冰箱冷量损失的实验测定与保温性能的改进

和 鹏粘权鑫，2方文振陶文铨

（1西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室 西安 710049；2东风柳州汽车有限公司 柳州 545000）

冰箱冷量损失的实验测定与保温性能的改进

和 鹏1粘权鑫1，2方文振1陶文铨1

（1西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室 西安 710049；2东风柳州汽车有限公司 柳州 545000）

本文通过实验的方法研究了冰箱空载时的冷量损失规律，提出一种减小冷量损失的冰箱结构改进方案。首先将冰箱各壁面的散热问题简化为一维导热模型。在全天候模拟实验平台上，为得到环境温度对冰箱冷量损失的影响，设置环境相对湿度为80%，环境温度分别为5～40℃（间隔为5℃）；为得到环境相对湿度对冰箱冷量损失的影响，设置环境温度为25℃，环境相对湿度分别为55% ～95%（间隔为10%）。在冰箱空载状态下分别测量以上两组条件下各壁面的内外表面温度，再根据傅里叶导热定律计算各壁面的热流量，进而得到冰箱冷量损失与环境温度和相对湿度的关系。结果表明：环境温度升高时冰箱冷量损失增大；环境相对湿度对冰箱冷量损失几乎没有影响；样本冰箱冷藏室后壁面的冷量损失明显高于其他壁面，顶部冷量损失较小；对后壁面采取加厚绝热层厚度的措施后降低了冰箱整体的冷量损失，同时为了保证冷藏室容积，减小冷藏室顶部绝热层的厚度，最终各壁面冷量损失接近一致。

冰箱；冷量损失；导热；改进

随着生活水平的提高，冰箱作为常见的家用电器已进入很多家庭，冰箱又是持续工作的家用电器，其电力消耗在家庭用电中占了较大的比例。所以对冰箱节能降耗方面的研究具有重要意义。

D.P.Traviss等［1］将除霜控制系统操作过程与冰箱门的开合次数和持续时间进行了关联，提出了优化除霜系统开启过程和时间的方法。H.Tuo等［2］提出了用闪蒸气消除A／C系统来优化微通道蒸发器内制冷剂的分布，减少压降，从而提高系统效率。杨大海等［3］通过理论计算与反向热泄漏测量、冰箱实际运行热泄漏测量相结合的方法来测算冰箱的热负荷，根据压缩机、冷凝器、蒸发器的相应参数，进行发泡层厚度配置，得到冰箱各工况下各部位最佳发泡层厚度。此外，还有采用CFD模拟的方法研究冰箱的传热特性［4－6］，对冰箱内部结霜和除霜的研究［7－9］，对冰箱局部结构的设计和控制策略的研究［10－15］。上述各种方法虽取得了不错的成果，但现有文献中对冰箱在各种运行条件下各部位绝热层的散热大小及其相对的比例研究不够，缺少可供设计参考的可靠数据。因此用实验方法研究冰箱各个部分绝热层厚度对冰箱散热的影响具有重要意义。

本文采用实验的方法研究冰箱冷量损失与环境温度和相对湿度的关系，利用全天候模拟实验平台模拟环境条件，通过热电偶测得冰箱内外壁面的温度和传热学的基本关系式，获得各部位的散热量，在此基础之上提出改变冰箱壁面绝热层厚度的改进方案并加以验证。

1 实验方法

1.1 实验原理

当环境温度高于冰箱内部温度时，由于工作时冰箱是封闭的，外界热量只以导热的形式传递到冰箱内部。冰箱保温材料的导热系数随着温度变化而变化，本实验中首先测定了所测试冰箱保温材料的导热系数随温度的变化关系，如图1所示。根据传热学的基本知识，冰箱壁面的传热现象可以简化为变导热系数的一维导热问题，如图2所示。在导热系数和换热面积已知的前提下，若测得冰箱壁面的内外侧温度，则单位时间内冰箱一个壁面的导热量可用傅里叶定律表示为［16］：

图1 冰箱隔热材料导热系数随环境温度的变化关系Fig.1 Variations of effective thermal conductivity of insulation materials with ambient temperature

图2 变导热系数一维导热示意图Fig.2 One⁃dimensional heat conduction model with the variable thermal conductivity

冰箱整体冷量损失计算：

冰箱一个壁面动态稳定运行24 h的总导热量ϕd，J：

式中：（t2－t1）i为冰箱某个壁面内外侧的平均温差，系将同一壁面上相对应各个点温差做平均而得。例如某一区域有相对应的3对热电偶101-201、102-202、103-203，则：

1.2 实验平台

实验设备主要包括全天候模拟实验平台、样本冰箱、铜康铜热电偶、吉时利（Keithley）、带吉时利测试软件的计算机，整体布置如图3所示。

图3 实验平台Fig.3 Experiment platform

全天候模拟实验平台的技术参数为：1）工作室尺寸：20 m3；2）温湿度技术要求：35% ～95%；3）温度控制范围：－60～100℃；4）相对湿度控制范围：30% ～98%；5）温度波动度：±0.3℃；6）温度均匀度：±1℃；7）湿度均匀度：±3%RH；8）太阳辐射技术要求：辐射强度为 1120 W／m2、840 W／m2、560 W／m2、280 W／m2四档；9）风速调节范围：0.7～1.5 m／s。

本次实验研究采用的样本冰箱为美的BCD-310 WM冰箱，技术参数如表1所示。

表1 冰箱技术参数Tab.1 Technical parameters of fridge

1.3 实验方案

实验前用精度为0.03 K的铂电阻对热电偶进行了标定。热电偶在冰箱上的布置如表2所示，表中每个数值乘以2表示壁面内外侧布置等量的热电偶，并且位置相对应。

表2 冰箱内外部温度测试点布置Tab.2 Temperature test points of fridge

具体实验方案为：

1）冰箱空载，环境湿度为80%，环境温度分别设置为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃时，测量冰箱工作状态处于动态稳定时每个壁面内外侧温度的变化曲线；

2）冰箱空载，环境温度为25℃，环境湿度分别设置为55%、65%、75%、85%、95%时，测量冰箱工作状态处于动态稳定时每个壁面内外侧温度的变化曲线。

2 实验结果

设定环境湿度为80%，环境温度为5℃时冷藏室后侧温度变化如图4所示，图例中3位数字的热电偶编号中第一位表示冰箱的内外侧，其中1代表内侧，2代表外侧，后两位则代表热电偶标号。例如编号101就代表内表面标号为1的热电偶。可以看出冰箱壁面外测温度近似等幅波动，这刚好对应冰箱的工作状态，即冰箱压缩机工作，冰箱内壁面温度下降，使外壁面温度随之降低；压缩机停止工作，内壁面温度上升，使外壁面温度回升。环境温度为5℃时冷藏室后侧各测点温差如图5所示。

图4 环境温度为5℃时冷藏室后侧温度变化Fig.4 Temperature variation of the refrigerator back wall at ambient temperature being 5℃

图5 环境温度为5℃时冷藏室后侧各测点温差Fig.5 Temperature difference of the refrigerator back wall at ambient temperature being 5℃

图5中Δx代表样本冰箱壁面两侧标号为x的这对热电偶所测温差。例如：Δ12代表对应于编号为112和212的这对热电偶的温差。

由此两图可见在冰箱启动后约300 min后其运行就进入周期性稳态（即动态稳态）的工况。

文中定义动态稳定为冰箱在某一工况下运行300 min后的状态，取300～600 min之间测量所得数据用于计算。

图6所示为冰箱整体冷量损失随环境温度的变化曲线。冰箱整体冷量损失是各壁面损失的和，而各壁面冷量损失根据测点温度计算。由图6可知，当环境温度大于冰箱内部温度时，冰箱的整体冷量损失随环境温度的上升而增大。这是因为导热系数λ—和内外壁温差（t2－t1）随着环境温度的升高而上升，所以冰箱的整体冷量损失随环境温度的上升而增大。

表3所示为冰箱各壁面热流量实验结果。温度是指测试时的环境温度。可以看出，各个壁面的热流量随着环境温度的上升而上升，冰箱左右两侧的热流量相差不明显，冷藏室后侧的热流量变化较大，特别是环境温度上升到15℃以上时，其热流量显著大于冰箱其他壁面。

图6 冰箱整体冷量损失随环境温度的变化曲线Fig.6 The relation between the total cold loss of fridge and ambient temperature

表3 改进前冰箱各壁面热流量实验结果（W／m2）Tab.3 The calculated heat flux among different walls before improvement（W／m2）

图7所示为环境温度为25℃时，样本冰箱冷量损失随湿度的变化曲线。可知冷量损失基本为一条平行直线，说明样本冰箱冷量损失随湿度变化不大。由于冰箱的绝热材料被表层包裹，湿度变化不直接作用于绝热材料，故湿度的变化过程对绝热材料导热系数λ—没有影响。所以冰箱的整体冷量损失随环境湿度的变化基本可以忽略。

3 分析及改进

图7 整体冷量损失随环境湿度变化曲线Fig.7 The relation between the whole cold loss of fridge and the ambient humidity

通过分析样本冰箱工作过程中内部气流的流动规律，发现冰箱冷藏室制冷作用由冷冻室的冷空气通过风扇从冷藏室后侧吹到冷藏室内产生，导致冷藏室后侧存在强制对流的现象。由于从冷冻室吹来的风温要低于冷藏室温度，所以冷藏室后侧的壁面温度要普遍低于冷藏室其他各壁面。导致冷藏室后侧壁面的内外温差加大，对应导热热流量增大。由热阻的概念分析可知当壁面两边温度一定时，壁面的厚度会影响热流量的大小。所以，通过增加冰箱冷藏室后壁面中绝热材料的厚度，可以减少冷量损失。因此，取冷藏室后壁面内外壁温度为定值，改变绝热层厚度，由计算得到如图8所示通过后壁面的冷量损失随绝热层厚度的变化关系曲线。

由图8可知，通过冰箱后壁面的冷量损失随绝热层厚度增加而减少，但考虑到绝热层厚度不能无限制的增加，因此选择将冷藏室后侧的绝热层厚度由35.5 mm增加至55.5 mm。同时由于冷藏室顶部的热流量较小，为了弥补冷藏室后侧增厚导致的冷藏室容积的减少，将冷藏室顶部的绝热层厚度从31.5 mm降低至25 mm。

图8 25℃时冷量损失随冷藏室后壁绝热层厚度变化Fig.8 The relation between the thickness of refrigerator back wall and the cold loss at ambient temperature being 25℃

改进后冰箱各壁面热流量分布如表4所示。可看出冷藏室后侧热流量大幅度减小，并且冰箱各壁面散热的均匀性有显著改善。

表4 改进后冰箱各个壁面热流量（W／m2）Tab.4 The heat flux of each wall after improvement（W／m2）

图9所示为改进后冰箱整体冷量损失减少率随环境温度的变化关系。定义冰箱整体冷量损失减少率为改进前后整体冷量损失的差值与改进前整体冷量损失的比值。可以看出，改进后冰箱整体冷量损失在温度区间5～40℃的范围内均减少，并且随着环境温度的升高冷量损失减少率明显增大，环境温度为40℃时，冷量损失减少率达到10.9%。冰箱一般在室温（25℃）条件下工作，这时的冷量损失减少率为6.67%，冰箱的使用年限为12～15年［17］。按12年计算，室温为25℃时冷量减少量换算成电量为184 kW·h。

图9 改进后冰箱整体冷量损失减少率随环境温度的变化Fig.9 The relation between the total cold loss decrease rate of fridge and the ambient temperature after improvement

4 结论

本文利用全天候模拟实验平台模拟环境条件，在冰箱空载状态时，设置环境相对湿度为80%，环境温度分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃；设置环境温度为25℃，环境相对湿度分别为55%、65%、75%、85%、95%。在以上条件下采用热电偶测量冰箱各壁面的内外表面温度，根据傅里叶导热定律计算各壁面的热流量进而得到冰箱各壁面的冷量损失量。在分析及改进后，得到如下结论：

1）环境湿度对冰箱冷量损失几乎没有影响。

2）样本冰箱左右两侧冷量损失没有较大差别，冷藏室后壁面冷量损失明显大于其他各壁面。

3）对后壁面采取增加绝热层厚度的措施降低了冰箱的冷量损失，同时为了保证冷藏室容积，减小冷藏室顶部绝热层的厚度，最终使各壁面冷量损失接近一致，使总的冷量损失有所减小。

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Measurement of Refrigerator Cooling Capacity Loss and Improvement
of Its Thermal Insulation

He Peng1Nian Quanxin1，2Fang Wenzhen1Tao Wenquan1
（1.Key Laboratory of Thermo-fluid Science and Engineering of MOE，Xi’an Jiaotong University，Xi’an，710049，China；2.Dongfeng Liuzhou Motor Co.，Ltd.，Liuzhou，545000，China）

In the present paper，the cold loss of a fridge when unloaded was studied through an experiment，and an improvement was proposed.First，the heat transfer process between the fridge interior and the external environment was simplified into a one-dimensional heat conduction process.On an all-weather simulation experiment platform，to investigate the effect of ambient temperature on cooling capacity loss，the ambient temperature was set to 5，10，15，20，25，30，35，and 40℃ with a fixed ambient relative humidity of 80%.To investigate the effect of ambient humidity on cooling capacity loss，the ambient relative humidity was set to 55%，65%，75%，85%，and 95%with a fixed ambient temperature of 25℃.The temperature of the inner and outer walls for every combination of the above two series of parameters was measured when the refrigerator was unloaded.According to the Fourier heat conduction law，the heat flux of each wall can be obtained，and then the cold loss is calculated.The results show that the cold loss of the refrigerator increases with ambient temperature，and the ambient humidity has no effect on cooling capacity loss.The cold loss of the refrigerator back wall is obviously greater than that of the other walls，while that of the top wall is smaller.The insulation of the refrigerator back wall is thickened to decrease the entire cold loss，and the insulation of the refrigerator top wall is made thinner to guarantee the refrigerator storage capacity.This leads to an approximately uniform cold loss distribution of the refrigerator walls.

refrigerator；cooling capacity loss；heat conduction；improve

TB61＋1；TM925.2；TK124

：A

0253－4339（2017）03－0070－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.070

陶文铨，男，教授，西安交通大学，能源与动力工程学院，热流科学与工程教育部重点实验室，（029）82669106，E-mail：wqtao＠mail.xjtu.edu.cn。研究方向：先进的传热与流动数值模拟方法及其工程应用；强化传热与节能技术及其工程应用；能源与环境工程问题的多尺度模拟；微细尺度结构中的流动与传热问题；航天航空工程中的热流科学问题；新能源与可再生能源的应用基础研究；湍流模型及工程应用；能效评估与能源经济。

国际合作重点基金（51320105004）资助项目。（The project was supported by the Key Project of International Joint Research of NNSFC（No.51320105004）.）

2016年9月13日

About the corresponding author

Tao Wenquan，male，professor，Key Laboratory of Thermo-fluid Science and Engineering of MOE，School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，＋86 29-82669106，E-mail：wqtao＠mail.xjtu.edu.cn.Research fields：advanced computational methods in fluid flow and heat transfer and their engineering applications；heat transfer enhancement＆ energy-saving techniques and their applications；multiscale simulations of problems in energy and environmental engineering；fluid flow and heat transfer in mini-micro-nano structures；thermal and fluid science problems in aerospace engineering；fundamental studies of sustainable and renewable energy；turbulence modeling and its engineering applications；energy-efficiency evaluation and energy economics.