基于冰表面被動防霜的半導體冰箱性能研究

陸雪妃 張麗娜* 熊良濤 蒲宇航 喬睿鑫

（寧波工程學院 建筑與交通工程學院，浙江 寧波 315016）

1 概述

結霜問題已成為影響現有制冷空調系統換熱性能的重要因素。當濕空氣與低于空氣露點溫度的冷表面接觸時，空氣中的水蒸氣凝結于冷面上，進而形成霜層，霜層阻礙氣流流通，影響換熱器的換熱性能，從而降低制冷效率[1]。結霜現象在許多領域如航空航天、低溫、制冷及熱泵系統等非常普遍[2]。尤其當蒸發(fā)器翅片的溫度低于0℃，環(huán)境相對濕度大于60%時，更增大了翅片表面發(fā)生結霜的可能性[3]。結霜問題不僅會增加冰表面的換熱熱阻，降低傳熱效率，還會堵塞空氣側通道，導致機器無法正常運行[4，5]。近年來許多研究人員致力于研究有效且節(jié)能的抑霜方式，迄今為止，經研究可采用的傳統除霜方法仍存在不足：電加熱方法雖具有系統簡單、除霜完全的特點，但存在耗電多，對環(huán)境不友好的弊端；水或鹽水除霜是一種通過泵將水或鹽水直接噴灑在冷風機表面的除霜方法，雖然除霜時間短、設備的初投資成本低，但如果排水不及時則易形成二次結霜[6]；即使是目前應用最廣泛的逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜方法也因除霜能量來源的局限和除霜時間過長[7]，很難達到理想的除霜效果。因此，研究冰表面結霜機理，探索高效抑霜技術對提高制冷系統的換熱性能具有重要意義。為實現更好的除霜效果，抑制霜層的產生與生長是從本質上解決問題的關鍵[8]。文本提出了一種基于冰表面被動防霜的半導體冰箱，采用微槽肋片來抑制霜層生長，達到抑霜控霜的目的，為尋求制冷空調系統的新型除霜方式提供了借鑒與解決方案。

2 系統工作原理

半導體冰箱原理圖如圖1所示。此冰箱主要由微槽肋片、半導體片及熱水循環(huán)系統構成，半導體冰箱利用微槽肋片進行系統的抑霜，以達到除霜的效果。半導體冷端產生的冷量通過帶有微槽的肋片導入冰箱內部區(qū)域供冷。當區(qū)域內溫度低于0℃時，微槽中的水首先結冰，之后肋片表面將結霜。由于微槽中冰表面比空氣中的水蒸汽分壓力小，使得霜優(yōu)先在微槽冰表面及其附近產生霜并生長，減弱了肋片其他表面大面積結霜的現象。同時，在系統抑霜過程中，半導體熱端產生的熱量通過熱水循環(huán)系統排出。

圖1 半導體冰箱原理圖

3 實驗分析

3.1 肋片抑霜能力實驗

實驗測定了使用不同規(guī)格的微槽肋片時冰箱的除霜量。利用溫濕度傳感器獲取冰箱內部溫度，并采用運動相機實時監(jiān)測肋片狀態(tài)，同時，考慮到微槽中會有少許水分蒸發(fā)到空氣中，因此，以微槽結冰后與結霜后的肋片質量差值作為結霜質量，保證數據的準確性。根據實驗現象可知，霜層絕大多數分布于微槽上方，側壁格基本不出現結霜現象。表1為不同規(guī)格微槽肋片結霜量，由實驗數據對比可知，采用肋片間距為4mm的微槽肋片結霜效果最好，且微槽深度超過一定值時對于結霜量沒有明顯影響。

表1 肋片抑霜霜量

3.2 不同肋片形式下半導體冰箱COP及效率對比

半導體冰箱單位時間制冷量由半導體耗電量與冷端吸熱獲得的熱量共同組成，半導體熱端采用水冷散熱的方式，測得熱端工作12分鐘水升溫，獲得其總功率，又通過多用電表測得半導體工作相同時間時兩端的電壓與電流，得到其電功率。冷端功率為總功率與電功率的差值，得到冷端功率后與總功率比較，計算得出COP（工作過程中，肋片處存在結霜現象）。

3.2.1 半導體冰箱COP的計算：冷端功率與總功率比較，冷端功率即為總功率與電功率的差值。

3.2.2 單位時間的制冷量計算：單位時間冷端制冷量為熱端總熱量與電熱量的差值。

式中：

Q總、Q電、Q冷——每分鐘熱端總熱量、每分鐘半導體電熱量、每分鐘冷端制冷量。

3.2.3 實驗數據分析：通過實驗分析數據，可以得到COP提升率計算表，如表2所示，冰箱系統工作時COP比較圖，如圖2所示，并通過對比分析可觀察出不同類型肋片的COP提升率的大小。

圖2 冰箱系統工作時COP比較圖

表2 COP提升率計算表

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根據表2數據，對這四種不同型號的肋片進行制冷率和COP提升率的大小的比對，可以得出相同型號的微槽肋片加水時的制冷效率比不加水時要高，且在3cm高的加水微槽肋片換熱提效率最高的結論。

由圖2可知，加水微槽肋片的COP值明顯高于同類型不加水的微槽肋片，且加水微槽的COP值隨著微槽肋片尺寸的增大的增大，由此可得出5cm加水肋片的COP有最高值的結論。

4 實驗結論

通過肋片抑霜能力實驗及半導體冰箱單位時間制冷量測量實驗，對比實驗數據得到肋片微槽加水總是比不加水的COP高，而5cm加水肋片的COP值最高，并且在實驗過程中，肋片總是微槽上方先開始結霜，肋片側壁和下方總是保持相對干燥。

由于霜層總是往微槽附近生長，肋片內壁的散熱效率得到提高，于是半導體冰箱制冷效率也提高了。在實驗過程中，為了盡可能減小實驗誤差，還要保證半導體熱端的散熱。

5 結論

基于冰表面被動防霜的半導體冰箱系統利用肋片微槽能實現很好的防霜效果，在運行過程中，采用水作為吸霜原料，成本低，環(huán)境友好性高，且肋片上設置微槽的方法小巧便攜，可運用于多個領域進行防霜。本實驗這不僅給解決結霜現象提供了思路，同時，為現有空調系統除霜提供了解決思路和理論基礎，對空調系統節(jié)能具有現實意義。