利用相變材料降低定頻風(fēng)冷式冰箱冷藏室內(nèi)溫度波動的研究

郭領(lǐng)波劉忠寶史慧新朱曉亮李 驁趙丹峰

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124；2.合肥美的電冰箱有限公司 合肥 230601）

利用相變材料降低定頻風(fēng)冷式冰箱冷藏室內(nèi)溫度波動的研究

郭領(lǐng)波1劉忠寶1史慧新2朱曉亮2李 驁1趙丹峰1

（1.北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124；2.合肥美的電冰箱有限公司 合肥 230601）

隨著生活水平的提高，人們對食品的冷藏條件要求越來越高，其中冷藏環(huán)境的溫度波是影響食品保鮮的重要因素，目前市面上比較高端的變頻冰箱可以改善冷藏室的波動，但是變頻冰箱的價(jià)格昂貴。適合大眾消費(fèi)的定頻冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動較大，主要介紹了如何利用廉價(jià)的相變材料減小定頻風(fēng)冷式冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：添加相變材料后，冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動變小，且合理地調(diào)整相變材料的質(zhì)量與位置時(shí)效果更好。

定頻冰箱；冷藏室；相變材料；溫度波動；保鮮

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對冰箱保鮮的功能要求越來越高，尤其是冰箱冷藏室內(nèi)的冷藏環(huán)境。眾所周知，冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波是影響食品保鮮的一個(gè)非常重要的因素，趙亞麗工程師[1]做過定頻冰箱與變頻冰箱對切片西瓜儲藏的對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示變頻冰箱的儲藏效果較好，其中最重要的原因之一就是變頻冰箱冷藏室的溫度波動較小。較大的溫度波動不僅不利于食品的保鮮，而且會縮短食品的保質(zhì)時(shí)間。

如何改善冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動一直是冰箱行業(yè)研究的重要課題，吳小華[2]等人利用FLUENT仿真軟件研究了冷藏室中擱物架的擺放位置與結(jié)構(gòu)形式對冷藏室溫度場具有較大的影響。隨著變頻技術(shù)的出現(xiàn)，在冰箱中應(yīng)用變頻壓縮機(jī)后，冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動可以得到改善，但是市面上的變頻冰箱的價(jià)格昂貴，適合大眾消費(fèi)的仍然是定頻冰箱，若在定頻冰箱中安裝溫度比較敏高的溫控測點(diǎn)，不僅增加了初投資，而且冰箱正常工作時(shí)，會增加壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，耗電量也會增加，所以如何在定頻冰箱中改善冷藏室內(nèi)溫度的波動是值得我們?nèi)パ芯康闹匾獑栴}。

隨著材料科學(xué)的飛速發(fā)展，相變材料的研究應(yīng)用為改善冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動提供了技術(shù)與方法支持。利用相變材料在相變過程中的吸放熱的特點(diǎn)，在冰箱冷藏室內(nèi)放置相變材料，在冰箱壓縮機(jī)開啟階段，相變材料相變吸冷，延緩冷藏室內(nèi)溫度的降低，在壓縮機(jī)停機(jī)階段，相變材料通過相變釋冷，延緩溫度的快速上升。利用相變材料的這一特點(diǎn)，在理論上為我們提供了可行性的依據(jù)。

關(guān)于蓄冷、釋冷的相變材料的研究已經(jīng)有了一些進(jìn)展，Maria[3]等已經(jīng)進(jìn)行了葵酸、月桂酸及十五烷混合材料的相變蓄冷與釋冷特性的實(shí)驗(yàn)研究，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)描述和分析。Royon R[4]針對石蠟油與水乳液相變蓄冷材料的特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得到該混合材料的溶解度及溶解潛熱值。Fan[5]等人開展了不同添加劑對相變蓄冷材料特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，分別添加了銅、鋁、鎳及其金屬氧化物、不銹鋼和碳纖維等添加劑，研究結(jié)果表明，添加劑的使用顯著提升了相變蓄冷材料的傳熱能力。

不僅對蓄冷材料本身，關(guān)于蓄冷材料的應(yīng)用效果，也有眾多專家學(xué)者進(jìn)行詳細(xì)分析。E Oró與A de Gracia[6]等人總結(jié)了88種相變溫度低且可以應(yīng)用于低溫蓄冷潛在相變蓄冷材料（PCM）以及相應(yīng)的熱物理性質(zhì)，并介紹了市場上已經(jīng)出現(xiàn)的40種商用PCM相變蓄冷材料的性能，以及從其理論和實(shí)驗(yàn)的角度對PCM不同封裝方法對材料傳熱效果的影響進(jìn)行了分析。

錢波，袁軍[7]研究了高吸水性樹脂作為冰箱蓄冷材料時(shí)，樹脂的性質(zhì)和不同配比對蓄冷性能的影響，探究不同吸水倍率和粒徑大小對樹脂蓄冷效果的影響，通過研究發(fā)現(xiàn)SAP的吸水倍率對同種濃度下樹脂溶液的蓄冷效果影響規(guī)律不顯著。

重慶大學(xué)楊穎等人[8]針對目前冰箱冷藏室內(nèi)存在的問題，從現(xiàn)有蓄冷技術(shù)及常用的蓄能材料出發(fā)，通過分析篩選并進(jìn)行大量試驗(yàn)后，配制出一種適用于冰箱冷藏室蓄冷用的二元低共熔有機(jī)復(fù)合相變蓄冷材料，該蓄冷材料由正癸醇和十六醇組成，其中正癸醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93%。但是正癸醇和十六醇具有毒性，將其應(yīng)用在冰箱的冷藏室內(nèi)沒有可靠的安全性，所以此材料在冷藏室內(nèi)的應(yīng)用受到了限制。

北京工業(yè)大學(xué)的劉忠寶等人[9]通過對低溫相變蓄冷材料的性能研究，將其應(yīng)用在冰箱冷凍室，通過實(shí)驗(yàn)證明：（1）相變蓄冷低溫速度托盤可以應(yīng)用于冰箱冷凍室，使直接擺放在托盤上的食品度過最大冰晶生成帶時(shí)間較普通冰箱大大減少；（2）相變蓄冷材料可實(shí)現(xiàn)冰箱內(nèi)能量轉(zhuǎn)移，使冰箱內(nèi)上下溫差盡可能減小。但是應(yīng)用在冷凍室內(nèi)相變材料不適合冷藏室。

目前，重點(diǎn)針對相變材料對冰箱冷藏室內(nèi)溫度波動影響的研究較少，所以本課題組主要針對這樣一方面進(jìn)行研究，本論文主要介紹了如何利用相變材料減小定頻風(fēng)冷式冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動。

2 應(yīng)用相變材料改善冷藏室內(nèi)溫度波動的理論分析

正常的冰箱冷藏室內(nèi)的溫度隨著壓縮機(jī)的啟停進(jìn)行波動，以風(fēng)冷式定頻壓縮機(jī)為例，當(dāng)壓縮機(jī)開啟式，制冷劑流經(jīng)冷藏室蒸發(fā)器，在冷藏室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的吹動下，冷藏室內(nèi)空氣流經(jīng)蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，溫度降低，流進(jìn)冷藏室，冷藏室內(nèi)溫度降低，當(dāng)溫度達(dá)到冷藏室內(nèi)設(shè)定的的溫度后，壓縮機(jī)停機(jī)，冷藏室內(nèi)空氣不再循環(huán)流動，冷藏室內(nèi)溫度開始慢慢升高，直到設(shè)定的溫度，壓縮機(jī)又重新開始啟動。

添加蓄冷材料后，在冰箱冷藏室內(nèi)放置相變材料，在冰箱壓縮機(jī)開啟階段，相變材料相變吸冷，延緩冷藏室內(nèi)溫度的降低，在壓縮機(jī)停機(jī)階段，相變材料通過相變釋冷，延緩溫度的快速上升。本實(shí)驗(yàn)就是利用相變材料的這一特點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施的。

3 風(fēng)冷式定頻冰箱冷藏室內(nèi)相變材料的選擇

在實(shí)際中，可供選擇的相變材料種類較多，特點(diǎn)各不相同。根據(jù)冰箱冷藏室內(nèi)的特點(diǎn)，可以做出以下要求：不易泄漏、無毒、價(jià)格便宜、相變潛熱盡可能高。

重慶大學(xué)的楊穎研究的適用于冰箱冷藏室內(nèi)的混合相變材料（正癸醇和十六醇），雖然在溫度范圍上適合，但是因其本身的毒性在實(shí)際應(yīng)用上將受到限制。

冰箱冷藏室內(nèi)的溫度一般范圍為2℃至8℃，通過資料查找，在此溫度范圍內(nèi)的相變材料很少，最終鎖定在油脂物質(zhì)中，例如花生油，其箱變溫度在3℃左右，但是這類物質(zhì)價(jià)格較高，相變潛熱不大。

因本研究是針對風(fēng)冷式冰箱，如果選擇將相變材料放置在冷藏室內(nèi)具有以下缺點(diǎn)：占據(jù)食品放置空間；不美觀，給設(shè)計(jì)上帶來困難；適合此溫度范圍內(nèi)的箱變材料較難找。

經(jīng)過分析，本實(shí)驗(yàn)將相變材料放置在冷藏室內(nèi)的風(fēng)道內(nèi)，即蒸發(fā)器與冷藏室之間的風(fēng)道。因流經(jīng)風(fēng)道內(nèi)的空氣的溫度較低，在-12℃至0℃范圍之內(nèi)。在此溫度范圍內(nèi)可供選擇的相變材料較為廣泛。

經(jīng)過查找、實(shí)驗(yàn)以及篩選，使用相變溫度在-3℃左右的氯化鉀水溶液作為冷藏室內(nèi)的相變材料。

4 實(shí)驗(yàn)過程以及數(shù)據(jù)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

（1）本實(shí)驗(yàn)在美的風(fēng)冷式定頻冰箱（BCD-372WTV）的冷藏室中進(jìn)行，將蓄冷材料放置在冷藏室內(nèi)的風(fēng)道中，風(fēng)道見圖1。

（2）將冷藏室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的電源引出，使其處于常開狀態(tài)。目的在于當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，通過循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動將蓄冷材料的冷量釋放出來，風(fēng)機(jī)見圖2。

（3）在冷藏室內(nèi)的上部、中部、下部各布置一個(gè)帶有銅柱測頭的熱電偶，測得各個(gè)空間點(diǎn)的溫度變化，銅柱測點(diǎn)布置見圖3。

（4）冷藏室內(nèi)溫度設(shè)定在4℃，開啟冰箱，冰箱在不同的情況下工作，進(jìn)行對比試驗(yàn)，即將添加蓄冷材料后的溫度波動與原機(jī)模式下的溫度波動進(jìn)行比較。

圖1 風(fēng)道Fig.1 Air passage

圖2 循環(huán)風(fēng)機(jī)Fig.2 Circulating fan

圖3 測點(diǎn)擺放位置Fig.3 The Positions of measuring points

4.2 氯化鉀水溶液作為相變材料

4.2.1 相變材料及擺放位置

（1）氯化鉀水溶液：氯化鉀，硅藻土，吸水樹脂，去離子水按照一定比例混合。

圖4 相變材料的位置Fig.4 The place of phase change material

（2）氯化鉀水溶液放置的位置：相變材料的裝配位置位于冷藏室泡沫隔熱板的后面，即冷藏室的風(fēng)道內(nèi)。冷藏室風(fēng)道內(nèi)裝配20個(gè)小袋，每個(gè)小袋的相變材料質(zhì)量為50g，相變材料擺放圖見圖4。

（3）帶有銅柱測頭的熱電偶擺放位置，見圖3。

4.2.2 溫度變化曲線對比

加蓄冷材料后的溫度波動與原機(jī)模式下的溫度波動曲線如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 上部空間點(diǎn)溫度波動對比Fig.5 Comparison of temperature fluctuation of upper space point

圖6 中部空間點(diǎn)溫度波動對比Fig.6 Comparison of temperature fluctuations in the central space point

圖7 下部空間點(diǎn)溫度波動對比Fig.7 Comparison of temperature fluctuation of lower space point

4.2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）當(dāng)冷藏室內(nèi)添加相變材料時(shí)，冷藏室內(nèi)的溫度波動明顯比無蓄冷條件減小了。

（2）圖7中，在冰箱工作的前期，加蓄冷材料后的溫度整體偏高，其原因?yàn)椋盒罾洳牧鲜窃诔叵路胚M(jìn)冰箱的，這是初始條件影響所致。

（3）氯化鉀水溶液作為相變材料時(shí)，冰箱穩(wěn)定工作后其溫度波動情況：上部大部分時(shí)間處于1.5℃的波動幅度，比原來減小了1℃的波動幅度；中部為1.5℃的波動幅度，比原來減小了1℃的波動幅度；下部為0.75℃的波動幅度，比原來減小了1.25℃的波動幅度。

4.3 增加相變材料的質(zhì)量再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

4.3.1 相變材料及擺放位置

（1）添加膨脹石墨的氯化鉀水溶液：氯化鉀，硅藻土，吸水樹脂，膨脹石墨，去離子水按照一定比例混合。

（2）氯化鉀水溶液放置的位置：氯化鉀水溶液放置的位置：蓄冷劑的裝配位置位于冷藏室泡沫隔熱板的后面。冷藏室裝配14個(gè)小袋蓄冷劑及1個(gè)大袋蓄冷劑，每個(gè)小袋的蓄冷劑質(zhì)量為50g，大袋的蓄冷劑質(zhì)量為500g，見圖8。

圖8 相變材料的位置（增加相變材料的質(zhì)量）Fig.8 The place of phase change material（The quality of phase change materials is increased）

4.3.2 溫度變化曲線對比

加蓄冷材料（增加相變材料）后的溫度波動與原機(jī)模式下的溫度波動曲線如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 上部空間點(diǎn)溫度波動對比（增加相變材料的質(zhì)量）Fig.9 Comparison of temperature fluctuation of upper space point （The quality of phase change materials is increased）

圖10 中部空間點(diǎn)溫度波動對比（增加相變材料的質(zhì)量）Fig.10 Comparison of temperature fluctuations in the central space point（The quality of phase change materials is increased）

圖11 下部空間點(diǎn)溫度波動對比（增加相變材料的質(zhì)量）Fig.11 Comparison of temperature fluctuation of lower space point（The quality of phase change materials is increased）

4.3.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）增加蓄冷材料的質(zhì)量后，冷藏室內(nèi)的溫度波動變的更小了，冰箱工作穩(wěn)定后，上部、中部空間點(diǎn)的溫度波動控制在1℃范圍，比原來減小了2℃左右的波動幅度；下部的溫度波動在0.5℃左右的范圍內(nèi)，比原來減小了1.5℃左右的波動幅度。

（2）在改善冷藏室內(nèi)溫度波動方面，適當(dāng)?shù)卦黾酉嘧冃罾洳牧系馁|(zhì)量可以更好地改善冰箱冷藏室的溫度波動。相變材料質(zhì)量的增加不僅加大了相變材料與冷風(fēng)的傳熱面積，而且增加了冰箱冷藏室的蓄冷量，能夠更好的延緩冷藏室內(nèi)的溫度變化。

5 結(jié)論

（1）在定頻冰箱冷藏室風(fēng)道內(nèi)添加相變材料后，冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動會變小，有利于食品的保鮮。

（2）在冰箱冷藏室中合理地調(diào)整相變材料的質(zhì)量與位置，通過增大傳熱面積和相變材料的蓄冷量可以更好地改善冰箱冷藏室內(nèi)的溫度波動。

（3）氯化鉀水溶液作為冰箱冷藏室的蓄冷相變材料具有價(jià)格低、無毒等優(yōu)點(diǎn)，在改善冷藏室內(nèi)溫度波動的效果明顯，相比較在定頻冰箱中安裝溫度靈敏的溫控測點(diǎn)具有一定的優(yōu)勢。

（4）添加相變材料后冷藏室內(nèi)的平均溫度與之前相比升高了，關(guān)于應(yīng)用相變材料后冷藏室內(nèi)平均溫度的控制應(yīng)做進(jìn)一步研究。

[1] 趙亞麗,Esequias Pereira,洪凱,等.定頻與變頻冰箱貯藏對鮮切西瓜品質(zhì)及微生物數(shù)量的影響[J].食品工業(yè)科技,2006,(14):351-358.

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Research on Reducing the Temperature Fluctuation of the Air Cooled Refrigerator with Constant Frequency by Using Phase Change Material

Guo Lingbo1Liu Zhongbao1Shi Huixin2Zhu Xiaoliang2Li Ao1Zhao Danfeng1
( 1.Beijing University of Technology, Beijing, 100124; 2.Hefei Midea Refrigerator Co., Ltd, Hefei, 230601 )

With the improvement of living standards, People's demands on the refrigerated conditions of food become higher and higher. Temperature fluctuation of cold storage environment is an important factor to affect the refreshment of food. Currently on the market the Refrigerator with inverter can reduce the fluctuations in the cold storage room, but the Refrigerator with inverter is expensive. The temperature fluctuation of the fixed frequency refrigerator which is Suitable for mass consumption is relatively large. This paper mainly introduces how to use the cheap phase change materials to reduce the temperature fluctuation of the fixed-frequency frost-free refrigerator. Experimental results show that after adding phase change materials, the temperature fluctuation in the refrigerator is smaller than the original,and the effect is better to adjust the quality and position of phase change materials reasonably.

fixed-frequency refrigerator; cold storage room; phase-change material; temperature fluctuation; Refreshment

TB651

B

1671-6612（2017）01-091-05

郭領(lǐng)波（1990.2-），男，在讀碩士研究生，E-mail：956783080@qq.com

劉忠寶（1971.8-），男，博士，副教授，E-mail：liuzhongbao@bjut.edu.cn

2015-10-30