风冷冰箱换热器布局与间室关系的探究

李清松 刘全义 陈开松

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

风冷冰箱由于具有自动除霜等优点，得到了快速发展和普及。随着风冷冰箱翅片蒸发器表面霜层逐步增加，蒸发器热阻逐步增大，换热效率逐步降低[1]，因此风冷冰箱需要周期性自动除霜。通常风冷冰箱主要采用电加热方式对蒸发器表面进行除霜，如常规的后背式蒸发器风冷冰箱，有文献研究得出，除霜加热器热量仅有（15～20）% 被有效利用，剩余的热量被结构部件、制冷剂和间室内冷空气吸收[2]，因此风冷冰箱冷冻间室化霜温升冲击大，严重降低食材保鲜。

随着科技进步和技术实现方案差异化，风冷冰箱翅片蒸发器布局方式由传统的后背式逐步发展为以后背式蒸发器为主，顶置式蒸发器和底置式蒸发器共存的局面，根据产品特点，选择更适合的布局方式。但是无论哪种蒸发器布局方式，其除霜过程都会对冷冻室温度冲击。本文从化霜过程冷冻室温升角度分析和验证后背式、顶置式和底置式蒸发器布局方式与冷冻间室温升的关系。

1 风冷冰箱化霜阶段冷冻间室温度冲击主要影响因素

冰箱理想的温度如冷藏室维持4 ℃，冷冻室维持恒温-18 ℃，温度无波动，理论上保鲜效果最好。参见图1所示，实际上冰箱压缩机周期性开停，各间室温度在一定可控范围内波动，尤其风冷冰箱在除霜阶段冷冻室温度冲击最大，较大的温度波动直接导致肉类食品营养流失多，缩短保鲜周期[3]。

图1 普通风冷冰箱冷藏/冷冻间室温度波动和冲击

影响风冷冰箱除霜阶段冷冻室温度冲击因素很多，包括箱体发泡层的保温、门封条的密封、冰箱的控制逻辑和蒸发器除霜系统等，其中蒸发器除霜系统即蒸发器、风道和加热器布局方式对冷冻间室温度波动影响最大。

2 风冷冰箱不同蒸发器布局方式对冷冻间室温度冲击影响

2.1 风冷冰箱不同蒸发器布局方式

根据蒸发器不同的放置位置，常见的布局方式可分为后置式、顶置式以及底置式。参见图3所示，后置式为蒸发器和制冷风扇设置在冷冻间室后背，且制冷风扇设置在蒸发器上部。参见图2所示，顶置式为蒸发器和制冷风扇设置在冷冻间室顶部，制冷风扇设置在蒸发器后端，底置式为蒸发器和制冷风扇设置在冷冻间室底部，制冷风扇设置在蒸发器后端。

图3 后置式蒸发器模块示意图

目前行业内应用最广泛、最成熟为后置式蒸发器布局方式，为降低化霜温度冲击，分别设计了风机遮蔽和顶置蓄冷模块。参见图3所示，后置式蒸发器设置风机遮蔽功能，化霜阶段风机出风口关闭，切断蒸发器室内热空气进入冷冻室内，减少冷冻室温升；后置式蒸发器设置顶置蓄冷模块，化霜阶段利用蓄冷剂相变吸热，冷却来自蒸发器室内的热空气，减少冷冻室温升。

2.2 CFD仿真计算不同蒸发器布局方式化霜期间温度分布

针对不同的蒸发器布局方式，利用CFD仿真工具，分析化霜过程对间室温度影响。

仿真初始条件：蒸发器与发泡保温层、风道之间为绝热设置，蒸发器表面设置无霜工况。

根据CFD仿真结果，参见图4所示：

图4 蒸发器不同布局方式化霜阶段温度分布云图

后置式随着加热器持续工作，蒸发器测温度逐步上升，蒸发器室内热空气因自然对流由风扇和风道持续进入箱内，间室温升大。

后置风机遮蔽式，因风扇设计遮蔽功能，化霜过程制冷风扇通道关闭，阻止蒸发器室内热空气与风道和间室内空气对流，会有少量热空气通过冷冻回风口进入箱内，间室温升有一定影响，改善效果明显。

顶置式铝管加热器分布均匀，加热利用效率高，蒸发器室内温度分布均匀，温差较小，少量热空气通过冷冻回风口进入箱内，间室温升有一定影响。

底置式与顶置式类似，由于送风风道行程长，风口与蒸发器距离较远，少量热空气主要通过冷冻回风口进入箱内，间室温升有一定影响。

3 试验验证

3.1 试验条件

1）环温条件：环境温度32 ℃，相对湿度50 % RH。

2）冰箱放置：冰箱按GB/T 8059-2016要求放置在试验台上，冰箱的搁架、抽屉等按照正常使用状态放置，冰箱后背间隙50 mm。

3）布置热电偶：按照GB/T 8059-2016耗电量测试要求。

4）温度设置：按照冰箱出厂状态设置各间室温度。

3.2 试验结果

参见表1，后置式化霜后冷冻室第一层最高瞬时温度达到0 ℃以上，化霜温升高达20 ℃，温度冲击最大。后置风机遮蔽式化霜后冷冻室第一层最高瞬时温度可实现0 ℃以下，改善效果不明显。后置蓄冷模块式、顶置式和底置式化霜温升改善效果较为明显，化霜后冷冻室第一层最高瞬时温度基本控制-6 ℃以下，温区完全覆盖（-1～-5）℃最大冰晶体生成带温区，避免食物中水分发生重结晶，食物品质保鲜效果更好。

表1 不同蒸发器布局方式化霜后冷冻间室温度表现

3.3 仿真与测试结果分析

根据以上CFD仿真计算和试验验证对比结果，后置式、后置蓄冷模块式、顶置式和底置式CFD仿真结果与测试结果趋势比较一致，仿真结果具有参考意义。后置风机遮蔽式仿真与测试结果差异较大，分析原因为CFD仿真的模型是按照风机完全遮蔽状态处理，切断热空气对流途径，但是在实际使用时遮蔽装置可能存在装配间隙或装配不到位等因素，未达到预期效果。

3.4 冷冻室温度冲击对食材保鲜的试验验证

依据上述测试数据，不同的蒸发器布局方式均为冷冻第一层抽屉内温升最高，冲击最大。基于化霜过程冷冻室温度分布特性，冷冻室温度按照-18 ℃，分别以化霜温升14 ℃和化霜温升20 ℃两种状态每天进行一次温度冲击，完成三文鱼三个月的保鲜对比试验。参见图5所示，根据保鲜对比试验结果，化霜温升20 ℃试验状态三文鱼保鲜期缩短20 %左右，三文鱼相同保鲜期内营养保存率减少15 %左右。

4 结论

1）作为应用最广泛、最成熟的后置式蒸发器，冷冻间室化霜温升冲击最大，间室瞬时温度达到0 ℃以上，食材反复冻融，降低保鲜效果。

2）后置风机遮蔽式实际应用对化霜温升改善效果不明显，需进一步改进优化，以达到预期效果；

3）后置蓄冷模块式、顶置式以及底置式化霜后冷冻室最高温度处于-6 ℃以下，完全避开食材冰晶生成带，大幅度降低化霜温度冲击对食材保鲜不利影响；

4）化霜温升冲击越小，食材保鲜效果越好。

如何减少风冷冰箱化霜温度冲击，不断降低化霜温度冲击对食材保鲜效果影响，是广大技术人员持续研究和攻克方向。