電冰箱制冷系統優化設計探析

　　1前言

　　電冰箱發展速度很快,我國電冰箱的產量由1991年的470萬臺增加到2001年的1349萬臺,平均年增長11.1%[1]。而電冰箱的耗電量占家用電器總耗電量的32%[2],所以,節能降耗和環保是電冰箱研發工作的重要課題,而蒸發器和冷凝器的傳熱能力、軟冷凍及變溫技術優化設計則是關鍵因素。

　　2蒸發器的優化設計

　　研制采取了以下措施。第一,減小冷藏、冷凍兩蒸發器的面積比差值,在總面積一定情況下,盡量加大冷藏室蒸發器的面積,采用大內徑蒸發管、增加蒸發管長度及雙管并行排列結構等,保證在低溫或高溫環境下有z*佳的開停比,從而保證在一定環境溫度下耗電z*少。第二,設計高效蒸發器。冷凍室蒸發器是由從上到下依次排列多個換熱層片和連接所有換熱層片的連接管組成的復合立體式結構[3],換熱層片由多個并列S型制冷盤管構成,且在其盤管壁外側固定套裝翅片,大大增加了制冷盤管與空氣間接觸面積,如圖1示。該蒸發器在不改變電冰箱結構情況下,大幅度增加冷凍室蒸發面積,增加冷凍室頂部和低部兩個高溫區制冷量,使其快速達到規定要求,縮短壓縮機工作時間,大幅降低能耗。冷藏室采用導熱粘接膠膜將壓扁銅管緊緊粘在傳熱鋁板上,并通過高粘合雙面膠粘貼在冷藏室內膽上,增強傳熱效果。第三,合理安排蒸發器位置和制冷劑走向。據箱內自然對流情況,制冷劑流向采用逆流式換熱,毛細管和回氣管采用較長的并行錫焊或熱塑工藝等,以提高換熱效果。第四,通過理論計算和試驗相結合方法,合理匹配蒸發器與冷凝器的傳熱面積,努力減小冰箱工作系數,避免過低蒸發壓力和過高冷凝壓力,達節能目的。

　　3冷凝器優化設計

　　在優化冷凝器設計中除合理增大冷凝面積外,還應充分考慮以下幾點:

　　3.1設計橫、豎盤管混排結構冷凝器:在冷凝器內為制冷劑氣液兩相狀態,分析冷凝器中制冷劑流態變化和內、外部換熱條件,橫排管冷凝器的換熱系數比豎排管冷凝器增加3倍以上,為加強流體擾動,破壞流動邊界層,采用橫、豎盤管相結合走向的冷凝器將會提高冷凝器換熱效果,同時也可降低制冷劑流動噪聲。

　　3.2絲管式冷凝器代替百葉窗式冷凝器:在其它條件不變情況下,絲管式冷凝器傳熱性能好,對應的制冷循環效率提高,能耗減小。

　　3.3改內藏式冷凝器為外掛式:外掛式冷凝器散熱條件比內藏式冷凝器好得多,對降低冷凝溫度和過冷溫度十分有利,可有效節能降耗。

　　3.4防凝露管節能設計:從壓縮機排氣管至干燥過濾器出口整個高壓區域皆為冷凝器負荷對應區域,包括制冷劑蒸汽的冷卻、冷凝及再冷(過冷)三個過程,對應設備包括付冷凝器、主冷凝器及門邊防露管。由于排氣溫度的不同,采用不同制冷劑時管路布置也不相同。項目研制中采用制冷劑R600a,由于采用R600a使壓縮機排氣溫度降低,約55℃左右,故將壓縮機排出的高壓氣體先進門邊防露管,再進主、副冷凝器,這樣即使條件變化,門邊防露管末端對應溫度也高于z*高環境溫度,既可保證加熱門框、提高防露效果,同時,在管路布置時盡量使防露管遠離箱體內腔,又可減小熱量向箱內傳遞,實現節能之目的,系統圖如圖2示。

　　4軟冷凍及變溫技術設計

　　過高的環境溫度或過低的箱內溫度對電冰箱的能耗均有直接影響。環境溫度過高,冷凝器散熱受到影響,而冰箱內溫度過低,一方面增加傳熱溫差,另一方面需較低的蒸發溫度從而降低制冷系統循環效率,甚至延長壓縮機開機時間,造成能耗上升。過低的、不必要的冷凍室溫度設計會加劇冰箱能耗上升。為滿足消費者需要,又使冰箱降耗節能,軟冷凍及變溫設計就顯得十分重要。

　　目前,傳統冰箱的兩個溫區,R室5℃,F室為-18℃,而且F室相對較大。將F室劃分兩區域,其一溫度仍保持-18℃,其二溫度為-10℃。F室內凍結物很難在短時間內用刀進行切削處理,在食用前必須解凍,此舉一耗費時間,二造成營養成分流失。將F室分離出一個-10℃溫區,既可使魚、肉等食品在-7～-10℃低溫下凍結,又能達到短時間內用刀進行切削處理的目的,同時,據使用冰箱需要,也可將此溫區溫度設定為R室溫度5℃或F室溫度-18℃,甚至關閉。此即所謂軟冷凍及變溫技術。

　　圖2為軟冷凍及變溫技術設計制冷系統示意圖[4]。從圖中可以看出制冷劑經壓縮機壓縮,在冷凝器中冷凝后流經干燥過濾器和毛細管,系統分為兩個支路。支路一:制冷劑經變溫室蒸發器、冷凍室蒸發器、冷藏室蒸發器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環回路。支路二:制冷劑經雙穩態電磁閥1、冷凍室蒸發器、冷藏室蒸發器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環回路。

　　在結構設計中,電冰箱由上而下分為冷凍室、變溫室和冷藏室(變溫室由冷凍室按1:1分割形成),各間室都有相對獨立的蒸發器。變溫室蒸發器設計時較大,滿足變溫室作為三星冷凍室的匹配。而該間室作為其他功能間室(如冷藏、軟冷凍等)使用時,可以通過設在變溫室的溫度傳感器將溫度信號送至電冰箱的控制裝置中,控制裝置據溫度設定值對雙穩態電磁閥的通路進行切換實現。當電冰箱啟動運行時,電磁閥1、2處于通電狀態,系統按照支路二形成的循環回路運行,同時變溫室的溫度傳感器檢測變溫室的溫度。變溫室溫度若在變溫室的設定溫度范圍內,系統按照支路二形成的循環回路繼續運行。若檢測到溫度高于變溫室設定值上限,電冰箱的控制裝置使雙穩態電磁閥1處于斷電狀態,而雙穩態電磁閥2仍通電,系統按照支路一形成的循環回路運行,直到溫度傳感器感應到溫度低于變溫室的溫度設定值下限時,雙穩態電磁閥1執行通電操作,而雙穩態電磁閥2斷電,系統又按支路二循環回路運行。此時冷凍室和冷藏室溫度繼續下降,直到冷藏室溫度達到標準后,壓縮機停機,系統如此往復循環。這種設計,控制壓縮機啟停的是冷藏室溫度,而變溫室溫度的設定及變化僅控制雙穩態電磁閥的通斷,以切換制冷劑流向,并不直接控制壓縮機的運行,故可較好解決雙路循環系統存在的頻繁開、停機現象,既使壓縮機及其附件壽命延長,又減少啟動功率,耗電量也隨之降低。

　　需要指出,變溫室蒸發器按三星級冷凍室要求(-18℃)與冷凍、冷藏室蒸發器匹配,制冷劑充注量也按變溫室為冷凍室制冷能力充注,這樣一來,通過溫度設定控制雙穩態電磁閥以切換制冷劑流向,可將變溫室按冷凍室或軟冷凍(-7～-10℃)或冷藏室使用,也可關閉,與同樣大小固定冷凍室容積的電冰箱相比,此變溫技術既滿足消費者對冰箱溫區的多方需求,又節能降耗。表1為能耗實測數據,可以看出,單獨調高變溫室溫度(將變溫室作為軟冷凍室或冷藏室)可以節能,單獨關閉變溫室更加節能。

　　5制冷系統優化匹配及管路走向節能設計

　　5.1制冷系統優化匹配

　　項目綜合考慮箱體熱負荷、系統制冷量、壓縮機效率、電冰箱工作周期等相關參數,使之達z*佳匹配狀態。

　　5.1.1設計中的氣候類型應與使用地區的氣候匹配,否則耗電增加,甚至出現不停機現象,同時,根據產品的氣候類型(項目研制中設計為亞熱帶型)確定冷凍室、冷藏室的熱負荷匹配關系。在產品設計和樣機試驗中,反復調節系統回路各有關參數,使冷凍、冷藏室之間以及蒸發器與冷凝器之間,壓縮機排氣量與蒸發器蒸發能力之間以及毛細管節流與蒸發溫度之間達到z*佳的節能匹配關系。表2是調整過程必須控制的系統關鍵狀態點和相應的調整措施[5]。

　　5.1.2在設計冰箱系統時,工作時間系數的選配非常重要。壓縮機工作時間太短,啟動頻繁,則因啟動功率大,會帶來能耗的升高;如果工作時間太長,壓縮機總是工作在較低蒸發溫度狀態,則壓縮機工作效率太低,能耗也將上升。在選配壓縮機時,應滿足冰箱z*大熱負荷要求,在滿足負荷要求下盡可能選用較小型號的壓縮機。項目研制中選用高效壓縮機,功率90W,經測定,冰箱工作時間系數適當,能耗較少,見表1。

　　5.1.3制冷系統的優化匹配也包括制冷系統中制冷劑量的匹配,制冷劑量偏多或偏少都會影響制冷系統制冷效果,造成耗電增加。因此,系統的性能在其結構決定后,還必須對它的制冷劑量進行匹配試驗。項目研制中采取與普通電冰箱不同的充注量試驗,同時使用高精度充注系統確保z*佳充注量,使系統在高效下進行工作,達到節能降耗目的。

　　5.1.4改進節流系統,正確選擇毛細管長度和管徑以確定z*佳毛細管流量是重要問題,與蒸發器的優化匹配、與冷凝器的優化匹配是緊密相關的。若毛細管長度較長或管徑較小,節流時產生較大的壓差,制冷劑流量小,蒸發溫度低,壓縮機排氣量小,使制冷系統制冷能力減小。在設計中z*初的理論計算往往只具指導意義,必須經多次試驗調試才能確定。項目在調試過程中,將制冷系統各主要部件的主要狀態參數點處分布感溫電偶,在壓縮機高、低壓端安裝壓力表,通過各種工況的試驗曲線及試驗數據,借助壓焓圖,尋找優化制冷循環工況,確定z*佳的流量和充注量。

　　5.2制冷系統管路走向節能設計

　　5.2.1防凝露管節能設計,文中3.4已介紹。

　　5.2.2回氣換熱器節能設計。采用環保型制冷劑如R600a、R134a等與R12一樣,在系統中設置回氣換熱器,采用回熱循環是提高制冷系數和單位容積制冷量的有效措施。

　　從以下三個方面對換熱效率進行了強化:(1)毛細管與回氣管中的制冷劑采用逆流換熱;(2)毛細管和回氣管采用并行錫焊(或熱塑工藝)的方式;(3)盡可能增加毛細管與回氣管的錫焊長度使之z*終換熱效率達到98%,這樣可明顯提高系統制冷量。

　　5.2.3兩大換熱設備(蒸發器和冷凝器)中制冷劑管道的合理布置。兩大換熱設備換熱能力的提高對提高系統制冷量,降低能耗十分重要,而換熱能力的提高與其中制冷劑管道的合理布置緊密相關。項目研制中,冷藏室蒸發器雙排并行盤管緊貼于內膽之上,冷凍室蒸發器采用分層立體結構。冷凝器設計為橫、豎盤管混排結構,并采用外掛式。通過這些措施,大大增強了蒸發器與冷凝器的換熱能力,經實測,電冰箱z*大負荷時日耗電僅0.39度,而在節能狀態下耗電在0.35度以下。

　　5.2.4在制冷系統管路走向節能設計中注意降低冰箱噪聲,保證冰箱在節能的同時將噪聲控制在合理范圍內。

　　6結語

　　通過改進換熱器結構,采用多層排列的復合立體式蒸發器設計,改單一的豎排管排列為橫、豎混合排列的絲管式外掛冷凝器,借助于電冰箱壓縮機、冷凝器、蒸發器及毛細管的優化匹配,并且借助于制冷劑管路走向節能設計等措施,通過變溫控制技術的優化設計,研制的BCD-186CHS直冷電冰箱z*大負荷時日耗電0.39度,而在節能狀態下耗電在0.35度以下,z*低達0.31度。與同樣大小固定冷凍室容積的直冷電冰箱相比,項目研制的電冰箱,既滿足消費者對溫區的多方需求,又顯著節能降耗。