利用相变材料降低定频风冷式冰箱冷藏室内温度波动的研究

郭领波刘忠宝史慧新朱晓亮李 骜赵丹峰

（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）

利用相变材料降低定频风冷式冰箱冷藏室内温度波动的研究

郭领波1刘忠宝1史慧新2朱晓亮2李 骜1赵丹峰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）

随着生活水平的提高，人们对食品的冷藏条件要求越来越高，其中冷藏环境的温度波是影响食品保鲜的重要因素，目前市面上比较高端的变频冰箱可以改善冷藏室的波动，但是变频冰箱的价格昂贵。适合大众消费的定频冰箱冷藏室内的温度波动较大，主要介绍了如何利用廉价的相变材料减小定频风冷式冰箱冷藏室内的温度波动，实验结果显示：添加相变材料后，冰箱冷藏室内的温度波动变小，且合理地调整相变材料的质量与位置时效果更好。

定频冰箱；冷藏室；相变材料；温度波动；保鲜

0 引言

随着人们生活水平的提高，对冰箱保鲜的功能要求越来越高，尤其是冰箱冷藏室内的冷藏环境。众所周知，冰箱冷藏室内的温度波是影响食品保鲜的一个非常重要的因素，赵亚丽工程师[1]做过定频冰箱与变频冰箱对切片西瓜储藏的对比实验，结果显示变频冰箱的储藏效果较好，其中最重要的原因之一就是变频冰箱冷藏室的温度波动较小。较大的温度波动不仅不利于食品的保鲜，而且会缩短食品的保质时间。

如何改善冰箱冷藏室内的温度波动一直是冰箱行业研究的重要课题，吴小华[2]等人利用FLUENT仿真软件研究了冷藏室中搁物架的摆放位置与结构形式对冷藏室温度场具有较大的影响。随着变频技术的出现，在冰箱中应用变频压缩机后，冰箱冷藏室内的温度波动可以得到改善，但是市面上的变频冰箱的价格昂贵，适合大众消费的仍然是定频冰箱，若在定频冰箱中安装温度比较敏高的温控测点，不仅增加了初投资，而且冰箱正常工作时，会增加压缩机的启停次数，耗电量也会增加，所以如何在定频冰箱中改善冷藏室内温度的波动是值得我们去研究的重要问题。

随着材料科学的飞速发展，相变材料的研究应用为改善冰箱冷藏室内的温度波动提供了技术与方法支持。利用相变材料在相变过程中的吸放热的特点，在冰箱冷藏室内放置相变材料，在冰箱压缩机开启阶段，相变材料相变吸冷，延缓冷藏室内温度的降低，在压缩机停机阶段，相变材料通过相变释冷，延缓温度的快速上升。利用相变材料的这一特点，在理论上为我们提供了可行性的依据。

关于蓄冷、释冷的相变材料的研究已经有了一些进展，Maria[3]等已经进行了葵酸、月桂酸及十五烷混合材料的相变蓄冷与释冷特性的实验研究，并对实验结果进行了详细描述和分析。Royon R[4]针对石蜡油与水乳液相变蓄冷材料的特性进行了实验研究，根据实验结果分析得到该混合材料的溶解度及溶解潜热值。Fan[5]等人开展了不同添加剂对相变蓄冷材料特性影响的实验研究，分别添加了铜、铝、镍及其金属氧化物、不锈钢和碳纤维等添加剂，研究结果表明，添加剂的使用显著提升了相变蓄冷材料的传热能力。

不仅对蓄冷材料本身，关于蓄冷材料的应用效果，也有众多专家学者进行详细分析。E Oró与A de Gracia[6]等人总结了88种相变温度低且可以应用于低温蓄冷潜在相变蓄冷材料（PCM）以及相应的热物理性质，并介绍了市场上已经出现的40种商用PCM相变蓄冷材料的性能，以及从其理论和实验的角度对PCM不同封装方法对材料传热效果的影响进行了分析。

钱波，袁军[7]研究了高吸水性树脂作为冰箱蓄冷材料时，树脂的性质和不同配比对蓄冷性能的影响，探究不同吸水倍率和粒径大小对树脂蓄冷效果的影响，通过研究发现SAP的吸水倍率对同种浓度下树脂溶液的蓄冷效果影响规律不显著。

重庆大学杨颖等人[8]针对目前冰箱冷藏室内存在的问题，从现有蓄冷技术及常用的蓄能材料出发，通过分析筛选并进行大量试验后，配制出一种适用于冰箱冷藏室蓄冷用的二元低共熔有机复合相变蓄冷材料，该蓄冷材料由正癸醇和十六醇组成，其中正癸醇的质量分数为93%。但是正癸醇和十六醇具有毒性，将其应用在冰箱的冷藏室内没有可靠的安全性，所以此材料在冷藏室内的应用受到了限制。

北京工业大学的刘忠宝等人[9]通过对低温相变蓄冷材料的性能研究，将其应用在冰箱冷冻室，通过实验证明：（1）相变蓄冷低温速度托盘可以应用于冰箱冷冻室，使直接摆放在托盘上的食品度过最大冰晶生成带时间较普通冰箱大大减少；（2）相变蓄冷材料可实现冰箱内能量转移，使冰箱内上下温差尽可能减小。但是应用在冷冻室内相变材料不适合冷藏室。

目前，重点针对相变材料对冰箱冷藏室内温度波动影响的研究较少，所以本课题组主要针对这样一方面进行研究，本论文主要介绍了如何利用相变材料减小定频风冷式冰箱冷藏室内的温度波动。

2 应用相变材料改善冷藏室内温度波动的理论分析

正常的冰箱冷藏室内的温度随着压缩机的启停进行波动，以风冷式定频压缩机为例，当压缩机开启式，制冷剂流经冷藏室蒸发器，在冷藏室内循环风机的吹动下，冷藏室内空气流经蒸发器进行换热，温度降低，流进冷藏室，冷藏室内温度降低，当温度达到冷藏室内设定的的温度后，压缩机停机，冷藏室内空气不再循环流动，冷藏室内温度开始慢慢升高，直到设定的温度，压缩机又重新开始启动。

添加蓄冷材料后，在冰箱冷藏室内放置相变材料，在冰箱压缩机开启阶段，相变材料相变吸冷，延缓冷藏室内温度的降低，在压缩机停机阶段，相变材料通过相变释冷，延缓温度的快速上升。本实验就是利用相变材料的这一特点进行实施的。

3 风冷式定频冰箱冷藏室内相变材料的选择

在实际中，可供选择的相变材料种类较多，特点各不相同。根据冰箱冷藏室内的特点，可以做出以下要求：不易泄漏、无毒、价格便宜、相变潜热尽可能高。

重庆大学的杨颖研究的适用于冰箱冷藏室内的混合相变材料（正癸醇和十六醇），虽然在温度范围上适合，但是因其本身的毒性在实际应用上将受到限制。

冰箱冷藏室内的温度一般范围为2℃至8℃，通过资料查找，在此温度范围内的相变材料很少，最终锁定在油脂物质中，例如花生油，其箱变温度在3℃左右，但是这类物质价格较高，相变潜热不大。

因本研究是针对风冷式冰箱，如果选择将相变材料放置在冷藏室内具有以下缺点：占据食品放置空间；不美观，给设计上带来困难；适合此温度范围内的箱变材料较难找。

经过分析，本实验将相变材料放置在冷藏室内的风道内，即蒸发器与冷藏室之间的风道。因流经风道内的空气的温度较低，在-12℃至0℃范围之内。在此温度范围内可供选择的相变材料较为广泛。

经过查找、实验以及筛选，使用相变温度在-3℃左右的氯化钾水溶液作为冷藏室内的相变材料。

4 实验过程以及数据结果

4.1 实验方案

（1）本实验在美的风冷式定频冰箱（BCD-372WTV）的冷藏室中进行，将蓄冷材料放置在冷藏室内的风道中，风道见图1。

（2）将冷藏室内循环风机的电源引出，使其处于常开状态。目的在于当压缩机停机时，通过循环风机的转动将蓄冷材料的冷量释放出来，风机见图2。

（3）在冷藏室内的上部、中部、下部各布置一个带有铜柱测头的热电偶，测得各个空间点的温度变化，铜柱测点布置见图3。

（4）冷藏室内温度设定在4℃，开启冰箱，冰箱在不同的情况下工作，进行对比试验，即将添加蓄冷材料后的温度波动与原机模式下的温度波动进行比较。

图1 风道Fig.1 Air passage

图2 循环风机Fig.2 Circulating fan

图3 测点摆放位置Fig.3 The Positions of measuring points

4.2 氯化钾水溶液作为相变材料

4.2.1 相变材料及摆放位置

（1）氯化钾水溶液：氯化钾，硅藻土，吸水树脂，去离子水按照一定比例混合。

图4 相变材料的位置Fig.4 The place of phase change material

（2）氯化钾水溶液放置的位置：相变材料的装配位置位于冷藏室泡沫隔热板的后面，即冷藏室的风道内。冷藏室风道内装配20个小袋，每个小袋的相变材料质量为50g，相变材料摆放图见图4。

（3）带有铜柱测头的热电偶摆放位置，见图3。

4.2.2 温度变化曲线对比

加蓄冷材料后的温度波动与原机模式下的温度波动曲线如图5、图6、图7所示。

图5 上部空间点温度波动对比Fig.5 Comparison of temperature fluctuation of upper space point

图6 中部空间点温度波动对比Fig.6 Comparison of temperature fluctuations in the central space point

图7 下部空间点温度波动对比Fig.7 Comparison of temperature fluctuation of lower space point

4.2.3 数据结果分析

（1）当冷藏室内添加相变材料时，冷藏室内的温度波动明显比无蓄冷条件减小了。

（2）图7中，在冰箱工作的前期，加蓄冷材料后的温度整体偏高，其原因为：蓄冷材料是在常温下放进冰箱的，这是初始条件影响所致。

（3）氯化钾水溶液作为相变材料时，冰箱稳定工作后其温度波动情况：上部大部分时间处于1.5℃的波动幅度，比原来减小了1℃的波动幅度；中部为1.5℃的波动幅度，比原来减小了1℃的波动幅度；下部为0.75℃的波动幅度，比原来减小了1.25℃的波动幅度。

4.3 增加相变材料的质量再次进行实验

4.3.1 相变材料及摆放位置

（1）添加膨胀石墨的氯化钾水溶液：氯化钾，硅藻土，吸水树脂，膨胀石墨，去离子水按照一定比例混合。

（2）氯化钾水溶液放置的位置：氯化钾水溶液放置的位置：蓄冷剂的装配位置位于冷藏室泡沫隔热板的后面。冷藏室装配14个小袋蓄冷剂及1个大袋蓄冷剂，每个小袋的蓄冷剂质量为50g，大袋的蓄冷剂质量为500g，见图8。

图8 相变材料的位置（增加相变材料的质量）Fig.8 The place of phase change material（The quality of phase change materials is increased）

4.3.2 温度变化曲线对比

加蓄冷材料（增加相变材料）后的温度波动与原机模式下的温度波动曲线如图9、图10、图11所示。

图9 上部空间点温度波动对比（增加相变材料的质量）Fig.9 Comparison of temperature fluctuation of upper space point （The quality of phase change materials is increased）

图10 中部空间点温度波动对比（增加相变材料的质量）Fig.10 Comparison of temperature fluctuations in the central space point（The quality of phase change materials is increased）

图11 下部空间点温度波动对比（增加相变材料的质量）Fig.11 Comparison of temperature fluctuation of lower space point（The quality of phase change materials is increased）

4.3.3 数据结果分析

（1）增加蓄冷材料的质量后，冷藏室内的温度波动变的更小了，冰箱工作稳定后，上部、中部空间点的温度波动控制在1℃范围，比原来减小了2℃左右的波动幅度；下部的温度波动在0.5℃左右的范围内，比原来减小了1.5℃左右的波动幅度。

（2）在改善冷藏室内温度波动方面，适当地增加相变蓄冷材料的质量可以更好地改善冰箱冷藏室的温度波动。相变材料质量的增加不仅加大了相变材料与冷风的传热面积，而且增加了冰箱冷藏室的蓄冷量，能够更好的延缓冷藏室内的温度变化。

5 结论

（1）在定频冰箱冷藏室风道内添加相变材料后，冰箱冷藏室内的温度波动会变小，有利于食品的保鲜。

（2）在冰箱冷藏室中合理地调整相变材料的质量与位置，通过增大传热面积和相变材料的蓄冷量可以更好地改善冰箱冷藏室内的温度波动。

（3）氯化钾水溶液作为冰箱冷藏室的蓄冷相变材料具有价格低、无毒等优点，在改善冷藏室内温度波动的效果明显，相比较在定频冰箱中安装温度灵敏的温控测点具有一定的优势。

（4）添加相变材料后冷藏室内的平均温度与之前相比升高了，关于应用相变材料后冷藏室内平均温度的控制应做进一步研究。

[1] 赵亚丽,Esequias Pereira,洪凯,等.定频与变频冰箱贮藏对鲜切西瓜品质及微生物数量的影响[J].食品工业科技,2006,(14):351-358.

[2] 吴小华.冰箱冷藏室温度场和流场的仿真与优化[J].北京石油化工学院学报,2006,14(3):8-12.

[3] Maria, Natalia R Dimaano, Takayuki Watanabe. The capric-lauric acid and pentadecane combination as phase change material for cooling applications[J]. Applied Thermal Engineering, 2002,(22):365-372．

[4] Royon R, GuiffantG. Heat transfer in paraffin oil/watwer emulsion involving super cooling phenol–menon[J]. Energy Conversion and Management, 2001, 4(2): 2155-2161.

[5] L Fan, J M Khodadadi. Thermal conductivity enhancement of phase change materials for thermal energy storage: a review[J]. Renew Sustain Energy Rev, 2011,(15)24-46.

[6] E Oró, A de Gracia, A Castell, et al. Review on phase change materials (PCMs) for cold thermal energy storage applications[J]. Applied Energy, 2012,99: 513-533.

[7] 钱波,袁军.高吸水性树脂蓄冷材料配方研究[D].武汉:武汉工程大学,2013.

[8] 张伟,杨颖.冰箱冷藏工况下新型复合相变蓄冷材料的制备及热性能研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[9] 王会,刘忠宝,赵洋.用于冰箱冷冻室的相变蓄冷材料的速冻特性[J].制冷与空调,2015,(1):6-10.

Research on Reducing the Temperature Fluctuation of the Air Cooled Refrigerator with Constant Frequency by Using Phase Change Material

Guo Lingbo1Liu Zhongbao1Shi Huixin2Zhu Xiaoliang2Li Ao1Zhao Danfeng1
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hefei Midea Refrigerator Co., Ltd, Hefei, 230601 )

With the improvement of living standards, People's demands on the refrigerated conditions of food become higher and higher. Temperature fluctuation of cold storage environment is an important factor to affect the refreshment of food. Currently on the market the Refrigerator with inverter can reduce the fluctuations in the cold storage room, but the Refrigerator with inverter is expensive. The temperature fluctuation of the fixed frequency refrigerator which is Suitable for mass consumption is relatively large. This paper mainly introduces how to use the cheap phase change materials to reduce the temperature fluctuation of the fixed-frequency frost-free refrigerator. Experimental results show that after adding phase change materials, the temperature fluctuation in the refrigerator is smaller than the original,and the effect is better to adjust the quality and position of phase change materials reasonably.

fixed-frequency refrigerator; cold storage room; phase-change material; temperature fluctuation; Refreshment

TB651

B

1671-6612（2017）01-091-05

郭领波（1990.2-），男，在读硕士研究生，E-mail：956783080@qq.com

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

2015-10-30