基于相變材料蓄冷車載冰箱特性實驗研究

戴紹碧，王倩，李佳琪，卓子鴻，洪澤鴻，龐友俊，曾永強(qiáng)，曹越

（廣東石油化工學(xué)院，廣東茂名，525000）

0 引言

車載冰箱已經(jīng)不是新鮮事物，伴隨著國內(nèi)家用汽車的迅速普及與自駕游的快速發(fā)展，車載冰箱市場必將得到快速擴(kuò)張［1］。疫情肆虐全球兩年多，全球經(jīng)濟(jì)承受壓力，出入境旅游幾乎停滯，但境內(nèi)自駕游需求仍然旺盛，而自駕游需要車載冰箱攜帶必備的食物與藥品，車載冰箱逐漸成為汽車的標(biāo)配［2］。新冠病毒及將來未知病毒的防控、軍隊后勤保障與民間救災(zāi)，要求小批量的疫苗、生物制劑、藥品、血液在低溫條件下運輸，車載冰箱可作為合適的冷凍轉(zhuǎn)運儲藏設(shè)備［3，4］。由于車載冰箱均為電驅(qū)動，而汽車電池的容量有限，在停車的情況下冰箱繼續(xù)制冷，會造成汽車電池虧電，影響汽車的正常使用。車載冰箱作為汽車上設(shè)備，在解決壓縮機(jī)、電控系統(tǒng)、制冷管路系統(tǒng)等部件與管路在顛簸狀態(tài)下穩(wěn)定性問題［3，5-9］的前提下，如何在停車狀態(tài)下延長冰箱保冷時間，成為影響車載冰箱實用性的關(guān)鍵問題。為了延長冰箱停機(jī)保冷時間可以從以下兩方面著手，提高冰箱的保溫性能及采用蓄冷材料，前者保冷時間較短［10］， 后者則能較好地延長保冷時間［11］。目前研究主要集中在相變材料及相變材料在冰箱中的保溫特性［12-14］，由于相變材料是獨立放置于冷藏或冷凍室中，中間還有包裝材料分隔，制冷系統(tǒng)與相變材料之間的傳熱性能較差，需要更低的蒸發(fā)溫度，降低制冷系統(tǒng)效率，蓄冷時間過長。為了解決此問題，設(shè)計一種相變材料與制冷系統(tǒng)直接耦合的蓄冷冰箱，并研究其運行特性研究，為車載冰箱設(shè)計開辟新路徑。

1 實驗裝置

實驗冰箱原理如圖1，壓縮機(jī)選用ZM65DC直流24 V變頻壓縮機(jī)，制冷量范圍為65～256 W；冷凝器采用2排5根120 mm長度翅片式換熱器，散熱風(fēng)扇采用LFS1224GS，額定電壓DC24 V，額定風(fēng)量75.84 CFM；節(jié)流機(jī)構(gòu)采用φ1.6 mm毛細(xì)管，長度為1.7 m；制冷劑液管采用φ6.35 mm管徑銅管，氣管采用φ8 mm銅管；保溫箱體采用聚苯乙烯泡沫（EPS），其導(dǎo)熱系數(shù)為0.041 W/(m?K)，厚度為3 cm，容積為3.9×2.8×5.3 dm=57.8 L。相變材料蓄冷器采用鋁板制作成一個L型箱體，下部有一個銅管入口和一個銅管出口，上部有一個相變材料注入口，銅管長度4.78 m，蓄冷器存儲相變材料體積為3.6 L。

圖1 制冷系統(tǒng)原理圖

實驗溫度測點布置如圖2，采用精度為0.01 ℃的T型熱電偶，布置在冷藏箱體的上、中、下部（測點T1-T3）、蓄冷器外壁面（測點T4-T6）、蓄冷器內(nèi)部（測點T7-T9）及室內(nèi)冰箱冷凝器進(jìn)風(fēng)口（測點T10）。采用KEYSIGHT 34980數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過LAN口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。

圖2 溫度測點布置圖

2 結(jié)果與討論

2.1蓄冷特性

從圖3可知實驗環(huán)境溫度T10，即冰箱冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度，保持在約25 ℃。從圖4可知相變材料初始溫度均為溫度25.0 ℃，制冷系統(tǒng)啟動后，相變材料溫度逐漸降低，其中，下部溫度下降速度最快，中部溫度與下部區(qū)別不大，上部溫度下降較慢，這是因為制冷劑在蒸發(fā)器中是下進(jìn)上出，相變材料上部處于蒸發(fā)器過熱區(qū)，該區(qū)域制冷量較少所致。相變材料溫度在前30分鐘下降速度較快，中部和下部溫度從25 ℃分別降到4.9 ℃和3.9 ℃，上部溫度也降到10.0 ℃。在30分鐘后由于接近蒸發(fā)器銅管部位的相變材料已經(jīng)將至0 ℃并開始凝結(jié)，需要吸收較多冷量，測溫點下降幅度逐漸變緩。1小時后，相變材料中部和下部測溫點接近0 ℃，蓄冷箱中下部相變材料處于相變點，需要放出相變熱完成相變后溫度才會繼續(xù)下降，此時相變材料有一段溫度平緩的蓄冷區(qū)間，再經(jīng)過約20分鐘，相變相變材料上部在達(dá)到0 ℃，進(jìn)入蓄冷區(qū)間，直至約2小時30分，蓄冷完成，相變材料溫度開始快速降溫。

圖3 環(huán)境溫度變化圖

由此可見，在相變材料在接近凝固點0 ℃的過程中，溫度下降趨勢會逐漸減緩，在凝固過程中維持在0 ℃附近溫度變化平緩，相變材料會在凝固的過程中吸收大量的冷量來完成相態(tài)轉(zhuǎn)化。

由圖4及圖5可知，蓄冷器蓄冷器外壁面溫度隨快相變材料溫度同步下降，上中下三個測點的溫度與相變材料三個測點的溫度接近，下部測點溫度T4由于處于L型蓄冷箱的底板中間部位，也是蒸發(fā)器的入口處，此點溫度下降速度最快。也在約1個小時后，壁面溫度均接近0 ℃。

圖4 相變材料溫度變化圖

圖5 蓄冷箱外壁溫度變化圖

由圖6可知，冷藏區(qū)的溫度隨著蓄冷器壁面的溫度變化而變化，約30分鐘冷藏室內(nèi)的溫度從25 ℃下降至約10 ℃，但溫度分部不均勻，溫度從上到下逐漸降低，上下測點的溫差接近8 ℃。1個小時后，上部測點T1的溫度接近10 ℃，下部測點T3的溫度接近2 ℃，中間測點T2的溫度維持在約5 ℃，這符合冷藏室的冷藏溫度需求，在1小時至2小時30分，相變材料凝結(jié)的過程中，冷藏室內(nèi)溫度有一定下降，但下降幅度不大。

圖6 冷藏區(qū)溫度變化圖

從上分析可知，相變材料與蒸發(fā)器耦合的車載冰箱蓄冷性能良好，冷藏室溫度控制穩(wěn)定。

2.2 保溫特性

如圖7所示，環(huán)境溫度T10介于25 ℃～26 ℃之間。停止制冷后，相變材料溫度變化情況如圖8所示，相變材料初始時刻溫度約-1 ℃，經(jīng)過約9小時全部融化，溫度開始較快上升。從圖9與圖10可知，蓄冷箱外壁溫度、冷藏溫度與相變材料溫度變化一致，且溫度比相變材料高。冰箱停機(jī)保冷時間約9小時，可以看出蓄冷材料起到了延長保冷時間的作用，但由于實驗冰箱氣密性不夠，滲透負(fù)荷較大，外壁保溫性能較差，維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷也大，若改進(jìn)氣密設(shè)計及保溫性能，保冷時間還有較大的提升空間。對于車載冰箱來說，在汽車運行期是可以啟動制冷系統(tǒng)的，對于自駕游或者小批量藥品、生物制品、血液運輸，10多個小時的準(zhǔn)確保溫時間基本可以滿足人員休息或游玩時間，保證汽車在下一次啟動前冷藏溫度恒定，使車載冰箱更好滿足實際需要。

圖7 環(huán)境溫度變化圖

圖8 相變材料溫度變化圖

圖9 蓄冷箱壁面溫度變化圖

圖10 冷藏區(qū)溫度變化圖

3 結(jié)論

（1）相變材料與蒸發(fā)器耦合的蓄冷型車載冰箱能夠平穩(wěn)運行，且溫度穩(wěn)定。

（2）相變材料相變溫度與冷藏室溫度有一定的差值，設(shè)計時需考慮。

（3）相變材料蓄冷車載冰箱有較長的保冷性能，增加了其實用性。