无霜冰箱钢管加热器的表面温度仿真

刘东

（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070）

钢管加热器因其工艺性和成本优势，被广泛的用作无霜冰箱的化霜加热器。因冰箱上制冷剂有燃爆危险，IEC 60335-2-24 规定其内部最高温度不得超过给出的限定值。对于R600a制冷剂，2017 版IEC 60335-2-24 规定其限定值为360℃[1]。目前冰箱化霜加热器设计过程中，通常是选定功率后通过干烧实验不断调整其功率值和加热器结构，使加热器表面最高温度在不超IEC 标准要求的前提下实现低成本结构。为了提高设计效率和可靠性，本文从借助于MATLAB 软件实现干烧状态下钢管加热器的表面温度模拟。

1 钢管加热器表面温度模型

钢管加热器工作时通过传导、对流、辐射三种方式向外界释放热量。考虑到冰箱化霜系统中，钢管加热器通过金属支架悬挂在蒸发器下部，同时其管径一般在8 mm 以下，故可以忽略传导和对流传热。根据辐射定律，钢管加热器向外释放热量的功率可表示为[2]：

式（1）中，S—钢管加热器表面积；ε—发射系数；C—黑体辐射系数，取5.67 W/(m²•K)；To—钢管加热器表面温度；Tw—外部温度。

钢管加热器的内部结构如图1 所示，因钢管直径很小，发热时可以近似认为整个管子的内部不存在温度差。根据钢管材料的性质，任意时刻钢管加热器表面温度表示为：

图1 钢管加热器内部结构

式（2）中，Pi—输入功率；c1—镁粉比热；c2—铁比热；m1—镁粉质量；m2—铁质量；Tc—初始温度；t—发热时间。

用式（2）进行计算时需要采用迭代运算。

2 干烧实验下钢管加热器表面温度

2.1 外部温度计算方法

典型的无霜冰箱化霜系统如图2 所示，包含蒸发器、温度熔断器、化霜加热器、化霜传感器。考虑到风道同蒸发器四周近乎密封状态，故化霜系统所在的区域可近似认为处于密封空间，即与外部空气不连通。对于家用冰箱，此密封空间体积较小，为计算方便，干烧过程中假定整个空间的温度是均匀的。在任意时刻此空间的温度可表示为：

图2 冰箱化霜系统

式（3）中，P1—冰箱向外部散热功率；c3—化霜空间四周保温材料比热；c4—蒸发器材质比热；m3—保温材料质量；m4—蒸发器质量。

因实验过程中无强制对流，P1可以按热传导计算。

2.2 仿真及实验结果

以某型号冰箱为例，化霜系统参数如表1 所示。

表1 化霜系统参数

考虑到钢管加热器因其结构和制作工艺问题，工作时表面温度并不均匀，去除形状的影响，局部温差可达15℃。为了准确的测量出钢管加热器表面最高温度，首先去除风道组件，让加热器在非密闭环境下干烧5 min，然后使用红外扫描仪确定加热器发热最大点若干。实验时，去除回风口附近的点，选择位于钢管加热器中部的3 个点进行测试。

在环境温度为32℃的情况下，以1.1 倍额定电压实施干烧测试。借助MATLAB 软件，利用公式（2）编制脚本程序进行计算，仿真和实际测量结果如表2 所示。仿真最高温度为352.61℃，实际测试最高温度为359.4℃。

表2 实验结果和仿真结果对比

选择温度最高的测量点数据和仿真数据进行对比，绘制的温度曲线图如图3 所示。

图3 钢管加热器表面温度仿真和实验结果对比

2.3 仿真结果分析

（1）实验三个点的最大温度分别为353 ℃、352 ℃、359.4℃、，平均值为354.8℃。因仿真时假定钢管表面温度是均匀的，这一点与实际状态有差异，导致就单点温度来看同实验结果有偏差，但仿真结果与三个点的温度均值十分符合。

（2）本案例中，虽然熔断器的动作温度为77℃，但是实际动作时空气温度为54℃附近。这是因为，熔断器通常绑定在蒸发器上且十分靠近加热器，它感知的温度远高于空气温度。由于仿真时假定温度是均匀的，故本案例的仿真截止时间以空气温度到达55℃为标的。

（3）在260℃附近，仿真结果与实验结果出现了30 k 左右的偏差。这是由于钢管的发射率是一个同温度相关的参数，通常随着温度增加而增加[3]。由于目前没有准确的发射率和温度相关数据，仿真时采用了高温时的发射率，导致同实验结果出现偏差。

3 结论

通过实验结果和仿真结果对比，可以看出在高温情况下，仿真结果同实际情况差别很小。但当钢管加热器温度常温至340℃附近，由于钢管表面的发射率发生较大的变化，导致仿真结果与实际产生较大的偏离。这从另一个角度揭示了现用的钢管加热器表面发射率在300℃附近较高，可以将加热器的工作温度设定在此范围内，从而达到较高的化霜效率。