干燥剂抑制冷冻冰柜内表面结霜的实验研究

孟微佳， 翁文兵， 王腾飞， 韩 星， 刘红冰

（上海理工大学 环境与建筑学院，上海 200093）

冰柜在长期使用的过程中，由于冰柜内温度低，而且水蒸气大多以液态形式存在，这些液态附着在冰柜内壁上，当温度达到零度以下时，就会在内壁上形成冰晶，引起内壁面结霜，随着时间的延长，霜的厚度会逐渐增加.霜的厚度增加，会影响其传热效率，从而导致冰柜制冷率、制冷速度下降，压缩机工作时间延长，耗电量增加.根据市场调查，一般的除霜方法是，切断冰柜电源，将冰柜停放数日，任霜自然融化.这种方法固然可以达到除霜的目的，但是，同时影响了冰柜的使用，而且除霜前冰柜内壁面已经积累相当厚度的霜，制冷效果也已长期受到影响.如何从冰柜使用之始，就能抑制霜的形成，减少结霜量，不仅对冰柜的实用性，而且对节能研究，都具有十分重要的意义.

冰柜内壁面霜层的形成主要是因为外界湿空气进入冰柜内部与冰柜内壁面接触，遇冷凝华而成.如果能够减少冰柜内部的含湿量，就可以相应地减少结霜量，本文以此为依据，研究各种吸湿能力强的干燥剂对冰柜结霜的影响.

国内方面，文献［1］研究了一种在冷风机上采用超声波技术除霜的方法，通过纵横波联合使用达到最优的除霜效果；文献［2］研究了扫频高压电流电场除霜技术，认为该技术比静电场技术除霜效率更高，但耗能增加.国外方面，Hayash等［3］用显微摄像的方法拍摄了霜的生长过程，将霜层的生长划分为霜晶生长期、霜层生长期和霜层充分生长期，影响霜层生长的主要因素有：冷表面的温度，空气的温度、湿度，以及空气的流速等；文献［4］发现通过超声波振动，在相同时间内，冷表面霜的沉积量减少了大约60%.

国内外尚无使用干燥剂抑制冷冻冰柜内表面结霜的研究.

1 理论原理

1.1 冰柜结霜原理与特性分析

冰柜在使用时内部温度可以达到－35℃，水蒸气靠近冰柜内表面时极易凝华成霜，之后霜层会慢慢生长.霜层的生长问题与许多因素有关，包括冷表面温度，空气的温度、湿度，以及空气的流速等.温度分布不均匀对一些要求较高的食品保存不利，会影响食品的品质，缩短保存期限［5］.霜层厚度一般随冰柜内表面温度的降低而增加，随空气湿度的增加而增加.而冰柜在正常使用时，内表面温度变化不大，所以，空气的湿度的增加就成了冰柜内表面霜层厚度增加的主要因素.

冰柜内湿度的增加主要由两个因素构成：a.放入冰柜内部的食物或其它物品挥发的水蒸气；b.当打开冰柜门时，外界温度较高的空气迅速涌入，带入大量湿空气.因此，冰柜使用时间越长，其内部含湿量越高，这样就对冰柜内霜层的生长创造了良好的条件，因此，只要能够减少冰柜内的含湿量，就能够达到抑制霜层生长的目的［6］.

1.2 干燥剂的吸湿原理与特性

干燥剂是一种可以从大气中吸收潮气的除水剂，它的干燥原理就是通过物理方式将水分子吸附在自身的结构中或通过化学方式吸收水分子并改变其化学结构，变成另外一种物质［7］.由于冰柜的使用涉及食品安全，所以，本文主要研究采用物理方式的吸附剂.物理吸附常用的干燥剂有硅胶、蒙脱石和分子筛.

如图1所示，干燥剂L3X 分子筛的吸附量在323K 时最多可达到25%，根据文献［8］，温度越低，干燥剂的吸附量越大.

2 实验研究

图1 干燥剂性能曲线Fig.1 Desiccant performance curve

实验以青岛海容型号SD－360的冷冻冰柜为研究对象，在内表面6个区域分别安装不锈钢丝网容器，对冰柜进行改造.放干燥剂的不锈钢丝网容器的安装是在冰柜门一段距离之下，且冰柜的高度为85cm，而容器的高度仅为5cm，占用面积不大，固定牢固，所以，不影响冰柜的使用.从冰柜俯视图的角度将冰柜划分为A，B，C，D，E，F 这6个区域，具体分布如图2 所示.由表1 可知，冰柜较高位置的A，F区域结霜量最大，C，D 区域的结霜量较少，高低过渡区域（B，E 区域）的结霜量适中，所以，设计干燥剂的布置方案时，采用半开门区域A，B，C的质量分布来计算需要的吸附剂的质量，然后采用F 区和A 区 质量 相 等，E 区 和B 区 质 量 相 等，D 区 和C区质量相等的原则进行布置.经过计算A（F）区，B（E）区和C（D）区的质量分数分别为21%，16%和13%.再根据干燥剂特性曲线计算各区域吸附剂质量，得到A（F）区域的吸附剂质量为3 300×21%＝693g，B（E）区域的吸附剂质量为3 300×16%＝528g，C（D）区域的吸附剂质量为3 300×13%＝429g.依次向容器内放入硅胶、蒙脱石和分子筛干燥剂，分析各种干燥剂在不同工况下的抑霜能力.研究实际生活中冰柜的使用情况，往往时间过长，需要几个月甚至半年的时间，为了有利于研究，缩短实验时间，尽可能模拟冰柜的实际使用情况，实验过程中通过将冰柜门半开一定时间来模拟实际生活中冰柜使用时需要打开门的情形.如表2所示，半开门50 min的含义为：假设冰柜在实际使用情况下，从冰柜里取物时所需要开启冰柜门的时间为0.5min，1h内可以取物10次，每天10h，那么，每天冰柜的门处于开启状态的时间累计为50 min，所以，100，250，500，750，1500min分别代表模拟冰柜在实际使用2，5，10，15，30d的情况.

2.1 无干燥剂的冰柜结霜实验

图2 冰柜区域划分Fig.2 Refrigerating cabinet area division

表1 冰柜6个区域一个月的结霜量Tab.1 Frost amountof refrigerating cabinet’s six areasinamonth

实验保证环境状态温度为27℃，相对湿度为70%，然后开启冰柜电源，冰柜门为全关闭状态.等4h后，室内环境稳定在设定的状态点上，冰柜运行也已稳定，此时半开冰柜门，直到实验结束.称量冰柜内壁面的结霜量，并通过电功率表记录冰柜在半开门期间的耗电量.依据实验工况重复进行实验.

2.2 有干燥剂的冰柜结霜实验

做有干燥剂实验时，先用电子天平称量足够质量的干燥剂并放入相应的容器内.容器有6个，与将要放置的冰柜区域的分区号一致，即容器的编号同样为A，B，C，D，E，F.将容器依据编号放置在所对应的区域，如图1所示.接着关闭冰柜门，先开启恒温恒湿机，再开启冰柜.冰柜运行4h稳定后，半开冰柜门，直到实验结束.称量冰柜内壁面的结霜量，测量半开门期间的冰柜耗电量.依据实验工况，依次完成硅胶、分子筛和蒙脱石的相应实验.实验结果如表2所示.

3 实验结果分析

3.1 抑霜能力分析

如图3所示，当冰柜内不放置任何干燥剂时，冰柜在半开门50min的时间内，结霜量为13.1g；在半开门1 500min的时间内，结霜量为913.2g.在半开门时间由短到长的过程中，结霜量呈上升趋势.当在冰柜内放入硅胶干燥剂时，半开门50min的时间内，冰柜结霜量为13.7g，与无干燥剂的冰柜结霜量基本相同；而在半开门1 500min时，冰柜结霜量为859g，低于无干燥剂的冰柜结霜量.在半开门时间由短到长的过程中，放入硅胶干燥剂的冰柜结霜量均低于无干燥剂的冰柜结霜量，说明硅胶干燥剂对冰柜内表面有抑霜能力.无干燥剂的冰柜在半开门100min时结霜量是38.2g，在冰柜内放入分子筛干燥剂，半开门100 min 时冰柜的结霜量为28.6g；无干燥剂的冰柜在半开门250 min时结霜量为104.7g，在冰柜内放入分子筛干燥剂，半开门250min时冰柜的结霜量为59.2g；无干燥剂的冰柜在半开门500min时结霜量为275.9g，在冰柜内放入分子筛干燥剂，半开门500 min时冰柜的结霜量为143.8g，所以，分子筛干燥剂对冰柜内表面结霜同样有抑制能力.

表2 不同情况下冰柜结霜量Tab.2 Frost amount of refrigerating cabinet in different conditions

蒙脱石干燥剂在不同的半开门时间内结霜量相对于无干燥剂的冰柜均有所减少，所以，蒙脱石干燥剂也有抑霜能力，如表3所示（见下页）.

图3 冰柜结霜量Fig.3 Frost amount of refrigerating cabinet

如图4所示（见下页），在半开门100min的时间内，放置硅胶、分子筛、蒙脱石的冰柜结霜量分别比无干燥剂的减少22.6，9.6，－2.5g；在半开门250min的时间内，放置硅胶、分子筛、蒙脱石的冰柜 结 霜 量 分 别 比 无 干 燥 剂 的 减 少74.5，45.4，54.8g；在半开门500min的时间内，放置硅胶、分子筛、蒙脱石的冰柜结霜量分别比无干燥剂的减少121.6，132.1，175.3g；在半开门750min的时间内，放置硅胶、分子筛、蒙脱石的冰柜结霜量分别比无干燥 剂 的 减 少86.4，102.8，89.8g；在 半 开 门1 500min的时间内，放置硅胶、分子筛、蒙脱石的冰柜结霜量分别比无干燥剂的减少54.2，89.8，124.0g.

表3 不同情况下冰柜抑霜量Tab.3 The defrosting amount of refrigerating cabinet in differentconditions

图4 冰柜抑霜量Fig.4 Defrosting amount of refrigerating cabinet

当冰柜半开门时间较短时，硅胶干燥剂抑霜能力较强，随着时间的延长，分子筛和蒙脱石的抑霜效果比硅胶好，其中，蒙脱石的抑霜能力增长最快.当半开门时间在500min时，硅胶干燥剂的除霜量达到最大值，能除去相当于无干燥剂情况下的44%的霜，随后开始降低，在半开门150min时抑霜能力最低，能够除去相当于无干燥剂情况下的6%.而分子筛和蒙脱石在半开门500min时分别能除掉无干燥剂情况下的48%和64%的霜.

3.2 能耗减少分析

如图5所示，冰柜在半开门50 min的时间内，无干燥剂时耗电量为0.546kW·h，放置有硅胶干燥剂时耗电量为0.128kW·h，耗电量比无干燥剂时减少了0.418kW·h；在冰柜半开门1 500 min时间内，无干燥剂时的耗电量为4.14kW·h，放置有硅胶干燥剂时耗电量为3.85kW·h，比无干燥剂时减少了0.29kW·h.在冰柜半开门50～1000 min的时间内，冰柜耗电量在各个工况下耗电量的减少量在0.418～0.29kW·h的范围内逐渐减少.在冰柜内放置分子筛和蒙脱石时，耗电量的减少量在冰柜半开门100，250，500 min 的工况下均在0.4kW·h左右，如表4所示，因此，可以判断短时间内使用干燥剂抑霜效果显著，长期使用对结霜的抑制效果并不明显，但能够减少一定能耗.

图5 冰柜耗电量Fig.5 Power consumption of refrigerating cabinet

表4 不同情况下冰柜耗电量Tab.4 Power consumption of refrigerating cabinet in different conditions （kW·h）

4 结 论

通过对冰柜结霜原理的分析，采用在冰柜内部放置干燥剂的方法对冰柜结霜进行抑制.实验过程维持在特定环境状态下，对比在冰柜内部放置干燥剂和不放置干燥剂两组实验结果，分析冰柜内表面结霜量的差异.最终得出硅胶、蒙脱石、分子筛这3种干燥剂对冰柜内表面结霜有抑制作用，抑霜效果略有不同.在冰柜使用半个月时间里，硅胶减少了44%的霜，分子筛减少了48%的霜，蒙脱石减少了68%的霜，能耗减少均在0.4kW·h左右.实验持续时间过长，干燥剂的吸湿能力会相对降低，对结霜的抑制能力也逐渐减弱，在冰柜使用一个月的时间里，硅胶减少了6%的霜，能耗减少了0.29kW·h，所以，干燥剂在短期内有一定的抑霜能力；长期使用虽然对冰柜结霜抑制效果不是最理想，但也起到了一定作用，对冰柜能够节约一定的能耗，解决了冰柜在长期使用中因结霜影响其传热效率，导致冰柜制冷率下降、制冷速度下降的问题.

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