干燥劑抑制冷凍冰柜內(nèi)表面結(jié)霜的實(shí)驗(yàn)研究

孟微佳， 翁文兵， 王騰飛， 韓 星， 劉紅冰

（上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

冰柜在長期使用的過程中，由于冰柜內(nèi)溫度低，而且水蒸氣大多以液態(tài)形式存在，這些液態(tài)附著在冰柜內(nèi)壁上，當(dāng)溫度達(dá)到零度以下時，就會在內(nèi)壁上形成冰晶，引起內(nèi)壁面結(jié)霜，隨著時間的延長，霜的厚度會逐漸增加.霜的厚度增加，會影響其傳熱效率，從而導(dǎo)致冰柜制冷率、制冷速度下降，壓縮機(jī)工作時間延長，耗電量增加.根據(jù)市場調(diào)查，一般的除霜方法是，切斷冰柜電源，將冰柜停放數(shù)日，任霜自然融化.這種方法固然可以達(dá)到除霜的目的，但是，同時影響了冰柜的使用，而且除霜前冰柜內(nèi)壁面已經(jīng)積累相當(dāng)厚度的霜，制冷效果也已長期受到影響.如何從冰柜使用之始，就能抑制霜的形成，減少結(jié)霜量，不僅對冰柜的實(shí)用性，而且對節(jié)能研究，都具有十分重要的意義.

冰柜內(nèi)壁面霜層的形成主要是因?yàn)橥饨鐫窨諝膺M(jìn)入冰柜內(nèi)部與冰柜內(nèi)壁面接觸，遇冷凝華而成.如果能夠減少冰柜內(nèi)部的含濕量，就可以相應(yīng)地減少結(jié)霜量，本文以此為依據(jù)，研究各種吸濕能力強(qiáng)的干燥劑對冰柜結(jié)霜的影響.

國內(nèi)方面，文獻(xiàn)［1］研究了一種在冷風(fēng)機(jī)上采用超聲波技術(shù)除霜的方法，通過縱橫波聯(lián)合使用達(dá)到最優(yōu)的除霜效果；文獻(xiàn)［2］研究了掃頻高壓電流電場除霜技術(shù)，認(rèn)為該技術(shù)比靜電場技術(shù)除霜效率更高，但耗能增加.國外方面，Hayash等［3］用顯微攝像的方法拍攝了霜的生長過程，將霜層的生長劃分為霜晶生長期、霜層生長期和霜層充分生長期，影響霜層生長的主要因素有：冷表面的溫度，空氣的溫度、濕度，以及空氣的流速等；文獻(xiàn)［4］發(fā)現(xiàn)通過超聲波振動，在相同時間內(nèi)，冷表面霜的沉積量減少了大約60%.

國內(nèi)外尚無使用干燥劑抑制冷凍冰柜內(nèi)表面結(jié)霜的研究.

1 理論原理

1.1 冰柜結(jié)霜原理與特性分析

冰柜在使用時內(nèi)部溫度可以達(dá)到－35℃，水蒸氣靠近冰柜內(nèi)表面時極易凝華成霜，之后霜層會慢慢生長.霜層的生長問題與許多因素有關(guān)，包括冷表面溫度，空氣的溫度、濕度，以及空氣的流速等.溫度分布不均勻?qū)σ恍┮筝^高的食品保存不利，會影響食品的品質(zhì)，縮短保存期限［5］.霜層厚度一般隨冰柜內(nèi)表面溫度的降低而增加，隨空氣濕度的增加而增加.而冰柜在正常使用時，內(nèi)表面溫度變化不大，所以，空氣的濕度的增加就成了冰柜內(nèi)表面霜層厚度增加的主要因素.

冰柜內(nèi)濕度的增加主要由兩個因素構(gòu)成：a.放入冰柜內(nèi)部的食物或其它物品揮發(fā)的水蒸氣；b.當(dāng)打開冰柜門時，外界溫度較高的空氣迅速涌入，帶入大量濕空氣.因此，冰柜使用時間越長，其內(nèi)部含濕量越高，這樣就對冰柜內(nèi)霜層的生長創(chuàng)造了良好的條件，因此，只要能夠減少冰柜內(nèi)的含濕量，就能夠達(dá)到抑制霜層生長的目的［6］.

1.2 干燥劑的吸濕原理與特性

干燥劑是一種可以從大氣中吸收潮氣的除水劑，它的干燥原理就是通過物理方式將水分子吸附在自身的結(jié)構(gòu)中或通過化學(xué)方式吸收水分子并改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)，變成另外一種物質(zhì)［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劑.物理吸附常用的干燥劑有硅膠、蒙脫石和分子篩.

如圖1所示，干燥劑L3X 分子篩的吸附量在323K 時最多可達(dá)到25%，根據(jù)文獻(xiàn)［8］，溫度越低，干燥劑的吸附量越大.

2 實(shí)驗(yàn)研究

圖1 干燥劑性能曲線Fig.1 Desiccant performance curve

實(shí)驗(yàn)以青島海容型號SD－360的冷凍冰柜為研究對象，在內(nèi)表面6個區(qū)域分別安裝不銹鋼絲網(wǎng)容器，對冰柜進(jìn)行改造.放干燥劑的不銹鋼絲網(wǎng)容器的安裝是在冰柜門一段距離之下，且冰柜的高度為85cm，而容器的高度僅為5cm，占用面積不大，固定牢固，所以，不影響冰柜的使用.從冰柜俯視圖的角度將冰柜劃分為A，B，C，D，E，F(xiàn) 這6個區(qū)域，具體分布如圖2 所示.由表1 可知，冰柜較高位置的A，F(xiàn)區(qū)域結(jié)霜量最大，C，D 區(qū)域的結(jié)霜量較少，高低過渡區(qū)域（B，E 區(qū)域）的結(jié)霜量適中，所以，設(shè)計(jì)干燥劑的布置方案時，采用半開門區(qū)域A，B，C的質(zhì)量分布來計(jì)算需要的吸附劑的質(zhì)量，然后采用F 區(qū)和A 區(qū) 質(zhì)量 相 等，E 區(qū) 和B 區(qū) 質(zhì) 量 相 等，D 區(qū) 和C區(qū)質(zhì)量相等的原則進(jìn)行布置.經(jīng)過計(jì)算A（F）區(qū)，B（E）區(qū)和C（D）區(qū)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為21%，16%和13%.再根據(jù)干燥劑特性曲線計(jì)算各區(qū)域吸附劑質(zhì)量，得到A（F）區(qū)域的吸附劑質(zhì)量為3 300×21%＝693g，B（E）區(qū)域的吸附劑質(zhì)量為3 300×16%＝528g，C（D）區(qū)域的吸附劑質(zhì)量為3 300×13%＝429g.依次向容器內(nèi)放入硅膠、蒙脫石和分子篩干燥劑，分析各種干燥劑在不同工況下的抑霜能力.研究實(shí)際生活中冰柜的使用情況，往往時間過長，需要幾個月甚至半年的時間，為了有利于研究，縮短實(shí)驗(yàn)時間，盡可能模擬冰柜的實(shí)際使用情況，實(shí)驗(yàn)過程中通過將冰柜門半開一定時間來模擬實(shí)際生活中冰柜使用時需要打開門的情形.如表2所示，半開門50 min的含義為：假設(shè)冰柜在實(shí)際使用情況下，從冰柜里取物時所需要開啟冰柜門的時間為0.5min，1h內(nèi)可以取物10次，每天10h，那么，每天冰柜的門處于開啟狀態(tài)的時間累計(jì)為50 min，所以，100，250，500，750，1500min分別代表模擬冰柜在實(shí)際使用2，5，10，15，30d的情況.

2.1 無干燥劑的冰柜結(jié)霜實(shí)驗(yàn)

圖2 冰柜區(qū)域劃分Fig.2 Refrigerating cabinet area division

表1 冰柜6個區(qū)域一個月的結(jié)霜量Tab.1 Frost amountof refrigerating cabinet’s six areasinamonth

實(shí)驗(yàn)保證環(huán)境狀態(tài)溫度為27℃，相對濕度為70%，然后開啟冰柜電源，冰柜門為全關(guān)閉狀態(tài).等4h后，室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定在設(shè)定的狀態(tài)點(diǎn)上，冰柜運(yùn)行也已穩(wěn)定，此時半開冰柜門，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束.稱量冰柜內(nèi)壁面的結(jié)霜量，并通過電功率表記錄冰柜在半開門期間的耗電量.依據(jù)實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2.2 有干燥劑的冰柜結(jié)霜實(shí)驗(yàn)

做有干燥劑實(shí)驗(yàn)時，先用電子天平稱量足夠質(zhì)量的干燥劑并放入相應(yīng)的容器內(nèi).容器有6個，與將要放置的冰柜區(qū)域的分區(qū)號一致，即容器的編號同樣為A，B，C，D，E，F(xiàn).將容器依據(jù)編號放置在所對應(yīng)的區(qū)域，如圖1所示.接著關(guān)閉冰柜門，先開啟恒溫恒濕機(jī)，再開啟冰柜.冰柜運(yùn)行4h穩(wěn)定后，半開冰柜門，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束.稱量冰柜內(nèi)壁面的結(jié)霜量，測量半開門期間的冰柜耗電量.依據(jù)實(shí)驗(yàn)工況，依次完成硅膠、分子篩和蒙脫石的相應(yīng)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抑霜能力分析

如圖3所示，當(dāng)冰柜內(nèi)不放置任何干燥劑時，冰柜在半開門50min的時間內(nèi)，結(jié)霜量為13.1g；在半開門1 500min的時間內(nèi)，結(jié)霜量為913.2g.在半開門時間由短到長的過程中，結(jié)霜量呈上升趨勢.當(dāng)在冰柜內(nèi)放入硅膠干燥劑時，半開門50min的時間內(nèi)，冰柜結(jié)霜量為13.7g，與無干燥劑的冰柜結(jié)霜量基本相同；而在半開門1 500min時，冰柜結(jié)霜量為859g，低于無干燥劑的冰柜結(jié)霜量.在半開門時間由短到長的過程中，放入硅膠干燥劑的冰柜結(jié)霜量均低于無干燥劑的冰柜結(jié)霜量，說明硅膠干燥劑對冰柜內(nèi)表面有抑霜能力.無干燥劑的冰柜在半開門100min時結(jié)霜量是38.2g，在冰柜內(nèi)放入分子篩干燥劑，半開門100 min 時冰柜的結(jié)霜量為28.6g；無干燥劑的冰柜在半開門250 min時結(jié)霜量為104.7g，在冰柜內(nèi)放入分子篩干燥劑，半開門250min時冰柜的結(jié)霜量為59.2g；無干燥劑的冰柜在半開門500min時結(jié)霜量為275.9g，在冰柜內(nèi)放入分子篩干燥劑，半開門500 min時冰柜的結(jié)霜量為143.8g，所以，分子篩干燥劑對冰柜內(nèi)表面結(jié)霜同樣有抑制能力.

表2 不同情況下冰柜結(jié)霜量Tab.2 Frost amount of refrigerating cabinet in different conditions

蒙脫石干燥劑在不同的半開門時間內(nèi)結(jié)霜量相對于無干燥劑的冰柜均有所減少，所以，蒙脫石干燥劑也有抑霜能力，如表3所示（見下頁）.

圖3 冰柜結(jié)霜量Fig.3 Frost amount of refrigerating cabinet

如圖4所示（見下頁），在半開門100min的時間內(nèi)，放置硅膠、分子篩、蒙脫石的冰柜結(jié)霜量分別比無干燥劑的減少22.6，9.6，－2.5g；在半開門250min的時間內(nèi)，放置硅膠、分子篩、蒙脫石的冰柜 結(jié) 霜 量 分 別 比 無 干 燥 劑 的 減 少74.5，45.4，54.8g；在半開門500min的時間內(nèi)，放置硅膠、分子篩、蒙脫石的冰柜結(jié)霜量分別比無干燥劑的減少121.6，132.1，175.3g；在半開門750min的時間內(nèi)，放置硅膠、分子篩、蒙脫石的冰柜結(jié)霜量分別比無干燥 劑 的 減 少86.4，102.8，89.8g；在 半 開 門1 500min的時間內(nèi)，放置硅膠、分子篩、蒙脫石的冰柜結(jié)霜量分別比無干燥劑的減少54.2，89.8，124.0g.

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

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

當(dāng)冰柜半開門時間較短時，硅膠干燥劑抑霜能力較強(qiáng)，隨著時間的延長，分子篩和蒙脫石的抑霜效果比硅膠好，其中，蒙脫石的抑霜能力增長最快.當(dāng)半開門時間在500min時，硅膠干燥劑的除霜量達(dá)到最大值，能除去相當(dāng)于無干燥劑情況下的44%的霜，隨后開始降低，在半開門150min時抑霜能力最低，能夠除去相當(dāng)于無干燥劑情況下的6%.而分子篩和蒙脫石在半開門500min時分別能除掉無干燥劑情況下的48%和64%的霜.

3.2 能耗減少分析

如圖5所示，冰柜在半開門50 min的時間內(nèi)，無干燥劑時耗電量為0.546kW·h，放置有硅膠干燥劑時耗電量為0.128kW·h，耗電量比無干燥劑時減少了0.418kW·h；在冰柜半開門1 500 min時間內(nèi)，無干燥劑時的耗電量為4.14kW·h，放置有硅膠干燥劑時耗電量為3.85kW·h，比無干燥劑時減少了0.29kW·h.在冰柜半開門50～1000 min的時間內(nèi)，冰柜耗電量在各個工況下耗電量的減少量在0.418～0.29kW·h的范圍內(nèi)逐漸減少.在冰柜內(nèi)放置分子篩和蒙脫石時，耗電量的減少量在冰柜半開門100，250，500 min 的工況下均在0.4kW·h左右，如表4所示，因此，可以判斷短時間內(nèi)使用干燥劑抑霜效果顯著，長期使用對結(jié)霜的抑制效果并不明顯，但能夠減少一定能耗.

圖5 冰柜耗電量Fig.5 Power consumption of refrigerating cabinet

表4 不同情況下冰柜耗電量Tab.4 Power consumption of refrigerating cabinet in different conditions （kW·h）

4 結(jié) 論

通過對冰柜結(jié)霜原理的分析，采用在冰柜內(nèi)部放置干燥劑的方法對冰柜結(jié)霜進(jìn)行抑制.實(shí)驗(yàn)過程維持在特定環(huán)境狀態(tài)下，對比在冰柜內(nèi)部放置干燥劑和不放置干燥劑兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析冰柜內(nèi)表面結(jié)霜量的差異.最終得出硅膠、蒙脫石、分子篩這3種干燥劑對冰柜內(nèi)表面結(jié)霜有抑制作用，抑霜效果略有不同.在冰柜使用半個月時間里，硅膠減少了44%的霜，分子篩減少了48%的霜，蒙脫石減少了68%的霜，能耗減少均在0.4kW·h左右.實(shí)驗(yàn)持續(xù)時間過長，干燥劑的吸濕能力會相對降低，對結(jié)霜的抑制能力也逐漸減弱，在冰柜使用一個月的時間里，硅膠減少了6%的霜，能耗減少了0.29kW·h，所以，干燥劑在短期內(nèi)有一定的抑霜能力；長期使用雖然對冰柜結(jié)霜抑制效果不是最理想，但也起到了一定作用，對冰柜能夠節(jié)約一定的能耗，解決了冰柜在長期使用中因結(jié)霜影響其傳熱效率，導(dǎo)致冰柜制冷率下降、制冷速度下降的問題.

［1］閻勤勞，朱琳，張密娥，等.冷風(fēng)機(jī)超聲波除霜技術(shù)試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（4）：74－76.

［2］鄭捷慶，莊友明，張軍，等.高電壓技術(shù)在制冷設(shè)備除霜中的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2007，33（12）：97－100.

［3］Hayashi Y，Aoki A，Adachi S，et al.Study of frost properties correlating with frost formation types［J］.Journal of Heat Transfer，1977，99（42）：239－245.

［4］Kazunari A，Kazushi S，Hiroki S.Suppression of frosting on a metal surface using ultrasonic vibrations［C］∥Proceedings of 1998 IEEE Ultrasonics Symposium.Sendai：IEEE，1998，1：759－762.

［5］毛正榮，趙巍，張華，等.低溫冷柜內(nèi)空氣的傳熱與流動特性研 究［J］.上 海 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2003，25（1）：21－23.

［6］劉中良，黃玲艷，勾昱君，等.結(jié)霜現(xiàn)象及抑霜技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.制冷學(xué)報(bào)，2010，31（4）：1－6.

［7］趙榮義，范存養(yǎng)，薛殿華，等.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［8］基伊.干燥原理及其應(yīng)用［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1986.