風冷冰箱換熱器布局與間室關系的探究

李清松 劉全義 陳開松

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

風冷冰箱由于具有自動除霜等優(yōu)點，得到了快速發(fā)展和普及。隨著風冷冰箱翅片蒸發(fā)器表面霜層逐步增加，蒸發(fā)器熱阻逐步增大，換熱效率逐步降低[1]，因此風冷冰箱需要周期性自動除霜。通常風冷冰箱主要采用電加熱方式對蒸發(fā)器表面進行除霜，如常規(guī)的后背式蒸發(fā)器風冷冰箱，有文獻研究得出，除霜加熱器熱量僅有（15～20）% 被有效利用，剩余的熱量被結構部件、制冷劑和間室內冷空氣吸收[2]，因此風冷冰箱冷凍間室化霜溫升沖擊大，嚴重降低食材保鮮。

隨著科技進步和技術實現(xiàn)方案差異化，風冷冰箱翅片蒸發(fā)器布局方式由傳統(tǒng)的后背式逐步發(fā)展為以后背式蒸發(fā)器為主，頂置式蒸發(fā)器和底置式蒸發(fā)器共存的局面，根據產品特點，選擇更適合的布局方式。但是無論哪種蒸發(fā)器布局方式，其除霜過程都會對冷凍室溫度沖擊。本文從化霜過程冷凍室溫升角度分析和驗證后背式、頂置式和底置式蒸發(fā)器布局方式與冷凍間室溫升的關系。

1 風冷冰箱化霜階段冷凍間室溫度沖擊主要影響因素

冰箱理想的溫度如冷藏室維持4 ℃，冷凍室維持恒溫-18 ℃，溫度無波動，理論上保鮮效果最好。參見圖1所示，實際上冰箱壓縮機周期性開停，各間室溫度在一定可控范圍內波動，尤其風冷冰箱在除霜階段冷凍室溫度沖擊最大，較大的溫度波動直接導致肉類食品營養(yǎng)流失多，縮短保鮮周期[3]。

圖1 普通風冷冰箱冷藏/冷凍間室溫度波動和沖擊

影響風冷冰箱除霜階段冷凍室溫度沖擊因素很多，包括箱體發(fā)泡層的保溫、門封條的密封、冰箱的控制邏輯和蒸發(fā)器除霜系統(tǒng)等，其中蒸發(fā)器除霜系統(tǒng)即蒸發(fā)器、風道和加熱器布局方式對冷凍間室溫度波動影響最大。

2 風冷冰箱不同蒸發(fā)器布局方式對冷凍間室溫度沖擊影響

2.1 風冷冰箱不同蒸發(fā)器布局方式

根據蒸發(fā)器不同的放置位置，常見的布局方式可分為后置式、頂置式以及底置式。參見圖3所示，后置式為蒸發(fā)器和制冷風扇設置在冷凍間室后背，且制冷風扇設置在蒸發(fā)器上部。參見圖2所示，頂置式為蒸發(fā)器和制冷風扇設置在冷凍間室頂部，制冷風扇設置在蒸發(fā)器后端，底置式為蒸發(fā)器和制冷風扇設置在冷凍間室底部，制冷風扇設置在蒸發(fā)器后端。

圖3 后置式蒸發(fā)器模塊示意圖

目前行業(yè)內應用最廣泛、最成熟為后置式蒸發(fā)器布局方式，為降低化霜溫度沖擊，分別設計了風機遮蔽和頂置蓄冷模塊。參見圖3所示，后置式蒸發(fā)器設置風機遮蔽功能，化霜階段風機出風口關閉，切斷蒸發(fā)器室內熱空氣進入冷凍室內，減少冷凍室溫升；后置式蒸發(fā)器設置頂置蓄冷模塊，化霜階段利用蓄冷劑相變吸熱，冷卻來自蒸發(fā)器室內的熱空氣，減少冷凍室溫升。

2.2 CFD仿真計算不同蒸發(fā)器布局方式化霜期間溫度分布

針對不同的蒸發(fā)器布局方式，利用CFD仿真工具，分析化霜過程對間室溫度影響。

仿真初始條件：蒸發(fā)器與發(fā)泡保溫層、風道之間為絕熱設置，蒸發(fā)器表面設置無霜工況。

根據CFD仿真結果，參見圖4所示：

圖4 蒸發(fā)器不同布局方式化霜階段溫度分布云圖

后置式隨著加熱器持續(xù)工作，蒸發(fā)器測溫度逐步上升，蒸發(fā)器室內熱空氣因自然對流由風扇和風道持續(xù)進入箱內，間室溫升大。

后置風機遮蔽式，因風扇設計遮蔽功能，化霜過程制冷風扇通道關閉，阻止蒸發(fā)器室內熱空氣與風道和間室內空氣對流，會有少量熱空氣通過冷凍回風口進入箱內，間室溫升有一定影響，改善效果明顯。

頂置式鋁管加熱器分布均勻，加熱利用效率高，蒸發(fā)器室內溫度分布均勻，溫差較小，少量熱空氣通過冷凍回風口進入箱內，間室溫升有一定影響。

底置式與頂置式類似，由于送風風道行程長，風口與蒸發(fā)器距離較遠，少量熱空氣主要通過冷凍回風口進入箱內，間室溫升有一定影響。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

1）環(huán)溫條件：環(huán)境溫度32 ℃，相對濕度50 % RH。

2）冰箱放置：冰箱按GB/T 8059-2016要求放置在試驗臺上，冰箱的擱架、抽屜等按照正常使用狀態(tài)放置，冰箱后背間隙50 mm。

3）布置熱電偶：按照GB/T 8059-2016耗電量測試要求。

4）溫度設置：按照冰箱出廠狀態(tài)設置各間室溫度。

3.2 試驗結果

參見表1，后置式化霜后冷凍室第一層最高瞬時溫度達到0 ℃以上，化霜溫升高達20 ℃，溫度沖擊最大。后置風機遮蔽式化霜后冷凍室第一層最高瞬時溫度可實現(xiàn)0 ℃以下，改善效果不明顯。后置蓄冷模塊式、頂置式和底置式化霜溫升改善效果較為明顯，化霜后冷凍室第一層最高瞬時溫度基本控制-6 ℃以下，溫區(qū)完全覆蓋（-1～-5）℃最大冰晶體生成帶溫區(qū)，避免食物中水分發(fā)生重結晶，食物品質保鮮效果更好。

表1 不同蒸發(fā)器布局方式化霜后冷凍間室溫度表現(xiàn)

3.3 仿真與測試結果分析

根據以上CFD仿真計算和試驗驗證對比結果，后置式、后置蓄冷模塊式、頂置式和底置式CFD仿真結果與測試結果趨勢比較一致，仿真結果具有參考意義。后置風機遮蔽式仿真與測試結果差異較大，分析原因為CFD仿真的模型是按照風機完全遮蔽狀態(tài)處理，切斷熱空氣對流途徑，但是在實際使用時遮蔽裝置可能存在裝配間隙或裝配不到位等因素，未達到預期效果。

3.4 冷凍室溫度沖擊對食材保鮮的試驗驗證

依據上述測試數(shù)據，不同的蒸發(fā)器布局方式均為冷凍第一層抽屜內溫升最高，沖擊最大。基于化霜過程冷凍室溫度分布特性，冷凍室溫度按照-18 ℃，分別以化霜溫升14 ℃和化霜溫升20 ℃兩種狀態(tài)每天進行一次溫度沖擊，完成三文魚三個月的保鮮對比試驗。參見圖5所示，根據保鮮對比試驗結果，化霜溫升20 ℃試驗狀態(tài)三文魚保鮮期縮短20 %左右，三文魚相同保鮮期內營養(yǎng)保存率減少15 %左右。

4 結論

1）作為應用最廣泛、最成熟的后置式蒸發(fā)器，冷凍間室化霜溫升沖擊最大，間室瞬時溫度達到0 ℃以上，食材反復凍融，降低保鮮效果。

2）后置風機遮蔽式實際應用對化霜溫升改善效果不明顯，需進一步改進優(yōu)化，以達到預期效果；

3）后置蓄冷模塊式、頂置式以及底置式化霜后冷凍室最高溫度處于-6 ℃以下，完全避開食材冰晶生成帶，大幅度降低化霜溫度沖擊對食材保鮮不利影響；

4）化霜溫升沖擊越小，食材保鮮效果越好。

如何減少風冷冰箱化霜溫度沖擊，不斷降低化霜溫度沖擊對食材保鮮效果影響，是廣大技術人員持續(xù)研究和攻克方向。