陈开松 高冬花

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

节能一直是国家政策、冰箱企业和消费者关注和追求的目标，从发达国家到发展中国家，对电冰箱能效要求不断提高。2019年中国家电技术大会上提出了中国家用电冰箱研发路线图，主要包括节能、低碳环保、产品结构升级、保鲜健康与新材料等,其中节能具体要求为冰箱整机到2025年电冰箱能效水平较2019年提高25 %；2030年较2025年再提高25 %。

当前，风冷冰箱节能技术研究的一个重点方向为翅片蒸发器高效换热技术。翅片蒸发器换热提效的方向主要包括翅片蒸发器结构设计、翅片与管道表面的涂层设计及化霜控制逻辑设计等。翅片蒸发器结构设计方案由顺排、斜插到当前的扭角拉胀，单体性能方面基本上达到了最高状态，故高效翅片蒸发器的设计基本达到了一个瓶颈阶段。翅片蒸发器的涂层应用研究方面，主要为亲水涂层与疏水涂层用的比较广泛，实际对冰箱节能有一定的效果，但总体而言效果不是很理想，有进一步优化的空间。化霜控制逻辑设计主要包括化霜退出温度降低、滴水时间缩短、化霜加热器间断加热或变功率化霜控制等，可靠性需要进一步验证。

基于以上存在的问题，需设计出一种新型高效翅片蒸发器，确保翅片蒸发器换热量进一步提升，达到冰箱中整机化霜能耗进一步降低的设计目标。

1 具体方案

应用具有换热量提升的石墨烯涂层翅片蒸发器于一款三门风冷冰箱中，从整机性能验证角度出发，确保达到整机耗电量降低的目标要求。

1.1 蒸发器涂层选择

冰箱用翅片蒸发器，行业中主要为亲水涂层与疏水涂层两种[1]。其中，亲水涂层的材料主要功能为确保化霜水可以在翅片蒸发器的翅片与管道表面上均匀涂覆，霜层或霜与冰层厚度比较一致，换热也就会比较均匀，如图1所示，从图中的镜片表面的水分布来看，水与接触表面接触度非常大，接触比较充分。翅片蒸发器表面用亲水材料，可以确保化霜水与翅片蒸发器的翅片、与管道表面均匀接触，所形成的霜层或冰层厚度更加均匀。此种亲水性材料的应用更适合冰箱整机运行过程中的翅片蒸发器换热性能的提升。

关于疏水性材料，可以确保在化霜过程中形成的水可以快速脱离翅片蒸发器的表面，缩短化霜时间，降低化霜能耗。如图2所示，该图显现了采用疏水性材料后的水与接触面的接触现状，接触面较小，水在重力作用下可以直接流走。关于翅片蒸发器表面用疏水材料，可以确保化霜水在化霜过程以及化霜结束后可以快速脱离翅片与管道，达到缩短滴水时间的目标。

与翅片蒸发器的翅片与管道表面不接触或少接触，此种疏水性材料的应用更适合冰箱整机化霜过程中的翅片蒸发器化霜水快速排出的设计要求。

基于以上分析需要寻找一种材料，可以应用于翅片蒸发器的翅片与管道表面，达到提升制冷期间的换热量以及缩短化霜期间滴水时间的目标。本文提出的石墨烯涂料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，导热性能优良，故应用较为广泛。本项目在蒸发器表面（包括蒸发器管道、翅片等）采用喷涂方式涂覆石墨烯材料涂层，厚度25 μm（该种石墨烯涂层厚度设计前期做过对比研究，采用喷涂石墨烯且厚度25 μm的效果较佳）。

1.2 石墨烯蒸发器与整机性能测试

1.2.1 石墨烯蒸发器性能测试

将上面所采用的技术方案设计出来的石墨烯蒸发器样件在换热器换热量测试设备[2]中进行单体性能对比测试，即原状态蒸发器与在原状态蒸发器上涂覆石墨烯材料的石墨烯蒸发器的换热量对比测试验证。

采用的换热器换热量测试设备主要由蒸发器管内侧的热水系统与管外侧的风循环系统两部分组成，其中蒸发器管内侧的热水系统主要包括恒温热水箱、水泵、水流量计以及蒸发器进、出口测温热电偶与连接管道等，管外侧的风循环系统主要包括风道、风流量计与风道进口侧温度热电偶等。相关实验设备装置见图3 ，翅片蒸发器置于此实验设备的风道中。

实验数据处理方面，翅片蒸发器管内侧的热水换热量与管外侧的风循环换热量的数值误差控制在5 %以内，重点记录管内侧热水的换热量，作为翅片蒸发器改进前后换热性能优劣的对比数据。

1.2.2 冰箱整机用石墨烯蒸发器性能测试

图1 亲水表面水的分布状态

图2 疏水表面水的分布状态

以一款风冷冰箱BCD-250W为研究载体（见图4），该载体为单循环制冷系统，仅具有一个蒸发器，其蒸发器型号与石墨烯蒸发器型号一致，只是石墨烯蒸发器是在蒸发器表面按照上面描述的设计与工艺方案，喷涂上一层石墨烯涂层。其他的与原样机一致。

在满足国家标准规定要求的型式实验室中，将冰箱载体样机按照测试标准要求摆放，内部布置测温铜质圆柱探头，采集各间室的平均温度。通过既定的温度采集、功率采集以及电能采集等装置，得出对应的整机耗电量。按照电冰箱相关的国家标准（GB 12021.2-2015）得出16 ℃与32 ℃环温下的稳态能耗、化霜能耗以及整机标准耗电量。通过对比分析两款不同蒸发器应用条件下的整机稳态耗电量与化霜能耗，得出该款改进后的石墨烯涂层蒸发器性能优劣对比数据，给出分析结果。

2 结果分析

2.1 翅片蒸发器换热量对比结果

本次采用喷涂方式的石墨烯涂层厚度为25 μm，样件见图5（b）。从图5（b）中可知，采用喷涂的涂覆方式，翅片蒸发器的翅片等不同部位涂覆的均匀性较好，依靠视觉的直观感受是黑色，石墨烯材料在该翅片蒸发器的管道、翅片以及管道与翅片之间的间隙上涂覆均比较均匀。依托石墨烯具有优良的导热性能，可以弥补当前工艺下的翅片蒸发器少部分翅片与管道接触不佳的问题，进一步提升翅片蒸发器单体的换热性能。

将BCD-250W冰箱用原状态的与涂覆石墨烯的蒸发器进行单体换热量对比验证测试，依托换热器换热量测试实验台，得到的换热量测试结果见表1所示。从表中可知，翅片蒸发器涂覆石墨烯涂层后，单体换热量较原状态提高约17.8 %，实现了翅片蒸发器换热量提升设计要求。

2.2 整机性能验证结果

图3 换热器换热量测试设备

图4 BCD-250W冰箱载体

图5 两种翅片蒸发器样件

表1 图5两种类型翅片蒸发器换热量数据

在以上所描述的测试工况下，以BCD-250W为研究载体，得出16 ℃与32 ℃环温下的稳态能耗、化霜能耗以及整机标准耗电量，详细结果见表2。就相关结果分别进行介绍：

1）稳态能耗方面

在32 ℃环温下，BCD-250W冰箱的稳态能耗由0.729 kWh/24 h变为0.727 kWh/24 h，降低约0.27 %，降低比率较小。

在16 ℃环温下，BCD-250W冰箱的稳态能耗由0.301 kWh/24 h变为0.3 kWh/24 h，降低约0.33 %，降低比率也较小。

综合以上16 ℃与32 ℃两种环温下的冰箱稳态对比来看，稳态耗电量降低比率较小，具有一定的节能效果，可能主要是因为石墨烯的加入弥补了蒸发器部分位置的接触不良，变相增大了换热面积，提升了换热效果。同时石墨烯具有较优的疏水性，霜化成水之后可以快速地离开蒸发器表面，蒸发器表面残存水量少，下一次化霜后残存的化霜水结冰就少，换热器换热性能得到进一步提升。

2）化霜能耗方面

在32 ℃环温下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.071 kWh/24 h变为0.059 kWh/24 h，降低约1.7 %。

在16 ℃环温下，BCD-250W冰箱的化霜能耗由0.039 kWh/24 h变为0.033 kWh/24 h，降低约1.5 %。

综合以上16 ℃与32 ℃两种环温下的冰箱化霜能耗对比来看，化霜能耗降低比率至少1.5 %，节能效果比较好，主要是因为石墨烯是优良的热导体，在实际的化霜过程中，当底部涂覆石墨烯的结霜管道开始化霜完成时，黑色的石墨烯具有更强的吸热与导热能力，可以更快地在管道与翅片之间传递热量，加速了石墨烯蒸发器的换热速度，进一步缩短了化霜时间，达到了化霜节能的设计目标。

3）整机标准耗电量方面

整机标准耗电量是根据GB 12021.2-2015的要求，依托16 ℃与32 ℃环温下的稳态与化霜能耗，加之特定的标准耗电量计算公式得出来的。标准耗电量从0.56 kWh/24 h降低为0.55 kWh/24 h，耗电量降低比率为1.78 %，达到了整机节能降耗的设计目标。

表2 整机耗电量对比结果

3 结论

依托翅片蒸发器换热量测试设备，对涂覆石墨烯蒸发器与原状态蒸发器进行单体换热量与整机性能对比验证。喷涂石墨烯蒸发器比原状态蒸发器的单体换热量提升15 %以上，应用于冰箱载体中，载体冰箱整机能耗同比降低至少1.5 %，重点是化霜能耗降低的贡献，故应用石墨烯涂层的翅片蒸发器达到节能效果是未来的一个研究方向。