱，又稱無霜冰箱，由于可以實現(xiàn)自動化霜，不用手工除霜，使用方便，已成為國內(nèi)消費者購買冰箱的首選，其制冷原理就是利用翅片蒸發(fā)器中制冷劑相變吸熱及以風扇為動力的強制對流換熱方式使冰箱內(nèi)部實現(xiàn)降溫。由于冰箱內(nèi)儲存的食物含有水分，且冰箱在開關(guān)門的過程中也會進入一定的水蒸汽，這些水蒸汽會隨著冰箱風循環(huán)流經(jīng)翅片蒸發(fā)器的表面時形成霜層[1]。

目前，現(xiàn)有的風冷冰箱化霜控制方式普遍采用以壓縮機累計工作時間和冰箱開門時間為基礎(chǔ)換算總計時的方式，即壓縮機累計工作時間和冰箱開門時間為基礎(chǔ)進行公式換算的結(jié)果為總計時，當總計時達到預(yù)設(shè)值時冰箱啟動化霜[2]。

但是，現(xiàn)有的許多風冷冰箱只有冷藏室有開關(guān)門檢測裝置，而冷凍/變溫間室則沒有。冰箱在冷凍/變溫室開門時，大量濕空氣進入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器快速滿霜，而總計時值不能隨之增加，且冰箱不能及時化霜，就會導(dǎo)致上述所述的食物變質(zhì)，風扇打冰、堵轉(zhuǎn)等問題。為解決此問題，設(shè)計師大多會采用縮短化霜周期的措施來提高冰箱在惡劣工況下化霜的可靠性，但同時也增加了冰箱在正常工況的化霜頻次，造成過度化霜，產(chǎn)生不必要的化霜功耗[3]。

對此，本文選擇兩門風冷BCD-338W冰箱為研究載體，通過相應(yīng)的試驗測試，分析出冷藏制冷時間與蒸發(fā)器結(jié)霜量的關(guān)系，設(shè)計出以冷藏制冷時間為依據(jù)的單循環(huán)風冷冰箱化霜控制方法，使冰箱達到“準確化霜，及時化霜”的目的。

1 實驗測試

1.1 實驗對象

本次實驗所用樣機是型號為BCD-338W的單循環(huán)風冷兩門冰箱，為上藏下凍結(jié)構(gòu)。該樣機主要由壓縮機、冷凝器、毛細管和蒸發(fā)器等部分組成，其冷藏風門開關(guān)由冷藏傳感器控制，壓縮機的啟停由冷藏傳感器和冷凍傳感器控制。冰箱所用蒸發(fā)器是一個三排五列的拉脹翅片管式（如圖1所示），冷凝器為內(nèi)置冷凝器。

圖1 蒸發(fā)器組件

1.2 測試方法分析

本文所用實驗數(shù)據(jù)均是在環(huán)境溫度為32 ℃，相對濕度為80 %的條件下取得。實驗過程中，采用銅-康銅熱電偶來測量溫度；在箱體內(nèi)部均布置有溫度測點，監(jiān)測冰箱運行期間各測點的溫度變化。數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為30 s；同時采用數(shù)字測試儀測量冰箱的運行功率和耗電量。另外在測試過程中冰箱冷藏、冷凍室溫度分別設(shè)定為4 ℃和-18 ℃。

如圖2所示，t1、t2為化霜后冰箱制冷穩(wěn)定段冷藏單次制冷時間長度，tp為t1、t2均值，tn為冰箱化霜前最后一次完整的冷藏單次制冷時間長度，Ts為冰箱化霜周期，即兩個相鄰化霜之間的間隔時間長度，Vs為冰箱每次化霜所產(chǎn)生的化霜水容積，△E為化霜能耗。本次試驗主要研究分析在一個的化霜周期內(nèi)隨著蒸發(fā)器結(jié)霜量的增加，冷藏每次制冷時間長度的變化規(guī)律，并以冰箱化霜周期Ts為變量，分別取Ts=10 h、15 h、20 h、25 h、30 h、35 h、40 h共7組狀態(tài)下，驗證測試并計算出tp、tn、Vs、△E、tn/tp共6個數(shù)值，如表1 所示。

2 化霜控制分析

2.1 結(jié)霜過程分析

如圖2所示，冰箱化霜完成后，蒸發(fā)器風阻較小，換熱效率高，冷藏降溫速度快，如表1所列，tp值均在16 min上下，在較短的時間內(nèi)完成了一個冷藏制冷周期，但隨著冰箱累計運行時間遞增，霜層逐漸加厚，風路系統(tǒng)阻力逐漸變大，風循環(huán)效率降低，制冷效果變差，進而導(dǎo)致冷藏單次制冷時間tn逐漸變大。

表1 結(jié)霜試驗測試數(shù)據(jù)表

如圖3所示，隨著化霜周期Ts值從10 h增至40 h，tn值也在快速增加，當化霜周期升到35 h以上后，tn和tp比值升至2.0以上，冷藏降溫速度下降明顯，說明此階段冰箱制冷效率很差，蒸發(fā)器已接近霜滿狀態(tài)。由此可以得出一個結(jié)論：在一個化霜周期內(nèi)隨著蒸發(fā)器結(jié)霜量的增加，冰箱制冷效率會逐步下降，冷藏單次制冷時間也逐漸加長，反之，若根據(jù)冷藏制冷時間的變化，也能間接反映出冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜量的多少。

2.2 化霜周期控制

如上文所述，風冷冰箱持續(xù)制冷，蒸發(fā)器結(jié)霜量不斷增加，冰箱累計制冷時間越長，蒸發(fā)器結(jié)霜量就越多。如圖3所示，化霜周期Ts在10 h至25 h，化霜水量Vs值增速較快。此階段是蒸發(fā)器霜層由少到多的快速增長期，也是冰箱高效率制冷運行時期?；芷赥s在25 h之后，化霜水量Vs值曲線平緩，在此階段冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜量較多，已接近滿霜，同時，tn值相對較大，較前階段冷藏單次制冷時間增加很多，冰箱制冷效率很低，此時冰箱若再繼續(xù)制冷，不僅會增加運行耗電量，同時還會導(dǎo)致冷凍風道內(nèi)部結(jié)霜、結(jié)冰，故冰箱應(yīng)立即停止制冷并啟動化霜，待化霜結(jié)霜后再恢復(fù)制冷。其次，化霜周期Ts從10 h增至30 h、40 h，化霜增量△E并沒有同倍數(shù)增長，由此可見，在保證冰箱制冷運行正常的前提下，應(yīng)僅可能地延長化霜周期，有助于降低冰箱運行能耗。

圖3 結(jié)霜試驗測試數(shù)據(jù)分析圖

針對上述驗證分析結(jié)果，冰箱蒸發(fā)器結(jié)霜多寡，影響冷藏制冷時間長短，反之，根據(jù)冷藏制冷時間的變化，亦可間接反應(yīng)出蒸發(fā)器結(jié)霜量多少，并判定冰箱是否需要啟動化霜。對此，本文提出一個新的單循環(huán)風冷冰箱化霜控制方法：如圖2所示，在冰箱正常制冷時，判斷冷藏室當前制冷周期內(nèi)制冷時間與化霜結(jié)霜后穩(wěn)定運行階段若干次冷藏制冷時間平均值的比值是否大于等于與預(yù)設(shè)值；若是，則判定蒸發(fā)器為滿霜，立即啟動化霜；若不是，則判定蒸發(fā)器未滿霜，冰箱繼續(xù)進行制冷，具體如下：當時，冰箱停止制冷并啟動化霜，否則冰箱繼續(xù)制冷，其中tp為化霜后穩(wěn)定運行時段冷藏單次制冷時間平均值，tn為當前冷藏制冷周期內(nèi)制冷時間長度，k值可根據(jù)實驗驗證得出，一般取值在1.5～2.5之間。

3 總結(jié)

本文提供的一種單循環(huán)風冷冰箱化霜控制方法，可以有效補充現(xiàn)有化霜控制方式，使冰箱化霜更加智能，可保證除冷凍間室外的其他間室在遇到霜堵時能夠及時地恢復(fù)制冷，可使冰箱化霜更加準確及時，避免了出現(xiàn)因蒸發(fā)器滿霜導(dǎo)致冰箱制冷效果差或不制冷，以及因化霜不及時導(dǎo)致冷凍風扇結(jié)霜、扇葉周圍積冰，進而出現(xiàn)扇葉打冰、冰堵的異常噪聲的問題，同時又杜絕了為保證化霜可靠性使冰箱過度化霜浪費電能的問題，做到“及時化霜、準確化霜”。本文的研究成果豐富了冰箱的化霜控制方法，為單系統(tǒng)風冷冰箱的化霜設(shè)計改善提供重要的設(shè)計參考。