无霜冰箱蓄热化霜系统的理论分析及其蓄热材料的实验研究

李 骜 史慧新 张贤中 刘忠宝



无霜冰箱蓄热化霜系统的理论分析及其蓄热材料的实验研究

李 骜1史慧新2张贤中2刘忠宝1

（1.北京工业大学环境与能源工程学院 北京 100124；2.合肥美的电冰箱有限公司 合肥 230601）

风冷无霜冰箱因其大容积和无霜的优势逐渐占有冰箱主流市场，但现在的电热化霜模式耗电量大，制约了风冷无霜冰箱的发展。提出了一种用于无霜冰箱的新型的蓄热化霜系统，分析了蓄热系统的可行性，提出了整体系统的运行方式，设计了蓄热装置的结构，实验分析了蓄热材料的性能，优选出了一种以石蜡为主的复合相变蓄热材料。整体系统理论上能够回收40～50℃的冰箱冷凝余热，经过10小时的蓄热，可以提供300W的化霜加热功率，并维持20min。

无霜冰箱化霜；蓄热化霜；相变蓄热材料；石蜡；石墨

0 引言

风冷无霜冰箱以其特有的容量大、“多温区”、自动除霜等优点，被行业公认为冰箱发展的必然趋势。其主要是通过蒸发器风机使冷藏与冷冻室回风流经蒸发器并与之换热，在这个降温过程中空气中水蒸气在蒸发器表面析出凝结成霜，之后蒸发器运行时间增长，霜层逐渐增厚，使得换热过程热阻和空气的流通阻力增加，空气流量减小，蒸发温度下降，蒸发器换热性能降低。因此当蒸发器表面霜层达到一定厚度时，需要进行定期除霜。

目前国内外学者对冰箱除霜的相关过程进行了大量研究[1,2]。Pradeep[3]使用传热模型来分析除霜过程中的热量分配，指出钢管辐射对流式电加热器产生的热量仅有30%用于化霜。Fernando[4]研究霜层的分布情况，针对其上疏下密的分布规律，设计了两根功率不同的电加热器分别对蒸发器上、下管排进行除霜，提高了除霜效率。宋新洲[5]等人利用冷藏室回风对霜层进行预热处理，可以降低除霜过程中电加热器的电量消耗。刘志成[6]等人基于除霜过程中热量利用率逐渐下降的现象，提出除霜过程中电加热器功率先高后低的运行模式，并实验验证了该模式可以有效降低除霜过程能耗和减少箱温回升。程学全[7]通过对多温区冰箱无霜间室自动化霜设计的实验分析，对化霜加热器的分布和功率、化霜传感器放置位置、化霜控制规则和控制参数的设计进行优化改进，实现了良好自动化霜性能。汤晓亮[8]提出了一种新型的时间-温差法的风冷冰箱的除霜控制方法。该方法通过比较蒸发温度和冷冻室内空气温度来控制冰箱的除霜时间。进行试验验证后，改进后的化霜能耗占冰箱总能耗的比重在5%以下。

对于蓄热化霜这种新技术，目前还多应用于空调冬季工况除霜方面[9-11]。韩志涛[12]提出了用于空调冬季工况的蓄能除霜新系统，将系统供热后的余热热量续存进蓄能器中，当化霜开始时，蓄热器中储存的热量首先传递给反向运行的制冷剂，用于室外蒸发器化霜。文中提出了双套筒内置螺旋盘管相变蓄热器强化了除霜时蓄热材料与制冷剂的换热。添加了蓄热器的冬季热泵系统，除霜效率提高，除霜后恢复正常工况的时间缩短。周中华等[13]对以压缩机废热为热源的蓄热化霜循环原理、装置进行了设计、研究，并同步在空调产品上进行了相关实验验证，发现空调的低温制热量、除霜时间和舒适性方面都有较好的改善效果。并由于压缩机蓄热槽的特殊结构的保温效果，使压缩机在低温环境下化霜后能快速启动，制热时间相比普通机型提前了3分钟。袁旭东[14]采用储能型冷凝器，冰箱冷凝器从间歇性换热转换为连续性换热，进而提高冷凝器的总体换热能力，以提高冰箱的节能效果。但这种技术只利用了相变材料对热量的时间转移特点，不能对所储存的热量再加以利用。

从近年来的冰箱化霜以蓄热化霜及技术的研究中可以看出，冰箱结霜是影响风冷冰箱性能的重要因素之一，但对于冰箱化霜技术的研究多集中在对冰箱化霜控制模式或加热器位置分布的改进研究上，少见提出的新型化霜方法。这是由于现有化霜方法中，电热化霜的结构简单，但能耗大，安全性差；热气流化霜是由内而外化霜，效果好，但增加制冷管路的复杂性，阀件增多，且开闭频繁，增加了制冷剂泄漏的可能，降低系统可靠性；超声波除霜功率小，不影响制冷系统运行，但增加了超声波发生设备，而且除霜效果受风道结构影响非常大。对于蓄热化霜技术，目前主要应用在空调冬季工况，作为辅助热制冷剂除霜的方法。这种方法虽然有一定的借鉴作用，但是其最终还是通过热制冷剂除霜，并不适用于冰箱工况，所以目前并没有一种非常适合于冰箱工况的节化霜方法来代替现行的电热化霜。

本文提出了一种使用低温相变蓄热材料回收冰箱冷凝热用于化霜的方法，通过相变蓄热材料将间断产生的冷凝热续存起来，等到需要化霜时集中释放，用于快速化霜。通过蓄热材料续存热量，可以充分利用冰箱冷凝热，减少冰箱的化霜电耗。

1 蓄热化霜系统的可行性分析

本文提出的用于风冷无霜冰箱的蓄热化霜系统，是使用低温相变蓄热材料回收冰箱冷凝热，所以需要确定风冷无霜冰箱的排气温度是否能满足蓄热材料的最低要求。本文选择实验室现有的一台型号BCD-372的风冷无霜冰箱进行排气温度的测试。

图1 压缩机排气温度测点位置

如图1所示是测试所选型号冰箱的压缩机排气温度的测点位置，位于压缩机排气管上。如图2所示是图1位置测点监测的约1000分钟的压缩机排气温度变化。此型号冰箱的压缩机排气温度最高达到60℃，压缩机运行时平均的排气温度在45～50℃之间。

图2 压缩机排气温度

在有机相变材料中，石蜡和多元酸等物质，无机材料中，无积水和盐等物质的相变温度都有在45℃以下的材料，并且根据凝固点降低定律，即在某一温度范围内，将两种物质相混合时，其凝固点比其中任何一种物质的凝固点都要低。所以此型号冰箱的压缩机排气温度可以满足本文研究的风冷无霜冰箱的蓄热化霜系统的热源要求。

2 蓄热化霜系统的运行方式

本文研究的利用相变蓄热材料储存冰箱制冷系统的冷凝热，用于风冷冰箱蒸发器化霜的技术。如图3所示是蓄热化霜系统的结构示意图。在冰箱制冷系统中，从压缩机出口引出一段冷凝管路，进入相变蓄热器，利用冰箱运行时的过热制冷剂蒸气加热其中的相变材料，达到回收冷凝热的目的。当需要给冰箱室内蒸发器化霜时，通过一段化霜管路。利用其中的载热介质将蓄热器中的热量传导至蒸发器周围，加热霜层，霜层快速融化。

图3 蓄热化霜系统结构示意图

3 蓄热装置的结构

在蓄热器部分，采用三套管换热器完成蓄热材料的储存，加热和释热过程。三套管换热器的结构如图4所示。

图4 蓄热器结构

蓄热器内侧管为8mm，内部为制冷剂蒸气，中间层为40mm，内部填充本文制备的相变蓄热材料，外层为600mm，内部为载热介质，用于将热量带到蒸发器霜层。次套蓄热器，可以填充2kg的相变蓄热材料，在10小时左右完成蓄热，在载热介质流速1m/s时，提供300W的加热功率，持续20min，将载热介质30℃的进口温度加热至35℃的出口温度。

4 蓄热材料的选择

对于相变温度在45～50℃的相变材料，综合考虑安全性和可靠性，最终选取切片石蜡作为相变蓄热材料，但普通切片石蜡的相变温度在55至60℃，超过了最适宜的相变温度区间，所以添加相变温度在17℃的液体石蜡降低其相变温度。配置了4种切片石蜡和液体石蜡不同比例的相变材料，按液体石蜡比例逐渐增大的顺序设置为a、b、c和d组，以切片石蜡作为对照组a，测试其融化时间。测试曲线如图5所示。

曲线是在60℃的恒温水浴中测试，4种材料均为50g。

图5 不同比例的切片石蜡和液体石蜡的融化曲线

从图5中可以看出，作为对照a组和b组的两组材料并没有明显的融化过程，这是由于其相变温度较高，且石蜡的导热性能较差，60℃的恒温水浴加热并不能使其完全融化。而c组和d组的两组材料可以看到明显的融化过程。经过本组测试，c组和d组的两组材料可以作为蓄热化霜系统的两种备选材料。

石蜡类材料在被低温热源加热过程中，由于其导热率较低，仅有0.3～0.6W/(m·K)，所以其熔化过程较长，影响了石墨的储热和释热性能，所以需要添加导热性强的添加剂增强导热性能，石墨作为一种高导热材料其导热率达到100～200W/(m·K)，且性质稳定，与石蜡相容性好，可以作为石蜡相变材料的添加剂使用。

选取c组和d组的两组材料分别添加一定质量分数的石墨粉，其中，c组液体石蜡比例低，d组液体石蜡比例高，重新测试材料的融化温度曲线。设置4种样品材料为：

1号：c组，共50g，不添加石墨粉；

2号：d组，共50g，不添加石墨粉；

3号：c组，共50g，添加一定质量分数的石墨粉；

4号：d组，共50g，添加与3号材料相同质量分数的石墨粉。

4种材料共同在同一个恒温水浴池中进行恒温加热融化实验，恒温水浴温度设置在61℃，采用热电偶测试样品中心区温度，结果如图6至图9所示。

图6 1号和2号材料融化温度曲线

分析数据可知，2号材料首先开始融化，第22分钟开始融化，第48分钟完全融化。1号材料融化较慢，第25分钟开始融化，第92分钟完全融化。

图7 3号和4号材料融化温度曲线

分析数据可知，3号材料融化较慢，第19分钟开始融化，第46分钟完全融化。4号材料，第17分钟开始融化，第38分钟完全融化。添加石墨材料后，两种材料的导热性能均有明显的改善，融化速度明显提升。且4号材料的融化速度比3号材料快17.4%左右。

图8 1号和3号材料融化温度曲线

分析数据可知，1号材料第25分钟开始融化，第92分钟完全融化。3号材料第19分钟开始融化，第46分钟完全融化。3号材料为1号材料添加2%石墨粉的材料，两者开始融化的温度基本相同，但3号的融化速度明显提升，提升了约58.7%。

图9 2号和4号材料融化温度曲线

分析数据可知，2号第22分钟开始融化，第48分钟完全融化。4号材料第17分钟开始融化，第38分钟完全融化。4号材料为2号材料添加2%石墨粉的材料，两者开始融化的温度基本相同，但4号的融化速度明显提升，提升了约20.8%。

分析4种材料，性能最好的材料为4号材料。此种材料相变温度区间在30～45℃，在60℃的恒温水浴中，从开始融化至完全融化经历11分钟。

5 结论

经过理论及实验分析，可以得出以下结论。

（1）将蓄热技术用于无霜冰箱的化霜系统是可行的，其相变蓄热材料的相变温度在40至45℃之间。

（2）本文设计了一种用于无霜冰箱的新型的蓄热化霜系统，利用利用相变蓄热材料储存冰箱制冷系统的冷凝热，用于风冷冰箱蒸发器化霜。

（3）切片石蜡性质稳定，无毒无害，可以作为新型蓄热化霜系统的相变蓄热材料，但其相变温度偏高，导热率较小。

（4）在切片石蜡中添加与其性质相同的液体石蜡可以降低其相变温度，当两者比例合适时候，可以达到蓄热化霜所需的温度。

（5）在切片石蜡中添加一定质量分数的石墨粉，可以有效提高材料的导热性。

（6）适用于本文制备的相变蓄热材料的蓄热化霜系统，可以提供300W的化霜加热功率，并维持20min。

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The Theoretical Analysis of a New Type of Frost-free Refrigerator Thermal Storage Defrosting System and the Experimental Study on its Heat Storage Material

Li Ao1Shi Huixin2Zhang Xianzhong2Liu Zhongbao1

( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hefei Midea Refrigerator Co., Ltd, Hefei, 230601 )

Because of its advantage of large volume and the frost-free, Air-cooled frost-free refrigerators have occupied the main market of refrigerators. But the large power consumption of electric heating up the frost patterns restrict the development of air cooling frost-free refrigerator. In this paper, a new type of frost-free refrigerator thermal storage defrosting system is put forward, the feasibility of the thermal storage defrosting system is analyzed, operation mode of the overall system is put forward, the structure of the heat storage device is designed, the performance of the heat storage material is analyzed experimentally, and a composite phase change material based on paraffin is optimized. In theory, the system can collect the refrigerator condensing heat ranged from 40-50℃. And In 10 hours to complete the accumulation of heat, the system can provide the heating power of defrosting for 300W, and maintain 20min.

frost-free refrigerator defrosting; defrosting by thermal storage; phase change material; paraffin; graphite

1671-6612（2016）05-525-05

TB651

B

李 骜（1990.12-），男，在读研究生硕士，E-mail：1153756253@qq.com

刘忠宝（1971.8-），男，博士，副教授，E-mail：liuzhongbao@bjut.edu.cn

2015-08-27