风冷冰箱化霜控制分析研究

刘 雷 李培培

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

风冷冰箱，又称无霜冰箱，由于可以实现自动化霜，不用手工除霜，使用方便，已成为国内消费者购买冰箱的首选，其制冷原理就是利用翅片蒸发器中制冷剂相变吸热及以风扇为动力的强制对流换热方式使冰箱内部实现降温。由于冰箱内储存的食物含有水分，且冰箱在开关门的过程中也会进入一定的水蒸汽，这些水蒸汽会随着冰箱风循环流经翅片蒸发器的表面时形成霜层[1]。

目前，现有的风冷冰箱化霜控制方式普遍采用以压缩机累计工作时间和冰箱开门时间为基础换算总计时的方式，即压缩机累计工作时间和冰箱开门时间为基础进行公式换算的结果为总计时，当总计时达到预设值时冰箱启动化霜[2]。

但是，现有的许多风冷冰箱只有冷藏室有开关门检测装置，而冷冻/变温间室则没有。冰箱在冷冻/变温室开门时，大量湿空气进入蒸发器，使蒸发器快速满霜，而总计时值不能随之增加，且冰箱不能及时化霜，就会导致上述所述的食物变质，风扇打冰、堵转等问题。为解决此问题，设计师大多会采用缩短化霜周期的措施来提高冰箱在恶劣工况下化霜的可靠性，但同时也增加了冰箱在正常工况的化霜频次，造成过度化霜，产生不必要的化霜功耗[3]。

对此，本文选择两门风冷BCD-338W冰箱为研究载体，通过相应的试验测试，分析出冷藏制冷时间与蒸发器结霜量的关系，设计出以冷藏制冷时间为依据的单循环风冷冰箱化霜控制方法，使冰箱达到“准确化霜，及时化霜”的目的。

1 实验测试

1.1 实验对象

本次实验所用样机是型号为BCD-338W的单循环风冷两门冰箱，为上藏下冻结构。该样机主要由压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器等部分组成，其冷藏风门开关由冷藏传感器控制，压缩机的启停由冷藏传感器和冷冻传感器控制。冰箱所用蒸发器是一个三排五列的拉胀翅片管式（如图1所示），冷凝器为内置冷凝器。

图1 蒸发器组件

1.2 测试方法分析

本文所用实验数据均是在环境温度为32 ℃，相对湿度为80 %的条件下取得。实验过程中，采用铜-康铜热电偶来测量温度；在箱体内部均布置有温度测点，监测冰箱运行期间各测点的温度变化。数据采集间隔设定为30 s；同时采用数字测试仪测量冰箱的运行功率和耗电量。另外在测试过程中冰箱冷藏、冷冻室温度分别设定为4 ℃和-18 ℃。

如图2所示，t1、t2为化霜后冰箱制冷稳定段冷藏单次制冷时间长度，tp为t1、t2均值，tn为冰箱化霜前最后一次完整的冷藏单次制冷时间长度，Ts为冰箱化霜周期，即两个相邻化霜之间的间隔时间长度，Vs为冰箱每次化霜所产生的化霜水容积，△E为化霜能耗。本次试验主要研究分析在一个的化霜周期内随着蒸发器结霜量的增加，冷藏每次制冷时间长度的变化规律，并以冰箱化霜周期Ts为变量，分别取Ts=10 h、15 h、20 h、25 h、30 h、35 h、40 h共7组状态下，验证测试并计算出tp、tn、Vs、△E、tn/tp共6个数值，如表1 所示。

2 化霜控制分析

2.1 结霜过程分析

如图2所示，冰箱化霜完成后，蒸发器风阻较小，换热效率高，冷藏降温速度快，如表1所列，tp值均在16 min上下，在较短的时间内完成了一个冷藏制冷周期，但随着冰箱累计运行时间递增，霜层逐渐加厚，风路系统阻力逐渐变大，风循环效率降低，制冷效果变差，进而导致冷藏单次制冷时间tn逐渐变大。

表1 结霜试验测试数据表

如图3所示，随着化霜周期Ts值从10 h增至40 h，tn值也在快速增加，当化霜周期升到35 h以上后，tn和tp比值升至2.0以上，冷藏降温速度下降明显，说明此阶段冰箱制冷效率很差，蒸发器已接近霜满状态。由此可以得出一个结论：在一个化霜周期内随着蒸发器结霜量的增加，冰箱制冷效率会逐步下降，冷藏单次制冷时间也逐渐加长，反之，若根据冷藏制冷时间的变化，也能间接反映出冰箱蒸发器结霜量的多少。

2.2 化霜周期控制

如上文所述，风冷冰箱持续制冷，蒸发器结霜量不断增加，冰箱累计制冷时间越长，蒸发器结霜量就越多。如图3所示，化霜周期Ts在10 h至25 h，化霜水量Vs值增速较快。此阶段是蒸发器霜层由少到多的快速增长期，也是冰箱高效率制冷运行时期。化霜周期Ts在25 h之后，化霜水量Vs值曲线平缓，在此阶段冰箱蒸发器结霜量较多，已接近满霜，同时，tn值相对较大，较前阶段冷藏单次制冷时间增加很多，冰箱制冷效率很低，此时冰箱若再继续制冷，不仅会增加运行耗电量，同时还会导致冷冻风道内部结霜、结冰，故冰箱应立即停止制冷并启动化霜，待化霜结霜后再恢复制冷。其次，化霜周期Ts从10 h增至30 h、40 h，化霜增量△E并没有同倍数增长，由此可见，在保证冰箱制冷运行正常的前提下，应仅可能地延长化霜周期，有助于降低冰箱运行能耗。

图3 结霜试验测试数据分析图

针对上述验证分析结果，冰箱蒸发器结霜多寡，影响冷藏制冷时间长短，反之，根据冷藏制冷时间的变化，亦可间接反应出蒸发器结霜量多少，并判定冰箱是否需要启动化霜。对此，本文提出一个新的单循环风冷冰箱化霜控制方法：如图2所示，在冰箱正常制冷时，判断冷藏室当前制冷周期内制冷时间与化霜结霜后稳定运行阶段若干次冷藏制冷时间平均值的比值是否大于等于与预设值；若是，则判定蒸发器为满霜，立即启动化霜；若不是，则判定蒸发器未满霜，冰箱继续进行制冷，具体如下：当时，冰箱停止制冷并启动化霜，否则冰箱继续制冷，其中tp为化霜后稳定运行时段冷藏单次制冷时间平均值，tn为当前冷藏制冷周期内制冷时间长度，k值可根据实验验证得出，一般取值在1.5～2.5之间。

3 总结

本文提供的一种单循环风冷冰箱化霜控制方法，可以有效补充现有化霜控制方式，使冰箱化霜更加智能，可保证除冷冻间室外的其他间室在遇到霜堵时能够及时地恢复制冷，可使冰箱化霜更加准确及时，避免了出现因蒸发器满霜导致冰箱制冷效果差或不制冷，以及因化霜不及时导致冷冻风扇结霜、扇叶周围积冰，进而出现扇叶打冰、冰堵的异常噪声的问题，同时又杜绝了为保证化霜可靠性使冰箱过度化霜浪费电能的问题，做到“及时化霜、准确化霜”。本文的研究成果丰富了冰箱的化霜控制方法，为单系统风冷冰箱的化霜设计改善提供重要的设计参考。