相变蓄冷材料在冰箱上应用的研究

王 会，刘忠宝 ,陈向峰

(1.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124；2.中国家用电器研究院，北京 100053)

1 引言

蓄冷技术在冷藏冷冻领域得到越来越广泛的应用[1]。目前，冰箱作为大众家庭食品储存与保鲜的装置，已经成为每个家庭不可或缺的物品。我国作为冰箱等小型制冷装置生产和消费大国，据统计2012年冰箱销售量约为7800万台，同比增长2.85%。目前我国电冰箱的总保有量已突破2.5亿台，接近3亿台。

在冰箱的能源研究过程中，主要是研究冰箱的节能与功能问题。但作为能源方面，除了产品的本身具有节能的特点外，对于冰箱的储能研究以及如何更好地利用蓄冷使其有利于食品的保鲜、冰箱更加节能等方面也是一个比较关键的项目[2]。蓄冷材料的应用在八十年代已经在冰箱上进行使用，在当时的环境与条件下，冰箱的能耗大，消费生活水平低，对于蓄冷材料也主要是“盐水”，所以在很多方面研究不够深入、不够清楚。另外有关目前冰箱的测试标准与使用要求等也会产生较大的差别。

综合上述的问题，本论文主要通过研究新型相变蓄冷材料的特性，将其应用于冰箱使其提高食品速冻保鲜效果，让更多的家庭享受到新鲜食品所带来的健康与美味。另外对蓄冷材料改善冰箱的内部温差、能量转移特定进行验证，从而改善冰箱制冷系统的不足。

2 相变蓄冷材料

因相变蓄冷材料在相变过程中，可吸收或释放大量相变潜热，与显热蓄冷相比，蓄、放热效率高等特点，故相变蓄冷技术日益受到关注和重视。速冻保鲜技术可加快食品冻结速率，减少食品度过最大冰晶生成带的时间、防止食品中的水形成重结晶、破坏(挤压、刺破)食品微生物组织，故是一种最大限度地保持食品原有色、香、味及其外观、鲜度和营养价值的食品保鲜方法[3]。

2.1 蓄冷材料

氯化铵(AR，国药集团化学试剂有限公司)，乙二醇(AR,国药集团化学试剂有限公司)，SAP(AR,北京德宝管理有限公司，型号XQ031)，实验用水为去离子水(北京工业大学环能实验室，电导率<0.5 us·cm-1)。

应用CH3CH2OH 水溶液(质量分数为15 wt%)和NH3CL水溶液(质量分数25 wt%)按照一定的质量比混合，为了防止相变蓄冷材料液态泄露，在其内加入高吸水性树脂(SAP)，制备成粘稠状的相变蓄冷材料，克服了相变蓄冷材料在使用中液相流动问题。

采用差示扫描量热仪(DSC)测量了该复合相变蓄冷材料的相变潜热值为304.00kJ·kg-1、相变温度为-17.10 ℃。在经过50次的蓄冷/释冷循环后,其相变潜热和相变温度基本保持稳定,说明该相变蓄冷材料热稳定性较好,基本无相分离。

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

2.2 快速热交换结构

相变蓄冷速冻器系统原理如下：在蓄冷器的背面添加相变蓄冷材料组成一个相变蓄冷速冻器，将该速冻器放置在冰箱冷冻室内，与冷冻室内的蒸发器进行热量交换，使多余的冷量以潜热的形式储存在相变材料中，然后当速冻器承载热负荷时，将多余的冷量通过导热的形式传递给外界。当需要速冻食品时，常温的食物放置在相变蓄冷速冻器的表面，经导热，当达到相变材料的相变温度时，可进行大量的热量交换，食品快速降温，尽可能短的时间内度过其最大冰晶生成带，满足速冻效果。

1-蓄冷器塑料外壳 2-蓄冷材料 3-导热材料 4-制冷蒸发器

由于采用导热材料与蒸发器的直接接触，加快了能量的交换，可以快速将蒸发器的能量储存在相变蓄冷器中，减少了蓄冷材料的过冷度，同时由于换热速度加快，也加大了储能材料内部分子间的运动，加快了内部的热量传递。

冰箱由于蒸发器面积设计大小不同，压缩机制冷量匹配的差异，会产生不同的蒸发温度，一般蒸发温度在冷冻室会在-26～-30℃之间，当冰箱停止工作时，蒸发器的温度会上升至-18℃以上，相变温度设计是否合理对于能量的最大储存有影响，同时对于储存能量的释放也同样有影响，本研究材料可以较大温度差吸收蒸发器的能量，同时又可以通过导热材料与蒸发器的接触，将冷量通过蓄冷器的外壳、蒸发器释放出来。

2.3 材料对比试验

通过对相变蓄冷速冻器速冻效果的实验研究,一方面在结构上进行优化设计，另外对于相变蓄冷材料本身的速冻效果也进行对比实验。具体实验方法是通过分析试验包的厚度对冷却时间的影响以及度过最大冰晶生成带的时间等来对比。

实验条件：冰箱冷冻室内温度-22℃，环境温度18℃。实验在上述提供的恒温恒湿环境的冰箱性能实验室进行，设置对比实验方案如表2所示。

表2 有/无相变蓄冷速冻器对比实验方案布置Table 2 experimental plan arrangement

在试验包的中心布置热电偶测量温度，根据国际上划分速冻效果主要体现在度过最大冰晶生成带时间上(-1～-5℃)，故实验结果如图2所示。试验结果与数据分析见表3。

图2 试验包中心温度随时间变化曲线Fig 2 the curve of temperature of package with time

表3 试验结果与数据分析Table 3 analysis of data and result

以A方案作为空白对照，通过对比试验，试验包B和C的速冻效果近似相等，而采用本文蓄冷材料D比日本某材料B和国内某材料C速冻效果提高9.1%。

3 应用研究

冰箱的首要功能是保持食品新鲜和质量，这取决于冷藏室或冷冻室的空气温度和气流分布[4-5]。通过对相变材料的研究以及导热方式的加强，从实验与理论上可以了解蓄冷材料会有较好的储存冷量的效果，并且具有较快的冷却速度。但在冰箱上如何更好地利用，需要结合冰箱的具体分析。

针对国内销量最大的两门直冷单循环冰箱，由于制冷系统的设计限制而会产生一些问题，通过采用蓄冷材料可以较好地得到改善。

3.1 标准能耗测试

在冰箱的标准测试中，主要项目有冰箱的能耗测试、储藏温度、冷冻能力、冷却速度、温度回升等，这些检测指标可以判定一个冰箱的性能好坏，尤其冰箱的能耗。

对于单循环直冷冰箱，冷冻室采用丝管类蒸发器后，冷量基本上是按蒸发器的布置设计进行分布，而且针对目前国内与欧洲的测试标准，对于此类冰箱的冷冻室温度基本上是按照冷冻室的最高温度作为冷冻室的温度判定。由于产品结构设计的限制，以及冰箱热负荷的分布，一般在冷冻室内顶部出现温度最高点，如图3中试验包放置“M1”、“M2”、“M3”和“M4”，其中“M1”和“M2”两点因为蒸发器的设计限制，能量无法提供更多的需求，从而使此两点的温度与其它点的温度出现较大的偏差，这种偏差一般会在2～3℃之间，这无形中会增加冰箱的能耗，对比温度均匀一致的冰箱能耗结果，能耗会偏大5%。

图3 冰箱冷冻室测试点的布置Fig 3 M package location for freezing test

采用蓄冷材料，将它设计在蒸发器的顶部，可以较好地解决上部点的温度差，可以将冰箱冷冻室的温度设计更加均匀一致，从而使冰箱更节能。

3.2 温度回升

在温度回升的实验中，也主要是指冷冻室的温度从-18℃上升至-9℃的时间，一般冰箱的冷冻室顶部温度是最容易上升，同样采用蓄冷材料后可以明显改变温度回升的时间。从图4中可以看出，主要温度升高点为“M1”和“M2”两点，只要改善此点的温度上升时间，则冰箱的温度回升时间会加长，提高了冰箱的性能。

3.3 能量转移

相变蓄冷材料除对冰箱在标准测试中的性能有改善外，针对实际中的应用也有较大的改进，尤其对于单循环机械温控直冷冰箱，在高温环境下，对冰箱的节能有更大的效果。一般此类冰箱的设计都是基于25℃的环境设计匹配，冷冻室蒸发面积与冷藏蒸发面积也都是按照此温度条件下的热负荷匹配，但在高温环境下，冷藏室与冷冻室的负荷匹配发生变化，一般都是冷藏的负荷变化大于冷冻的负荷变化率，从而出现在高温的环境下，冷冻室温度出现偏低的现象，在环境温度38℃的情况下，冷冻室温度会低于-20℃，这样会使冰箱的耗电量加大。采用蓄冷材料，可以将冷冻室的能量转移至冷藏室，从而可以通过外移能量的方式改善冰箱制冷系统的不足，达到减少冷藏的开机时间，调高冷冻室的温度，达到节能的目的。

图4 冷藏室和冷冻室温度回升时间曲线Fig4 the curve of temperature rise time about chill-compartment and freezer

3.4 速冻

在对比蓄冷材料的降温速度方面，本文研究的相变蓄冷材料经过对比有较好的降温效果，同时通过改进了实用性产品结构的设计，增加导热材料，会加快蓄冷材料的降温速度，也加快了蓄冷材料的储存与释放冷量的速度，使食品能尽快的度过其最大冰晶生成带时间，达到冰箱食品真正意义上的速冻效果。

4 结论

通过开发性能较好的蓄冷材料，对比国内外其它规格的材料，具有较好的性能参数，同时为更加优化蓄冷材料的性能，改进实际应用的产品设计，通过采用导热材料，扩大蓄冷材料的性能。针对冰箱的测试标准与性能要求，研究蓄冷材料如何在冰箱上应用后产生更好的节能效果，更有利于蓄冷材料的推广与应用。

[1] 方贵银，徐锡斌.空调蓄冷材料热性能实验研究[J].制冷学报，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] 关志强等.食品冷冻冷藏原理与技术[M].北京：化学工业出版社，2010：240-278

[4] 罗超，黄兴华，陈江平.不同环境参数对间冷式冰箱蒸发器结霜换热性能的影响[J].制冷学报，2008,(2):17-22

* 2013-2018年中国冰箱产业市场分析及投资趋势预测报告[R].智研咨询集团，2013.9