基于冰表面被動(dòng)防霜的半導(dǎo)體冰箱性能研究

陸雪妃 張麗娜* 熊良濤 蒲宇航 喬睿鑫

（寧波工程學(xué)院 建筑與交通工程學(xué)院，浙江 寧波 315016）

1 概述

結(jié)霜問(wèn)題已成為影響現(xiàn)有制冷空調(diào)系統(tǒng)換熱性能的重要因素。當(dāng)濕空氣與低于空氣露點(diǎn)溫度的冷表面接觸時(shí)，空氣中的水蒸氣凝結(jié)于冷面上，進(jìn)而形成霜層，霜層阻礙氣流流通，影響換熱器的換熱性能，從而降低制冷效率[1]。結(jié)霜現(xiàn)象在許多領(lǐng)域如航空航天、低溫、制冷及熱泵系統(tǒng)等非常普遍[2]。尤其當(dāng)蒸發(fā)器翅片的溫度低于0℃，環(huán)境相對(duì)濕度大于60%時(shí)，更增大了翅片表面發(fā)生結(jié)霜的可能性[3]。結(jié)霜問(wèn)題不僅會(huì)增加冰表面的換熱熱阻，降低傳熱效率，還會(huì)堵塞空氣側(cè)通道，導(dǎo)致機(jī)器無(wú)法正常運(yùn)行[4，5]。近年來(lái)許多研究人員致力于研究有效且節(jié)能的抑霜方式，迄今為止，經(jīng)研究可采用的傳統(tǒng)除霜方法仍存在不足：電加熱方法雖具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、除霜完全的特點(diǎn)，但存在耗電多，對(duì)環(huán)境不友好的弊端；水或鹽水除霜是一種通過(guò)泵將水或鹽水直接噴灑在冷風(fēng)機(jī)表面的除霜方法，雖然除霜時(shí)間短、設(shè)備的初投資成本低，但如果排水不及時(shí)則易形成二次結(jié)霜[6]；即使是目前應(yīng)用最廣泛的逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜方法也因除霜能量來(lái)源的局限和除霜時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[7]，很難達(dá)到理想的除霜效果。因此，研究冰表面結(jié)霜機(jī)理，探索高效抑霜技術(shù)對(duì)提高制冷系統(tǒng)的換熱性能具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)更好的除霜效果，抑制霜層的產(chǎn)生與生長(zhǎng)是從本質(zhì)上解決問(wèn)題的關(guān)鍵[8]。文本提出了一種基于冰表面被動(dòng)防霜的半導(dǎo)體冰箱，采用微槽肋片來(lái)抑制霜層生長(zhǎng)，達(dá)到抑霜控霜的目的，為尋求制冷空調(diào)系統(tǒng)的新型除霜方式提供了借鑒與解決方案。

2 系統(tǒng)工作原理

半導(dǎo)體冰箱原理圖如圖1所示。此冰箱主要由微槽肋片、半導(dǎo)體片及熱水循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，半導(dǎo)體冰箱利用微槽肋片進(jìn)行系統(tǒng)的抑霜，以達(dá)到除霜的效果。半導(dǎo)體冷端產(chǎn)生的冷量通過(guò)帶有微槽的肋片導(dǎo)入冰箱內(nèi)部區(qū)域供冷。當(dāng)區(qū)域內(nèi)溫度低于0℃時(shí)，微槽中的水首先結(jié)冰，之后肋片表面將結(jié)霜。由于微槽中冰表面比空氣中的水蒸汽分壓力小，使得霜優(yōu)先在微槽冰表面及其附近產(chǎn)生霜并生長(zhǎng)，減弱了肋片其他表面大面積結(jié)霜的現(xiàn)象。同時(shí)，在系統(tǒng)抑霜過(guò)程中，半導(dǎo)體熱端產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱水循環(huán)系統(tǒng)排出。

圖1 半導(dǎo)體冰箱原理圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 肋片抑霜能力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了使用不同規(guī)格的微槽肋片時(shí)冰箱的除霜量。利用溫濕度傳感器獲取冰箱內(nèi)部溫度，并采用運(yùn)動(dòng)相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肋片狀態(tài)，同時(shí)，考慮到微槽中會(huì)有少許水分蒸發(fā)到空氣中，因此，以微槽結(jié)冰后與結(jié)霜后的肋片質(zhì)量差值作為結(jié)霜質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，霜層絕大多數(shù)分布于微槽上方，側(cè)壁格基本不出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。表1為不同規(guī)格微槽肋片結(jié)霜量，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，采用肋片間距為4mm的微槽肋片結(jié)霜效果最好，且微槽深度超過(guò)一定值時(shí)對(duì)于結(jié)霜量沒有明顯影響。

表1 肋片抑霜霜量

3.2 不同肋片形式下半導(dǎo)體冰箱COP及效率對(duì)比

半導(dǎo)體冰箱單位時(shí)間制冷量由半導(dǎo)體耗電量與冷端吸熱獲得的熱量共同組成，半導(dǎo)體熱端采用水冷散熱的方式，測(cè)得熱端工作12分鐘水升溫，獲得其總功率，又通過(guò)多用電表測(cè)得半導(dǎo)體工作相同時(shí)間時(shí)兩端的電壓與電流，得到其電功率。冷端功率為總功率與電功率的差值，得到冷端功率后與總功率比較，計(jì)算得出COP（工作過(guò)程中，肋片處存在結(jié)霜現(xiàn)象）。

3.2.1 半導(dǎo)體冰箱COP的計(jì)算：冷端功率與總功率比較，冷端功率即為總功率與電功率的差值。

3.2.2 單位時(shí)間的制冷量計(jì)算：?jiǎn)挝粫r(shí)間冷端制冷量為熱端總熱量與電熱量的差值。

式中：

Q總、Q電、Q冷——每分鐘熱端總熱量、每分鐘半導(dǎo)體電熱量、每分鐘冷端制冷量。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，可以得到COP提升率計(jì)算表，如表2所示，冰箱系統(tǒng)工作時(shí)COP比較圖，如圖2所示，并通過(guò)對(duì)比分析可觀察出不同類型肋片的COP提升率的大小。

圖2 冰箱系統(tǒng)工作時(shí)COP比較圖

表2 COP提升率計(jì)算表

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根據(jù)表2數(shù)據(jù)，對(duì)這四種不同型號(hào)的肋片進(jìn)行制冷率和COP提升率的大小的比對(duì)，可以得出相同型號(hào)的微槽肋片加水時(shí)的制冷效率比不加水時(shí)要高，且在3cm高的加水微槽肋片換熱提效率最高的結(jié)論。

由圖2可知，加水微槽肋片的COP值明顯高于同類型不加水的微槽肋片，且加水微槽的COP值隨著微槽肋片尺寸的增大的增大，由此可得出5cm加水肋片的COP有最高值的結(jié)論。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)肋片抑霜能力實(shí)驗(yàn)及半導(dǎo)體冰箱單位時(shí)間制冷量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到肋片微槽加水總是比不加水的COP高，而5cm加水肋片的COP值最高，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，肋片總是微槽上方先開始結(jié)霜，肋片側(cè)壁和下方總是保持相對(duì)干燥。

由于霜層總是往微槽附近生長(zhǎng)，肋片內(nèi)壁的散熱效率得到提高，于是半導(dǎo)體冰箱制冷效率也提高了。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差，還要保證半導(dǎo)體熱端的散熱。

5 結(jié)論

基于冰表面被動(dòng)防霜的半導(dǎo)體冰箱系統(tǒng)利用肋片微槽能實(shí)現(xiàn)很好的防霜效果，在運(yùn)行過(guò)程中，采用水作為吸霜原料，成本低，環(huán)境友好性高，且肋片上設(shè)置微槽的方法小巧便攜，可運(yùn)用于多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行防霜。本實(shí)驗(yàn)這不僅給解決結(jié)霜現(xiàn)象提供了思路，同時(shí)，為現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)除霜提供了解決思路和理論基礎(chǔ)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)意義。