基于冰表面被动防霜的半导体冰箱性能研究
2021-09-15陆雪妃张丽娜熊良涛蒲宇航乔睿鑫
陆雪妃 张丽娜* 熊良涛 蒲宇航 乔睿鑫
（宁波工程学院 建筑与交通工程学院，浙江 宁波 315016）
1 概述
结霜问题已成为影响现有制冷空调系统换热性能的重要因素。当湿空气与低于空气露点温度的冷表面接触时，空气中的水蒸气凝结于冷面上，进而形成霜层，霜层阻碍气流流通，影响换热器的换热性能，从而降低制冷效率[1]。结霜现象在许多领域如航空航天、低温、制冷及热泵系统等非常普遍[2]。尤其当蒸发器翅片的温度低于0℃，环境相对湿度大于60%时，更增大了翅片表面发生结霜的可能性[3]。结霜问题不仅会增加冰表面的换热热阻，降低传热效率，还会堵塞空气侧通道，导致机器无法正常运行[4，5]。近年来许多研究人员致力于研究有效且节能的抑霜方式，迄今为止，经研究可采用的传统除霜方法仍存在不足：电加热方法虽具有系统简单、除霜完全的特点，但存在耗电多，对环境不友好的弊端；水或盐水除霜是一种通过泵将水或盐水直接喷洒在冷风机表面的除霜方法，虽然除霜时间短、设备的初投资成本低，但如果排水不及时则易形成二次结霜[6]；即使是目前应用最广泛的逆循环除霜和热气旁通除霜方法也因除霜能量来源的局限和除霜时间过长[7]，很难达到理想的除霜效果。因此，研究冰表面结霜机理，探索高效抑霜技术对提高制冷系统的换热性能具有重要意义。为实现更好的除霜效果，抑制霜层的产生与生长是从本质上解决问题的关键[8]。文本提出了一种基于冰表面被动防霜的半导体冰箱，采用微槽肋片来抑制霜层生长，达到抑霜控霜的目的，为寻求制冷空调系统的新型除霜方式提供了借鉴与解决方案。
2 系统工作原理
半导体冰箱原理图如图1所示。此冰箱主要由微槽肋片、半导体片及热水循环系统构成，半导体冰箱利用微槽肋片进行系统的抑霜，以达到除霜的效果。半导体冷端产生的冷量通过带有微槽的肋片导入冰箱内部区域供冷。当区域内温度低于0℃时，微槽中的水首先结冰，之后肋片表面将结霜。由于微槽中冰表面比空气中的水蒸汽分压力小，使得霜优先在微槽冰表面及其附近产生霜并生长，减弱了肋片其他表面大面积结霜的现象。同时，在系统抑霜过程中，半导体热端产生的热量通过热水循环系统排出。
图1 半导体冰箱原理图
3 实验分析
3.1 肋片抑霜能力实验
实验测定了使用不同规格的微槽肋片时冰箱的除霜量。利用温湿度传感器获取冰箱内部温度，并采用运动相机实时监测肋片状态，同时，考虑到微槽中会有少许水分蒸发到空气中，因此，以微槽结冰后与结霜后的肋片质量差值作为结霜质量，保证数据的准确性。根据实验现象可知，霜层绝大多数分布于微槽上方，侧壁格基本不出现结霜现象。表1为不同规格微槽肋片结霜量，由实验数据对比可知，采用肋片间距为4mm的微槽肋片结霜效果最好，且微槽深度超过一定值时对于结霜量没有明显影响。
表1 肋片抑霜霜量
3.2 不同肋片形式下半导体冰箱COP及效率对比
半导体冰箱单位时间制冷量由半导体耗电量与冷端吸热获得的热量共同组成，半导体热端采用水冷散热的方式，测得热端工作12分钟水升温，获得其总功率，又通过多用电表测得半导体工作相同时间时两端的电压与电流，得到其电功率。冷端功率为总功率与电功率的差值，得到冷端功率后与总功率比较，计算得出COP（工作过程中，肋片处存在结霜现象）。
3.2.1 半导体冰箱COP的计算：冷端功率与总功率比较，冷端功率即为总功率与电功率的差值。
3.2.2 单位时间的制冷量计算：单位时间冷端制冷量为热端总热量与电热量的差值。
式中：
Q总、Q电、Q冷——每分钟热端总热量、每分钟半导体电热量、每分钟冷端制冷量。
3.2.3 实验数据分析：通过实验分析数据，可以得到COP提升率计算表，如表2所示，冰箱系统工作时COP比较图，如图2所示，并通过对比分析可观察出不同类型肋片的COP提升率的大小。
图2 冰箱系统工作时COP比较图
表2 COP提升率计算表
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根据表2数据，对这四种不同型号的肋片进行制冷率和COP提升率的大小的比对，可以得出相同型号的微槽肋片加水时的制冷效率比不加水时要高，且在3cm高的加水微槽肋片换热提效率最高的结论。
由图2可知，加水微槽肋片的COP值明显高于同类型不加水的微槽肋片，且加水微槽的COP值随着微槽肋片尺寸的增大的增大，由此可得出5cm加水肋片的COP有最高值的结论。
4 实验结论
通过肋片抑霜能力实验及半导体冰箱单位时间制冷量测量实验，对比实验数据得到肋片微槽加水总是比不加水的COP高，而5cm加水肋片的COP值最高，并且在实验过程中，肋片总是微槽上方先开始结霜，肋片侧壁和下方总是保持相对干燥。
由于霜层总是往微槽附近生长，肋片内壁的散热效率得到提高，于是半导体冰箱制冷效率也提高了。在实验过程中，为了尽可能减小实验误差，还要保证半导体热端的散热。
5 结论
基于冰表面被动防霜的半导体冰箱系统利用肋片微槽能实现很好的防霜效果，在运行过程中，采用水作为吸霜原料，成本低，环境友好性高，且肋片上设置微槽的方法小巧便携，可运用于多个领域进行防霜。本实验这不仅给解决结霜现象提供了思路，同时，为现有空调系统除霜提供了解决思路和理论基础，对空调系统节能具有现实意义。
