余濤 劉全義 李清松

長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

0 引言

風(fēng)冷冰箱制冷過(guò)程中，箱內(nèi)空氣中的水分在蒸發(fā)器表面析出并被凍結(jié)成霜或冰，隨著霜或冰的增加，蒸發(fā)器熱阻增大，換熱效率降低[1-2]，同時(shí)空氣流過(guò)蒸發(fā)器表面的通道減小，冰箱制冷循環(huán)風(fēng)量減小，冰箱制冷能力逐步變差，甚至不制冷，所以風(fēng)冷冰箱需要周期性除掉蒸發(fā)器表面累積的霜和冰，維持冰箱正常制冷功能。

根據(jù)GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[3]標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)冷冰箱耗電量包含穩(wěn)態(tài)耗電量和化霜及恢復(fù)期耗電量增量，電冰箱化霜及恢復(fù)期耗電量增量是指無(wú)霜電冰箱由于化霜及恢復(fù)期產(chǎn)生的額外的電能消耗，化霜及恢復(fù)期能耗增量越大，風(fēng)冷冰箱能耗越大。

風(fēng)冷冰箱主要采用電加熱方式對(duì)翅片蒸發(fā)器進(jìn)行除霜，化霜加熱器通過(guò)熱輻射、導(dǎo)熱和自然對(duì)流復(fù)合傳熱方式對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行加熱除霜。有文獻(xiàn)研究得出，除霜加熱器所發(fā)出的熱量?jī)H有15%～20%被有效利用[4]，剩余的熱量被結(jié)構(gòu)部件、制冷劑和箱內(nèi)冷空氣吸收。低效率除霜，不僅使除霜能耗增大，同時(shí)溫度升高，再次開機(jī)后的運(yùn)行能耗增加，最終增加冰箱能耗。

目前，風(fēng)冷冰箱降低化霜增量的方法主要集中在高效除霜階段，李智強(qiáng)、趙丹[5]等通過(guò)將回風(fēng)道出口的風(fēng)量分布與除霜加熱器除霜熱量分布相匹配，可使蒸發(fā)器上的結(jié)霜分布與除霜加熱器除霜熱量分布一致，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器上霜層均勻融化，達(dá)到優(yōu)化除霜的目的。孫好雷、盛偉[6]等通過(guò)改進(jìn)化霜策略、采用整體翅片提升化霜效率，合理控制化霜溫度，減少無(wú)用能耗，使冰箱化霜期間的能耗降低5%。

根據(jù)不同類型的風(fēng)冷冰箱能耗試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，化霜及恢復(fù)期能耗占比約8%～15%。由于單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱共用一個(gè)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器結(jié)霜速度最快，化霜及恢復(fù)期能耗占比最大。如本文研究對(duì)象為單系統(tǒng)對(duì)開門風(fēng)冷冰箱BCD-540W，根據(jù)載體冰箱實(shí)際耗電量測(cè)試結(jié)果，化霜及恢復(fù)期能耗0.118 kW?h/24 h，標(biāo)準(zhǔn)耗電量0.8018 kW?h/24 h，原狀態(tài)化霜及恢復(fù)期能耗占比高達(dá)14.7%。本文通過(guò)對(duì)研究載體化霜及恢復(fù)期耗電量增量的影響因素研究分析，探索降低化霜及恢復(fù)期耗電量增量方法，從而實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)冷冰箱耗電量。

1 風(fēng)冷冰箱化霜增量影響因素

1.1 風(fēng)冷冰箱除霜進(jìn)程

處于制冷循環(huán)的風(fēng)冷冰箱，當(dāng)觸發(fā)除霜設(shè)置條件時(shí)，冰箱啟動(dòng)除霜程序，此時(shí)壓縮機(jī)停止工作，風(fēng)扇關(guān)閉，啟動(dòng)化霜加熱器，當(dāng)蒸發(fā)器表面霜或冰完全融化后，關(guān)閉化霜加熱器，進(jìn)入蒸發(fā)器滴水時(shí)間，滴水完成，壓縮機(jī)啟動(dòng)，冰箱再次進(jìn)入制冷循環(huán)。

1.2 風(fēng)冷冰箱化霜及恢復(fù)期耗電量增量影響因素

因執(zhí)行除霜程序，風(fēng)冷冰箱一段時(shí)間內(nèi)處于非制冷狀態(tài)，箱內(nèi)溫度逐步回升，同時(shí)因化霜加熱器部分熱量通過(guò)風(fēng)道導(dǎo)熱和對(duì)流方式傳遞至箱內(nèi)，加劇箱內(nèi)溫度回升。通常除霜周期結(jié)束，冷凍室內(nèi)最高溫度回升至0℃以上，當(dāng)冰箱再次制冷時(shí)需要消耗額外的制冷量使箱內(nèi)溫度恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)溫度。

通過(guò)研究風(fēng)冷冰箱除霜過(guò)程可知，影響化霜和恢復(fù)期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風(fēng)道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發(fā)器除霜效率、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電動(dòng)風(fēng)門開關(guān)控制等。本文以某款大容積對(duì)開門單系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱BCD-540W為載體，以產(chǎn)品易實(shí)現(xiàn)、改動(dòng)小等角度出發(fā)，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復(fù)期壓縮機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)門等方面進(jìn)行控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其優(yōu)化效果。

2 降低風(fēng)冷冰箱化霜增量的優(yōu)化設(shè)計(jì)案例

2.1 化霜加熱器設(shè)計(jì)

風(fēng)冷冰箱BCD-540W化霜加熱器采用鋼管材質(zhì)，化霜加熱器布置在蒸發(fā)器最下端，如圖1所示。通過(guò)對(duì)風(fēng)冷冰箱化霜過(guò)程蒸發(fā)器表面溫度監(jiān)測(cè)可知，蒸發(fā)器除霜過(guò)程為“從下到上”逐步除霜方式。從熱量傳遞過(guò)程來(lái)看，蒸發(fā)器下部以熱輻射傳熱為主，除霜迅速，蒸發(fā)器中、上部以熱空氣對(duì)流傳熱途徑為主，最上部蒸發(fā)器溫度回升最慢。在風(fēng)冷冰箱除霜后期，隨著蒸發(fā)器表面霜層逐漸融化，空氣流動(dòng)阻力逐漸減小，自然對(duì)流加劇，箱內(nèi)溫度迅速升高。

圖1 蒸發(fā)器與加熱器安裝方式

BCD-540W改進(jìn)前的化霜加熱器大部分管路與蒸發(fā)器距離較遠(yuǎn)，加熱效率較低，改進(jìn)前化霜加熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對(duì)該蒸發(fā)器倉(cāng)布局方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)思路為在保證化霜接水盤和冷藏回風(fēng)口除霜徹底的前提下，加熱器管路集中靠近蒸發(fā)器，提高加熱器熱量利用率，改進(jìn)后化霜加熱器結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時(shí)把加熱器功率由原狀態(tài)242 W調(diào)整為201 W（201 W為常用的加熱器功率），驗(yàn)證其改進(jìn)效果。

圖2 改進(jìn)前化霜加熱器結(jié)構(gòu)

圖3 改進(jìn)后化霜加熱器結(jié)構(gòu)

如表1所示，以相同控制邏輯，分別設(shè)置242 W和201 W加熱器功率，改進(jìn)后化霜加熱器工作時(shí)間同比縮短，化霜增量分別降低8.94%和10.23%。

表1 相同規(guī)則下加熱器改進(jìn)前、后化霜增量對(duì)比數(shù)據(jù)

2.2 化霜及恢復(fù)期控制策略優(yōu)化

如圖4所示，本文根據(jù)風(fēng)冷冰箱化霜過(guò)程，把化霜及恢復(fù)期完整階段分解成若干個(gè)進(jìn)程，并針對(duì)每個(gè)進(jìn)程進(jìn)行優(yōu)化控制。

圖4 風(fēng)冷冰箱化霜進(jìn)程示意圖

化霜進(jìn)程一，化霜前蒸發(fā)器預(yù)熱階段。

當(dāng)風(fēng)冷冰箱觸發(fā)化霜程序，壓縮機(jī)停止工作，冷凍風(fēng)扇維持運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)冷藏風(fēng)門維持開啟狀態(tài)，待冷凍風(fēng)扇運(yùn)行3～4分鐘后關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉冷藏風(fēng)門，打開化霜加熱器。確保在化霜加熱打開之前，利用蒸發(fā)器多余制冷量用于冷藏室制冷，并且蒸發(fā)器表面溫度一般可回升至-15～-13℃，提升蒸發(fā)器表面溫度，減少化霜加熱器工作時(shí)間。

化霜進(jìn)程二，設(shè)定合理的化霜退出溫度。

為保證風(fēng)冷冰箱蒸發(fā)器倉(cāng)除霜干凈、無(wú)死角，通常在蒸發(fā)器最難除霜的位置設(shè)置化霜溫度傳感器，一般化霜退出溫度設(shè)定為8～12℃，通過(guò)設(shè)定退出溫度富余值來(lái)保證蒸發(fā)器除霜徹底。這種方式雖然能在一定程度上避免除霜不徹底的問題，但必然帶來(lái)多余能量消耗，增大冰箱耗電量。在35℃/85%濕度、連續(xù)開關(guān)門的惡劣測(cè)試工況下，通過(guò)監(jiān)控蒸發(fā)器表面溫度和化霜結(jié)束拆開冷凍風(fēng)道雙重手段，組合判斷蒸發(fā)器及周圍除霜狀況。通過(guò)多次的試驗(yàn)驗(yàn)證，化霜退出溫度設(shè)定為1～2℃可以保證蒸發(fā)器倉(cāng)除霜干凈，同時(shí)減少能量浪費(fèi)。

化霜進(jìn)程三，滴水流程設(shè)置。

為保證風(fēng)冷冰箱翅片蒸發(fā)器表面化霜水有足夠的時(shí)間流到箱體外部的接水盤，通常在化霜加熱器關(guān)閉后，所有負(fù)載停止工作并維持8～10分鐘，即為滴水時(shí)間。因鋼管加熱器與翅片蒸發(fā)器組合傳熱特性，蒸發(fā)器“從下到上”逐步除霜，蒸發(fā)器最上部溫度回升最慢。由于翅片與翅片之間搭建成“水橋”效應(yīng)，蒸發(fā)器表面“積水”較多，化霜后期大部分蒸發(fā)器表面溫度早已高于0℃，化霜水已經(jīng)基本排到箱外，在滴水過(guò)程中只有少量化霜水排出。因此，滴水時(shí)間設(shè)置在2～3分鐘，既能保證化霜水全部排出，也可以減少蒸發(fā)倉(cāng)內(nèi)的熱量進(jìn)入到間室內(nèi)部，減小間室內(nèi)溫升。

化霜進(jìn)程四，滴水結(jié)束，冰箱再次進(jìn)入制冷狀態(tài)。

化霜結(jié)束后，壓縮機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)的蒸發(fā)器倉(cāng)的部件、制冷劑和空氣等溫度很高，不適合立即啟動(dòng)冷凍風(fēng)扇，待壓縮機(jī)運(yùn)行4～5分鐘，蒸發(fā)器倉(cāng)溫度下降至一定溫度后再啟動(dòng)冷凍風(fēng)扇，能夠有效減少蒸發(fā)器倉(cāng)內(nèi)的熱空氣對(duì)冷凍間室溫度沖擊，降低恢復(fù)期能耗。

化霜進(jìn)程五，化霜后首個(gè)制冷周期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

從化霜結(jié)束冰箱開始制冷到冰箱達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)稱為化霜恢復(fù)期。由于化霜過(guò)程冷凍間室處于非制冷狀態(tài)，且化霜加熱器熱量進(jìn)入冷凍間室，導(dǎo)致冷凍室內(nèi)溫度回升過(guò)高，甚至達(dá)到0℃以上，需要通過(guò)消耗額外制冷量使冷凍室溫度重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，按照32℃/50%濕度測(cè)試工況，BCD-540W化霜周期設(shè)定為固定60小時(shí)，其他測(cè)試條件保持一致，在化霜恢復(fù)期分別設(shè)定不同的壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證化霜恢復(fù)期能耗增量。如表2所示，化霜恢復(fù)期壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，化霜增量越大，當(dāng)化霜恢復(fù)期壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置為穩(wěn)定時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，化霜增量最小。

表2 化霜恢復(fù)期壓縮機(jī)不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速的化霜增量數(shù)據(jù)

3 測(cè)試方案及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)介

（1）試驗(yàn)條件

試驗(yàn)環(huán)境溫度：16℃和32℃；試驗(yàn)環(huán)境濕度：50%；化霜加熱器功率：200 W。

（2）試驗(yàn)方案

冰箱穩(wěn)定運(yùn)行后，每60小時(shí)進(jìn)行一次除霜，化霜前蒸發(fā)器預(yù)熱階段壓縮機(jī)停機(jī)，冷藏風(fēng)門打開，冷凍風(fēng)扇運(yùn)行3分鐘，化霜退出溫度設(shè)置2℃，滴水流程設(shè)置3分鐘，滴水流程結(jié)束風(fēng)扇啟動(dòng)，壓縮機(jī)延遲4分鐘啟動(dòng)，并按照穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

本文以單循環(huán)對(duì)開門BCD-540W為驗(yàn)證載體，載體改進(jìn)前、后化霜及恢復(fù)期耗電量增量對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示，數(shù)據(jù)描述的原狀態(tài)為驗(yàn)證載體批量生產(chǎn)未作任何技術(shù)更改的狀態(tài)，數(shù)據(jù)描述的優(yōu)化后狀態(tài)為本文2.1小節(jié)所述化霜加熱器結(jié)構(gòu)和化霜功率更改以及3.1小節(jié)所述的試驗(yàn)方案。通過(guò)一系列的優(yōu)化方案實(shí)施，按照耗電量計(jì)算方式，環(huán)境溫度32℃和16℃分別為173天和192天計(jì)算，BCD-540W化霜增量降低43.30%，標(biāo)準(zhǔn)耗電量降低6.40%。

表3 相同載體改進(jìn)前、后化霜及恢復(fù)期耗電量增量對(duì)比數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

綜上所述，本文對(duì)風(fēng)冷冰箱化霜及恢復(fù)期影響因素分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)研究風(fēng)冷冰箱除霜過(guò)程可知，影響化霜和恢復(fù)期耗電量增量因素包括箱體保溫能力、風(fēng)道保溫能力、化霜加熱器效率、蒸發(fā)器除霜效率、壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制、電動(dòng)風(fēng)門開關(guān)控制等；

（2）通過(guò)將化霜加熱器管路集中靠近蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高加熱器熱量利用率，根據(jù)試驗(yàn)可知，加熱器功率分別設(shè)置242 W和201 W，化霜增量分別降低8.94%和10.23%；

（3）本文從產(chǎn)品易實(shí)現(xiàn)、改動(dòng)小等角度出發(fā)，從化霜加熱器工作效率、化霜加熱器退出溫度、化霜及恢復(fù)期壓縮機(jī)、制冷風(fēng)機(jī)、電動(dòng)風(fēng)門等方面進(jìn)行控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)，由試驗(yàn)可知：化霜加熱器打開前蒸發(fā)器預(yù)熱時(shí)間3～4分鐘，可使蒸發(fā)器表面溫度提升至-15～-13℃，減少化霜加熱器工作時(shí)間；化霜退出溫度設(shè)置1～2℃，滴水時(shí)間設(shè)置在2～3分鐘，化霜恢復(fù)期壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置為化霜前穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使風(fēng)冷冰箱的化霜及恢復(fù)期耗電量增量降低43.30%，標(biāo)準(zhǔn)耗電量降低6.40%，為風(fēng)冷冰箱提供一種通用的節(jié)能手段。