對開門風冷冰箱化霜及恢復(fù)期耗電量增量降低方法研究

余濤 劉全義 李清松

長虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

風冷冰箱制冷過程中，箱內(nèi)空氣中的水分在蒸發(fā)器表面析出并被凍結(jié)成霜或冰，隨著霜或冰的增加，蒸發(fā)器熱阻增大，換熱效率降低[1-2]，同時空氣流過蒸發(fā)器表面的通道減小，冰箱制冷循環(huán)風量減小，冰箱制冷能力逐步變差，甚至不制冷，所以風冷冰箱需要周期性除掉蒸發(fā)器表面累積的霜和冰，維持冰箱正常制冷功能。

根據(jù)GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[3]標準，風冷冰箱耗電量包含穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜及恢復(fù)期耗電量增量，電冰箱化霜及恢復(fù)期耗電量增量是指無霜電冰箱由于化霜及恢復(fù)期產(chǎn)生的額外的電能消耗，化霜及恢復(fù)期能耗增量越大，風冷冰箱能耗越大。

風冷冰箱主要采用電加熱方式對翅片蒸發(fā)器進行除霜，化霜加熱器通過熱輻射、導(dǎo)熱和自然對流復(fù)合傳熱方式對蒸發(fā)器進行加熱除霜。有文獻研究得出，除霜加熱器所發(fā)出的熱量僅有15%～20%被有效利用[4]，剩余的熱量被結(jié)構(gòu)部件、制冷劑和箱內(nèi)冷空氣吸收。低效率除霜，不僅使除霜能耗增大，同時溫度升高，再次開機后的運行能耗增加，最終增加冰箱能耗。

目前，風冷冰箱降低化霜增量的方法主要集中在高效除霜階段，李智強、趙丹[5]等通過將回風道出口的風量分布與除霜加熱器除霜熱量分布相匹配，可使蒸發(fā)器上的結(jié)霜分布與除霜加熱器除霜熱量分布一致，進而可實現(xiàn)蒸發(fā)器上霜層均勻融化，達到優(yōu)化除霜的目的。孫好雷、盛偉[6]等通過改進化霜策略、采用整體翅片提升化霜效率，合理控制化霜溫度，減少無用能耗，使冰箱化霜期間的能耗降低5%。

根據(jù)不同類型的風冷冰箱能耗試驗測試結(jié)果，化霜及恢復(fù)期能耗占比約8%～15%。由于單系統(tǒng)風冷冰箱共用一個蒸發(fā)器，蒸發(fā)器結(jié)霜速度最快，化霜及恢復(fù)期能耗占比最大。如本文研究對象為單系統(tǒng)對開門風冷冰箱BCD-540W，根據(jù)載體冰箱實際耗電量測試結(jié)果，化霜及恢復(fù)期能耗0.118 kW?h/24 h，標準耗電量0.8018 kW?h/24 h，原狀態(tài)化霜及恢復(fù)期能耗占比高達14.7%。本文通過對研究載體化霜及恢復(fù)期耗電量增量的影響因素研究分析，探索降低化霜及恢復(fù)期耗電量增量方法，從而實現(xiàn)降低風冷冰箱耗電量。

1 風冷冰箱化霜增量影響因素

1.1 風冷冰箱除霜進程

處于制冷循環(huán)的風冷冰箱，當觸發(fā)除霜設(shè)置條件時，冰箱啟動除霜程序，此時壓縮機停止工作，風扇關(guān)閉，啟動化霜加熱器，當蒸發(fā)器表面霜或冰完全融化后，關(guān)閉化霜加熱器，進入蒸發(fā)器滴水時間，滴水完成，壓縮機啟動，冰箱再次進入制冷循環(huán)。

1.2 風冷冰箱化霜及恢復(fù)期耗電量增量影響因素

因執(zhí)行除霜程序，風冷冰箱一段時間內(nèi)處于非制冷狀態(tài)，箱內(nèi)溫度逐步回升，同時因化霜加熱器部分熱量通過風道導(dǎo)熱和對流方式傳遞至箱內(nèi)，加劇箱內(nèi)溫度回升。通常除霜周期結(jié)束，冷凍室內(nèi)最高溫度回升至0℃以上，當冰箱再次制冷時需要消耗額外的制冷量使箱內(nèi)溫度恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)溫度。

通過研究風冷冰箱除霜過程可知，影響化霜和恢復(fù)期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發(fā)器除霜效率、壓縮機和風機轉(zhuǎn)速控制、電動風門開關(guān)控制等。本文以某款大容積對開門單系統(tǒng)風冷冰箱BCD-540W為載體，以產(chǎn)品易實現(xiàn)、改動小等角度出發(fā)，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復(fù)期壓縮機、制冷風機、電動風門等方面進行控制策略優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證其優(yōu)化效果。

2 降低風冷冰箱化霜增量的優(yōu)化設(shè)計案例

2.1 化霜加熱器設(shè)計

風冷冰箱BCD-540W化霜加熱器采用鋼管材質(zhì)，化霜加熱器布置在蒸發(fā)器最下端，如圖1所示。通過對風冷冰箱化霜過程蒸發(fā)器表面溫度監(jiān)測可知，蒸發(fā)器除霜過程為“從下到上”逐步除霜方式。從熱量傳遞過程來看，蒸發(fā)器下部以熱輻射傳熱為主，除霜迅速，蒸發(fā)器中、上部以熱空氣對流傳熱途徑為主，最上部蒸發(fā)器溫度回升最慢。在風冷冰箱除霜后期，隨著蒸發(fā)器表面霜層逐漸融化，空氣流動阻力逐漸減小，自然對流加劇，箱內(nèi)溫度迅速升高。

圖1 蒸發(fā)器與加熱器安裝方式

BCD-540W改進前的化霜加熱器大部分管路與蒸發(fā)器距離較遠，加熱效率較低，改進前化霜加熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對該蒸發(fā)器倉布局方式，優(yōu)化設(shè)計思路為在保證化霜接水盤和冷藏回風口除霜徹底的前提下，加熱器管路集中靠近蒸發(fā)器，提高加熱器熱量利用率，改進后化霜加熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時把加熱器功率由原狀態(tài)242 W調(diào)整為201 W（201 W為常用的加熱器功率），驗證其改進效果。

圖2 改進前化霜加熱器結(jié)構(gòu)

圖3 改進后化霜加熱器結(jié)構(gòu)

如表1所示，以相同控制邏輯，分別設(shè)置242 W和201 W加熱器功率，改進后化霜加熱器工作時間同比縮短，化霜增量分別降低8.94%和10.23%。

表1 相同規(guī)則下加熱器改進前、后化霜增量對比數(shù)據(jù)

2.2 化霜及恢復(fù)期控制策略優(yōu)化

如圖4所示，本文根據(jù)風冷冰箱化霜過程，把化霜及恢復(fù)期完整階段分解成若干個進程，并針對每個進程進行優(yōu)化控制。

圖4 風冷冰箱化霜進程示意圖

化霜進程一，化霜前蒸發(fā)器預(yù)熱階段。

當風冷冰箱觸發(fā)化霜程序，壓縮機停止工作，冷凍風扇維持運行狀態(tài)，同時冷藏風門維持開啟狀態(tài)，待冷凍風扇運行3～4分鐘后關(guān)閉，同時關(guān)閉冷藏風門，打開化霜加熱器。確保在化霜加熱打開之前，利用蒸發(fā)器多余制冷量用于冷藏室制冷，并且蒸發(fā)器表面溫度一般可回升至-15～-13℃，提升蒸發(fā)器表面溫度，減少化霜加熱器工作時間。

化霜進程二，設(shè)定合理的化霜退出溫度。

為保證風冷冰箱蒸發(fā)器倉除霜干凈、無死角，通常在蒸發(fā)器最難除霜的位置設(shè)置化霜溫度傳感器，一般化霜退出溫度設(shè)定為8～12℃，通過設(shè)定退出溫度富余值來保證蒸發(fā)器除霜徹底。這種方式雖然能在一定程度上避免除霜不徹底的問題，但必然帶來多余能量消耗，增大冰箱耗電量。在35℃/85%濕度、連續(xù)開關(guān)門的惡劣測試工況下，通過監(jiān)控蒸發(fā)器表面溫度和化霜結(jié)束拆開冷凍風道雙重手段，組合判斷蒸發(fā)器及周圍除霜狀況。通過多次的試驗驗證，化霜退出溫度設(shè)定為1～2℃可以保證蒸發(fā)器倉除霜干凈，同時減少能量浪費。

化霜進程三，滴水流程設(shè)置。

為保證風冷冰箱翅片蒸發(fā)器表面化霜水有足夠的時間流到箱體外部的接水盤，通常在化霜加熱器關(guān)閉后，所有負載停止工作并維持8～10分鐘，即為滴水時間。因鋼管加熱器與翅片蒸發(fā)器組合傳熱特性，蒸發(fā)器“從下到上”逐步除霜，蒸發(fā)器最上部溫度回升最慢。由于翅片與翅片之間搭建成“水橋”效應(yīng)，蒸發(fā)器表面“積水”較多，化霜后期大部分蒸發(fā)器表面溫度早已高于0℃，化霜水已經(jīng)基本排到箱外，在滴水過程中只有少量化霜水排出。因此，滴水時間設(shè)置在2～3分鐘，既能保證化霜水全部排出，也可以減少蒸發(fā)倉內(nèi)的熱量進入到間室內(nèi)部，減小間室內(nèi)溫升。

化霜進程四，滴水結(jié)束，冰箱再次進入制冷狀態(tài)。

化霜結(jié)束后，壓縮機啟動，此時的蒸發(fā)器倉的部件、制冷劑和空氣等溫度很高，不適合立即啟動冷凍風扇，待壓縮機運行4～5分鐘，蒸發(fā)器倉溫度下降至一定溫度后再啟動冷凍風扇，能夠有效減少蒸發(fā)器倉內(nèi)的熱空氣對冷凍間室溫度沖擊，降低恢復(fù)期能耗。

化霜進程五，化霜后首個制冷周期壓縮機轉(zhuǎn)速控制。

從化霜結(jié)束冰箱開始制冷到冰箱達到穩(wěn)定運行狀態(tài)稱為化霜恢復(fù)期。由于化霜過程冷凍間室處于非制冷狀態(tài)，且化霜加熱器熱量進入冷凍間室，導(dǎo)致冷凍室內(nèi)溫度回升過高，甚至達到0℃以上，需要通過消耗額外制冷量使冷凍室溫度重新達到穩(wěn)定狀態(tài)。

在國家標準實驗室，按照32℃/50%濕度測試工況，BCD-540W化霜周期設(shè)定為固定60小時，其他測試條件保持一致，在化霜恢復(fù)期分別設(shè)定不同的壓縮機運行轉(zhuǎn)速，驗證化霜恢復(fù)期能耗增量。如表2所示，化霜恢復(fù)期壓縮機轉(zhuǎn)速越高，化霜增量越大，當化霜恢復(fù)期壓縮機運行轉(zhuǎn)速設(shè)置為穩(wěn)定時壓縮機運行轉(zhuǎn)速，化霜增量最小。

表2 化霜恢復(fù)期壓縮機不同運行轉(zhuǎn)速的化霜增量數(shù)據(jù)

3 測試方案及驗證結(jié)果

3.1 試驗方案簡介

（1）試驗條件

試驗環(huán)境溫度：16℃和32℃；試驗環(huán)境濕度：50%；化霜加熱器功率：200 W。

（2）試驗方案

冰箱穩(wěn)定運行后，每60小時進行一次除霜，化霜前蒸發(fā)器預(yù)熱階段壓縮機停機，冷藏風門打開，冷凍風扇運行3分鐘，化霜退出溫度設(shè)置2℃，滴水流程設(shè)置3分鐘，滴水流程結(jié)束風扇啟動，壓縮機延遲4分鐘啟動，并按照穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運行。

3.2 驗證結(jié)果

本文以單循環(huán)對開門BCD-540W為驗證載體，載體改進前、后化霜及恢復(fù)期耗電量增量對比數(shù)據(jù)如表3所示，數(shù)據(jù)描述的原狀態(tài)為驗證載體批量生產(chǎn)未作任何技術(shù)更改的狀態(tài)，數(shù)據(jù)描述的優(yōu)化后狀態(tài)為本文2.1小節(jié)所述化霜加熱器結(jié)構(gòu)和化霜功率更改以及3.1小節(jié)所述的試驗方案。通過一系列的優(yōu)化方案實施，按照耗電量計算方式，環(huán)境溫度32℃和16℃分別為173天和192天計算，BCD-540W化霜增量降低43.30%，標準耗電量降低6.40%。

表3 相同載體改進前、后化霜及恢復(fù)期耗電量增量對比數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

綜上所述，本文對風冷冰箱化霜及恢復(fù)期影響因素分析及優(yōu)化設(shè)計，得到如下結(jié)論：

（1）通過研究風冷冰箱除霜過程可知，影響化霜和恢復(fù)期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發(fā)器除霜效率、壓縮機和風機轉(zhuǎn)速控制、電動風門開關(guān)控制等；

（2）通過將化霜加熱器管路集中靠近蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計，提高加熱器熱量利用率，根據(jù)試驗可知，加熱器功率分別設(shè)置242 W和201 W，化霜增量分別降低8.94%和10.23%；

（3）本文從產(chǎn)品易實現(xiàn)、改動小等角度出發(fā)，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復(fù)期壓縮機、制冷風機、電動風門等方面進行控制策略優(yōu)化設(shè)計，由試驗可知：化霜加熱器打開前蒸發(fā)器預(yù)熱時間3～4分鐘，可使蒸發(fā)器表面溫度提升至-15～-13℃，減少化霜加熱器工作時間；化霜退出溫度設(shè)置1～2℃，滴水時間設(shè)置在2～3分鐘，化霜恢復(fù)期壓縮機運行轉(zhuǎn)速設(shè)置為化霜前穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速，使風冷冰箱的化霜及恢復(fù)期耗電量增量降低43.30%，標準耗電量降低6.40%，為風冷冰箱提供一種通用的節(jié)能手段。