制冷器具干储性能可靠性研究和方案设计

2022-11-25张威周蕾陈昕陈辉云

环境技术 2022年5期

张威，周蕾，陈昕，陈辉云

（空调设备及系统运行节能国家重点实验室，珠海 519070）

引言

随着科技的发展和生活水平的提高，家用制冷器具在节能环保绿色家电的基础上，开始追求智能化和人性化发展。冰箱更是家用制冷器具发展的领跑者，形成了以智能化促进人性化发展的良好循环。刘兆岩[1]等分析了冰箱智能化发展的大趋势，在智能化发展的依托下，保鲜技术快速发展，多功能保鲜冰箱则满足了消费者的人性化需求。刘智洁[2]等人从专利申请方向分析了智能冰箱保鲜技术的发展趋势，熊征[3]等人则是从技术方向对冰箱保鲜技术发展趋势进行了归纳总结。

为了进益求精，保鲜技术紧随消费者需求不断升级。为解决蔬菜水果控湿保鲜、药材坚果防潮防霉的分类存储需求，冰箱行业开始注重干储技术的研究，冰箱除湿方法则是干储技术的核心。面对种类繁多的冰箱除湿方法，宋蕊[4]进行了系统的归纳总结，并对各类方法进行了利弊分析，但对干储技术运用在产品上实现的效果缺乏深入研究分析。本文将从干区结构设计、外界环境因素、消费者使用习惯三个维度对冰箱干储性能的可靠性进行研究分析，为干区设计优化提供方向和建议。

1 干储技术的原理分析

冰箱的干储技术主要是通过某种方法使冰箱内部干区抽屉或者子间室的湿度保持在较低的水平状态。此类方法种类繁多，但总体可以分为两大类，一类是通过某种手段达到除湿的效果来实现较低的湿度水平，例如，放入干燥剂吸附除湿、开通风道利用干燥的制冷循环风除湿等；另一类是通过某种手段隔绝或者阻断水分的进入来实现较低的湿度水平，例如，利用选择性通过膜阻断水分进入、采用密封结构设计隔绝水分进入等。

干储技术主要是针对干货存储开发的，为的是存储过程中更好的保持食材的稳定性，实现的技术方法不同，相应的控制参数存在差异，为了更好的评价干储性能的可靠性，需要选择合理的统一评价参数。

2 干储性能评价参数的选择

水分活度是指水分的游离程度，也表示食品中的水分可以被微生物利用的程度，《食品冷冻冷藏原理与技术》[5]从酶促反应、生物化学反应以及食材质构等方面阐述了水分活度可直接反映食品的储藏状态，控制较低的水分活度能够抑制食品的化学反应和微生物生长繁殖、保持食品的质构，提高食品的稳定性。其数值可用水分活度仪进行测量，常用的测量原理是平衡相对湿度法，即水分活度在数值上等同于密闭环境的相对湿度，通过测量密闭环境中的相对湿度值得到食品的水分活度值[6]。

综上所述，较低的相对湿度水平是具有良好干储性能的体现，因此本次研究分析将采用干区的相对湿度值来作为其干储性能的评价参数。

3 可靠性研究与分析

3.1 仪器与材料

具有干储功能的冰箱A和B：干区容积相近但结构不一样，冰箱A干区为密闭结构设计，冰箱B干区为可实现气流循环的风口设计；温湿度记录仪ZDR-20：杭州泽大仪器有限公司；性能实验室（温度：0～50 ℃±0.5 ℃、湿度：45～95 %RH、温度梯度：≤1 ℃/m、试验区风速：≤0.25 m/s）；A型实验托盘：满足QB/T 5510-2021标准要求；羊毛片：满足QB/T 5510-2021标准要求。

3.2 实验方法

将样机放入性能实验室内，实验室干球温度为25±0.5 ℃、湿度分别为55±2 %和90±2 %。冰箱在正式试验前先提前24 h通电空载运行，冷藏室按照4±1 ℃、冷冻室按照-18±1 ℃调控间室温度。

3.3 研究与分析

3.3.1 干区结构设计的影响

将冰箱A和B的干区放入温湿度记录仪，在环境温度为25 ℃、环境湿度为55 %的条件下测试3天。图1和图2分别为两个干区稳定运行状态下的相对湿度曲线，对比发现冰箱A干区相对湿度波动很小、较为平稳，而冰箱B干区相对湿度波动幅度较大超过40 %，因此冰箱A干区的干储性能更稳定有利于保持食材物质稳定性。

图1 冰箱A干区相对湿度曲线

图2 冰箱B干区相对湿度曲线

这主要是冰箱B干区有风口设计采用干燥的制冷循环风进行除湿，在风门开启时冷冻室的干燥冷空气进入，相对湿度急速下降，风门关闭时与冷藏室的潮湿空气交换，相对湿度迅速上升，导致相对湿度波动较大；而冰箱A干区利用整体框架搭载密封条设计形成相对密闭的结构，来隔绝水分进入，从而实现较低的湿度水平，干区内水分含量相对稳定，故相对湿度较为平稳。由此可见，结构设计对干储性能的稳定性有着决定性的影响，更关系着干储性能可靠性。

3.3.2 外界环境因素的影响

因冰箱的干区子间室一般都设计在冷藏室内，冰箱冷藏室具有自动智能控温系统，温度对干区相对湿度的影响很小不予以考虑，主要研究外界湿度对干区相对湿度的影响。对干区而言，外界湿度包含冰箱外环境湿度和冷藏室内湿度，冷藏室内新鲜的蔬菜和水果存在蒸腾现象会影响冷藏室的湿度，为此我们借鉴QB/T 5510-2021中重量损失率实验方法[7]，在冷藏室内放置A型实验托盘+羊毛片来模拟果蔬散发水分的情况。

在冰箱A和冰箱B的干区放入温湿度记录仪，分别在55 %和90 %环境湿度条件下测试冷藏室空载状态与放置A型实验托盘+羊毛片两种情况，测试周期为3天，统计结果（因两个干区的相对湿度曲线差异较大，相对湿度最大值和最小值不具有整体湿度水平的代表性，故采用相对湿度积分均值进行评判）如图3所示。

图3 不同外界湿度条件下的干区相对湿度

通过对比分析发现：相同外界湿度条件下，冰箱A干区相对湿度均比冰箱B干区相对湿度低，且随着环境湿度和冷藏室湿度的增加，两种干区相对湿度的差距在逐渐加大，由2.25 %增加至11.69 %。

综上所述：①冰箱所在环境湿度和冷藏室湿度会影响干区的相对湿度水平，并呈正相关关系，设计人员在进行干区设计时需要考虑不同地区湿度水平差异对干储功能的影响；②密闭结构设计更有利于降低外界湿度对干区相对湿度水平的影响程度。

3.3.3 消费者使用习惯的影响

因冷藏室或者干区在开门过程中会因为内外温湿度差异，直接导致冷藏室和干区的湿度产生变化，而不同使用习惯决定了开门频次的不同，故验证冷藏室和干区的不同开门频次对两种干区相对湿度的影响程度，分析两种干区的干储性能可靠性。

在25 ℃/90 %的条件下，冷藏室放置A型实验托盘+羊毛片，干区放入温湿度记录仪，测试周期7天，分别验证不同开门频次组合（如表1）对干区相对湿度的影响。

表1 冷藏室和干区的不同开门频次组合

验证结果如图4（a）、（b）所示，对比分析发现：

图4 验证结果

1）在只开冷藏门时，冰箱A干区相对湿度与冰箱B干区相对湿度相比一直保持在较低的水平，虽然随着冷藏室开门频次的增加，冰箱A、B的干区相对湿度分别增加了0.8 %和2.1 %，但冰箱A、B的干区相对湿度并没有随着时间的累加而递增，仍保持平稳趋势；

2）当干区存在开门操作时，冰箱B干区相对湿度仍然保持在45 %左右的平稳趋势，而冰箱A干区相对湿度却产生巨大变化，在1次/天的开门频次下，第一天相对湿度即由31 %增加至44 %，且随着时间的累加呈明显递增趋势，最终平衡在74 %，在3次/天的开门频次下，第一天相对湿度高达83 %以上，后随着时间的累加缓慢增加直至平衡在88 %左右。

这主要是冰箱A干区设计密封性良好，冷藏室开门引起的湿度波动对干区相对湿度基本无影响，但相对密闭结构在隔绝水分进入的同时也阻碍了水分的移出，随着干区开门次数的增加进入干区的水分越多，相对湿度迅速上升，直至达到平衡状态。冰箱B干区设计密封性不佳，干区相对湿度在冷藏室开门时刻受影响较大，但因其结构设计特点，随着风门的开启干区相对湿度又快速恢复，从而导致相干区对湿度会因开门而增加，但却不会随时间而递增。

上述表明：密闭结构设计可以有效降低冷藏室湿度波动对干区相对湿度的影响；而气流循环除湿设计在干区频繁开门的情况下更有利干区相对湿度的平衡。

4 优化方案

基于上述研究分析，相对密闭的结构可以有效隔绝外界水分的进入，有利于维持干区湿度的稳定性，循环除湿的技术设计可以快速移除干区内部的多余的水分，有利于干区湿度的平衡，因此相对密闭的结构搭载循环除湿的技术可以有效提升干储性能可靠性。

以冰箱A为例，在其干区密闭结构设计的基础上增加进风口和出风口设计并在风口处增加控湿膜，达到既可以隔绝外界水分的进入又不影响干燥的制冷循环风除湿的效果，以此来优化干区的设计缺陷，增加干储性能可靠性。并在25 ℃/90 %的环境条件下、冷藏室放置A型实验托盘+羊毛片、对干区进行3次/天的开门操作验证7天，记录干区的相对湿度变化。

由图5（a）发现，冰箱A优化后的干区相对湿度存在7 %左右的小幅度波动，较同样具有风口的冰箱B干区相对湿度40 %左右的波动幅度有了明显改善；由图5（b）发现，冰箱A优化后的干区在相同的开门操作下，相对湿度保持在31%左右且不随时间的累加而递增，具有很强的湿度平衡能力，优化后的冰箱A干区的干储性能可靠性得到明显提升。