风冷冰箱化霜加热器性能研究

2021-07-02孟宪春李同琴

现代制造技术与装备 2021年5期

孟宪春李同琴任伟周扬李颉

（1.合肥联宝信息技术有限公司，合肥 230601；2.合肥美的电冰箱有限公司，合肥 230601）

风冷冰箱由于冷却速度快、容积大、无需人工除霜等优点[1]，已成为冰箱行业的主流产品。常规的风冷冰箱化霜加热器有钢管加热器、石英管加热器和铝管加热器3种。国内外众多学者对3种加热器的特性进行了充分研究。研究表明：铝管加热器发热量较低而石英管加热器易破损，导致二者的应用范围有限；钢管加热器管材耐用，可靠性高，应用范围最广泛[2-4]。本文以不同规格、材质的钢管加热器作为研究对象，研究不同米功率、表面材质等因素条件下，钢管加热器的表面温度的变化规律，从而为冰箱用钢管加热器的设计和选型提供参考。

1 实验对象和测试系统

1.1 实验对象

图1为普通钢管加热器的剖面图。不同规格的钢管加热器，选用的发热丝、氧化镁粉末类型以及表面钢管的材质均不同。本文对3种不同规格的钢管加热器的表面温升进行了实验研究，具体见表1。

表1 3种不同规格的钢管加热器的基本参数

图1 普通钢管加热器剖面图

1.2 测试方法与样品类型

为了确保实验结果的准确性，首先研究两种不同的热电偶布设方法对实验结果误差的影响，即分别采用热电偶探头缠绕钢管固定法和铜箔包裹热电偶探头法进行实验。实验在焓差法实验室中进行，环境温度为25.0 ℃±0.8 ℃，相对湿度为65%。数据采集间隔设定为30 s。

1.3 测试结果

测试过程中，加热器的运行功率均被调整到326 W左右。图2曲线为分别采用热电偶探头缠绕法和铜箔包裹的方法对钢管加热器规格2进行的温度测量结果。从数据可以看出，热电偶探头缠绕法结果差异较大。一方面，钢管表面最大温度比用铜箔包裹法低了近100 ℃；另一方面，不同测点温差大，超过了100 ℃。其余两种规格也分别做了对比验证，结果类似。

图2 两种方法对同一样件的测试结果对比

热电偶测试误差可用式（1）计算[5]：

式中：Tg代表热电偶附近的气体温度；T代表热电偶的实际温度；Tw代表焓差室壁面温度。由式（1）可知，当热电偶探头裸露在空气中时，测量误差与其自身温度的4次方成正比。它的表面温度越高，测量误差越大，故铜箔包裹的测试结果更可信。

图3为采用铜箔包裹法对上文提出的3种不同规格的样件进行测试后的最高温度对比图。其中，由于一般的T型热电偶无法测量400 ℃以上的高温，所以样件1采用了K型热电偶进行测试。从图3的数据对比可以看出，影响钢管加热器表面最大温度的因素主要是米功率。对比规格1和规格2，相同钢管材质条件下，米功率从1.27 W·cm-2降低到0.80 W·cm-2，加热器的最高温度降低100 ℃左右。此外，钢管加热器表面材质也对加热器的最大温升有一定影响。对比规格2和规格3发现，相同米功率条件下，材质由304钢改为840钢，最高温度可降低30～50 ℃。该实验结果符合工程经验数值，较为可信。

图3 3种不同规格钢管加热器安规最高温度对比

2 钢管加热器热物性测量

2.1 表面发射率

304钢是一种常见的钢材材质，很多作者都对其光谱发射率进行过深入研究。研究结果表明，在钢管加热器工作温度范围内，304钢的平均发射率约为0.6。本文利用傅立叶光谱仪对840材质钢在350 ℃下的光谱发射率进行测试。图4为傅里叶红外光谱仪（BRUKERVERTEX80）、测试附件以及样件测试前后的对比图片。