風(fēng)冷冰箱冷凍能力檢測(cè)技術(shù)和方法研究

張民增 蔣慶凱 邢 龍 王艷飛

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 珠海 519070）

引言

風(fēng)冷冰箱由于采用無(wú)霜系統(tǒng)，無(wú)需手動(dòng)除霜，且溫度控制精準(zhǔn)，成為了越來(lái)越多家庭購(gòu)買冰箱的首選，而冷凍能力作為衡量一個(gè)風(fēng)冷冰箱綜合性能的重要參數(shù)，也越來(lái)越受到人們的重視。但是如果冰箱容積大，但是冷凍能力偏小，就容易引起顧客懷疑其是否偷工減料，性能上有缺陷，因此有必要對(duì)影響風(fēng)冷冰箱冷凍能力的關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，使得其冷凍能力與實(shí)際容積相匹配。

揭輝霞等[1]對(duì)老國(guó)標(biāo)冷凍能力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，指出風(fēng)冷冰箱最熱位置為靠近門框處，最冷位置為靠近風(fēng)道出風(fēng)口處；冷凍負(fù)載應(yīng)錯(cuò)開放置；實(shí)驗(yàn)需要經(jīng)驗(yàn)豐富人員操作，否則很容易失敗。

GBT/ 8059標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，吳曉麗等[2]對(duì)新版電冰箱性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，指出冷凍能力試驗(yàn)和老國(guó)標(biāo)相比，有了巨大變化，主要為冷凍負(fù)載計(jì)算方式發(fā)生改變，實(shí)驗(yàn)起始條件加嚴(yán)，冷凍能力單位由kg/24 h改為kg/12 h，整體要求變得更加嚴(yán)格。

屠建祥[3]等通過(guò)計(jì)算指出，當(dāng)食品對(duì)流換熱系數(shù)一定時(shí)，減少食品厚度和降低介質(zhì)溫度是縮短凍結(jié)時(shí)間很有效的途徑。

盡管業(yè)內(nèi)同仁已有一定研究，但是對(duì)于影響風(fēng)冷冰箱冷凍能力大小的關(guān)鍵因素，以及如何借用這些因素，提升冷凍能力，目前相關(guān)研究較少，無(wú)可參考的對(duì)象，本文從新國(guó)標(biāo)冷凍能力測(cè)試方法出發(fā)，在相關(guān)載體上研究對(duì)冷凍能力影響較大的關(guān)鍵因素，并提出相應(yīng)的方案來(lái)提升風(fēng)冷冰箱冷凍能力，豐富冷凍能力實(shí)驗(yàn)的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 主要影響因素分析與驗(yàn)證

GB/T 8059-2016中冷凍能力計(jì)算公式如下：

式中：

Mi—冷凍負(fù)載重量，單位為千克（kg）；

△t—冷凍時(shí)間，單位為時(shí)（h）。

冷凍負(fù)載重量為所有用來(lái)評(píng)價(jià)是否為“三四星級(jí)”室的間室容積（不包括“二星級(jí)”部分）即3.5 kg/100 L，近似到0.5 kg，最低不得低于2 kg。冷凍時(shí)間指從投入負(fù)載開始到所有冷凍負(fù)載M包算數(shù)平均值降到-18 ℃所需時(shí)間。

從計(jì)算公式可以看出，風(fēng)冷冰箱冷凍能力值的大小與冷凍負(fù)載重量和冷凍負(fù)載冷凍時(shí)間有關(guān)，與冷凍負(fù)載重量成正比，與冷凍負(fù)載冷凍時(shí)間成反比，同一款冰箱，容積固定，冷凍負(fù)載重量根據(jù)國(guó)標(biāo)要求計(jì)算，也無(wú)法更改。因此，影響風(fēng)冷冰箱冷凍能力值大小主要由冷凍時(shí)間決定。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行解讀和查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)影響風(fēng)冷冰箱冷凍負(fù)載冷凍時(shí)間的主要因素為冷凍負(fù)載位置的選擇、冷凍負(fù)載包堆厚度、冷凍負(fù)載降溫過(guò)程中化霜時(shí)間三個(gè)方面，下面以具體樣機(jī)為載體，對(duì)這三個(gè)方面分別進(jìn)行分析。

1.1 樣品詳情和實(shí)驗(yàn)方法

研究載體為某全風(fēng)冷變頻法式四門冰箱，其結(jié)構(gòu)是上冷藏室下冷凍室，中間為三檔變溫室，冷藏和冷凍室分別能夠獨(dú)立控制溫度，樣機(jī)整體如圖1所示，樣機(jī)帶有快速冷凍（以下簡(jiǎn)稱速凍）功能，開啟速凍功能后遇到化霜需求，正常執(zhí)行化霜，標(biāo)稱冷凍能力為3 kg/12 h。

實(shí)驗(yàn)室采用符合國(guó)標(biāo)試驗(yàn)要求的冰箱性能實(shí)驗(yàn)室，主要測(cè)量?jī)x器采用日本橫河，冷凍室溫度采用50 mm*100 mm*100 mm，幾何中心帶有感溫探頭的M包進(jìn)行測(cè)量，嚴(yán)格按照GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》中的冷凍能力試驗(yàn)要求進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試開始前，樣機(jī)均在25 ℃環(huán)溫中晾箱24 h，確保樣機(jī)狀態(tài)統(tǒng)一。

檢測(cè)方法未優(yōu)化前的冷凍負(fù)載放置方案如圖1所示，所測(cè)得的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 原始狀態(tài)冷凍能力測(cè)試數(shù)據(jù)

1.2 冷凍負(fù)載位置的選擇

冷凍能力實(shí)驗(yàn)是在儲(chǔ)藏溫度實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過(guò)減少冷凍室實(shí)驗(yàn)包的數(shù)量來(lái)給冷凍負(fù)載預(yù)留位置，冷凍負(fù)載位置的選擇并不是無(wú)序和隨機(jī)的，其遵循一定的規(guī)律。

為了探究不同的冷凍負(fù)載位置的選擇對(duì)風(fēng)冷冰箱冷凍能力的影響，對(duì)研究載體進(jìn)行了四次對(duì)比測(cè)試，冷凍負(fù)載位置依次為冷凍負(fù)載全部遠(yuǎn)離風(fēng)口、冷凍負(fù)載兩堆遠(yuǎn)離風(fēng)口、冷凍負(fù)載一堆遠(yuǎn)離風(fēng)口、冷凍負(fù)載全部貼近風(fēng)口，四次測(cè)試僅冷凍負(fù)載位置不一致，分別命名為方案A～方案D，其余均保持不變，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

分析圖2可知，冷凍負(fù)載位置的選擇與冷凍負(fù)載冷凍時(shí)間有直接的關(guān)系。負(fù)載越接近風(fēng)口，冷凍時(shí)間越短，測(cè)得的冷凍能力值越大。故在設(shè)計(jì)冷凍負(fù)載放置方案圖時(shí)，應(yīng)充分考慮冷凍負(fù)載位置，盡量使其貼近冷凍出風(fēng)口。

1.3 冷凍負(fù)載包堆的平均厚度

屠建祥[3]等通過(guò)計(jì)算指出，在介質(zhì)溫度和對(duì)流換熱速度不變的情況下，減少食品厚度是縮短凍結(jié)時(shí)間很有效的途徑。在冷凍能力實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)實(shí)驗(yàn)包的規(guī)格與投入前的溫度，國(guó)標(biāo)均有嚴(yán)格的要求，因此要想降低冷凍時(shí)間，需要對(duì)冷凍負(fù)載包堆厚度進(jìn)行控制。

為了研究不同的冷凍負(fù)載厚度對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)冷凍時(shí)間的影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開展了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)總的冷凍負(fù)載重量為4.5 kg，共9個(gè)冷凍負(fù)載包，根據(jù)國(guó)標(biāo)冷凍能力實(shí)驗(yàn)規(guī)定的冷凍負(fù)載需均勻分布，每塊冷凍負(fù)載占用不超過(guò)3塊壓倉(cāng)負(fù)載的要求，結(jié)合樣機(jī)實(shí)際的冷凍室尺寸，采用以下3種代表性的放包方式進(jìn)行對(duì)比：3+3+3，3+2+2+2，2+2+2+2+1，分別命名為方案1、方案2、方案3，對(duì)應(yīng)的冷凍負(fù)載平均厚度分別為15 cm、11.25 cm、9 cm（新國(guó)標(biāo)要求的實(shí)驗(yàn)包尺寸為100 cm×100 cm×50 cm）以這三種不同的分配方式進(jìn)行三次測(cè)試，同時(shí)為了確保數(shù)據(jù)具有對(duì)比性，所有冷凍負(fù)載均放置在同樣的、最接近風(fēng)口的位置。

測(cè)試結(jié)果如圖3，分析數(shù)據(jù)可知，冷凍負(fù)載包堆平均厚度與冷凍時(shí)間有著直接關(guān)系，是一個(gè)重要影響因素，根據(jù)冷凍室尺寸和冷凍負(fù)載重量合理增加冷凍負(fù)載包堆個(gè)數(shù)，降低冷凍負(fù)載包堆平均厚度可有效提升冷凍能力。

1.4 冷凍負(fù)載降溫過(guò)程中的化霜時(shí)間

風(fēng)冷冰箱與直冷冰箱最大的區(qū)別就是風(fēng)冷冰箱運(yùn)行中會(huì)有化霜及恢復(fù)期出現(xiàn)，并且能夠自動(dòng)處理化霜水。為了高效除霜，制冷系統(tǒng)在化霜期間通常是不工作的，若冷凍負(fù)載降溫過(guò)程中遇到化霜，冷凍室內(nèi)溫度必然升高，會(huì)對(duì)冷凍負(fù)載降溫速度造成影響，若化霜多于一次，甚至可能會(huì)造成實(shí)驗(yàn)失敗。

為了確認(rèn)化霜時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)冷凍負(fù)載降溫時(shí)間的影響，設(shè)計(jì)了四種測(cè)試方案，分別為冷凍負(fù)載降至-18 ℃過(guò)程中無(wú)化霜與固定化霜10 min、固定化霜20 min、固定化霜30 min，測(cè)試方案與原始方案保持一致。

觀察測(cè)試結(jié)果圖4可以發(fā)現(xiàn)，冷凍負(fù)載降溫過(guò)程中的化霜持續(xù)時(shí)間對(duì)于冷凍負(fù)載冷凍時(shí)間有著較大的影響，因此冷凍能力試驗(yàn)測(cè)試時(shí)應(yīng)盡可能確保避開化霜。

2 檢測(cè)方法優(yōu)化

通過(guò)分析可知，在冷凍室容積固定不變的情況下，若要增加冷凍能力，只能從縮短冷凍時(shí)間入手，而在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境中，在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，要縮短冷凍時(shí)間，可以從改良測(cè)試手法方面入手。

1）冷凍負(fù)載應(yīng)全部放置在最接近冷凍室出風(fēng)口位置，促使負(fù)載熱量能夠被快速帶走。冷凍室經(jīng)由風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)，在與冷凍負(fù)載接觸后，通過(guò)熱交換帶走熱量，最后通過(guò)回風(fēng)口回到蒸發(fā)器，循環(huán)利用。故離風(fēng)口越遠(yuǎn)，則分得的冷量越少，降溫越慢，所以在設(shè)計(jì)測(cè)試方案圖時(shí)，應(yīng)充分考慮預(yù)留的位置是否為冰箱內(nèi)部最接近風(fēng)口的位置；

2）根據(jù)國(guó)標(biāo)要求的每塊冷凍負(fù)載占用不超過(guò)3塊壓倉(cāng)負(fù)載的空間，以及目前大多數(shù)風(fēng)冷冰箱的實(shí)際容積，每堆冷凍負(fù)載應(yīng)維持在兩塊左右最為合適，最多不應(yīng)超過(guò)3塊，以增大冷凍負(fù)載換熱面積，加速冷凍；

3）為了完全避開化霜，應(yīng)在一個(gè)化霜及恢復(fù)期結(jié)束平穩(wěn)后立刻投入負(fù)載，實(shí)驗(yàn)不應(yīng)在樣機(jī)已運(yùn)行一段時(shí)間，即將開始化霜時(shí)刻進(jìn)行，此時(shí)霜層已較厚，若此時(shí)投入負(fù)載，則會(huì)加速蒸發(fā)器結(jié)霜，降低制冷效率。帶有速凍功能的樣機(jī)，其程序的設(shè)定應(yīng)使得速凍功能運(yùn)行中，遇到化霜請(qǐng)求的，暫緩化霜，在速凍退出后，根據(jù)結(jié)霜情況，按需化霜。

根據(jù)以上三點(diǎn)，對(duì)樣機(jī)測(cè)試手法進(jìn)行了改進(jìn)，冷凍負(fù)載放置方案圖和改進(jìn)前后冷凍能力對(duì)比如圖5所示，冷凍能力提升了約50 %，有明顯提升。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)影響風(fēng)冷冰箱冷凍能力關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)對(duì)比方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，在不改變整體結(jié)構(gòu)的前提下，將研究載體冰箱的實(shí)測(cè)冷凍能力由4.0 kg/12 h提升至6.1 kg/12 h，檢測(cè)技術(shù)和方法符合國(guó)標(biāo)要求，較大地增加了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)該研究成果也豐富了國(guó)標(biāo)冷凍能力實(shí)驗(yàn)的測(cè)試方法，為研發(fā)人員設(shè)計(jì)出更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品提供了重要的參考依據(jù)。