冰箱制冷循環(huán)的節(jié)能分析

張宣樅 李建周 李弢

（1、中國質(zhì)量認(rèn)證中心上海分中心 上海 200135；2、合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601）

1 前言

隨著新的能耗標(biāo)準(zhǔn)GB12021.2-2008在2009年5月1日正式執(zhí)行，家用電冰箱行業(yè)以及類似制冷器具制造迎來了新的一輪能耗升級高峰，同時在上海廣州等大城市制定了相關(guān)地方法規(guī)節(jié)能產(chǎn)品的準(zhǔn)入制度，對制造廠提出了能耗升級的客觀硬性要求。根據(jù)已經(jīng)全面展開的國家財政補貼的家電下鄉(xiāng)計劃，要求進入農(nóng)村市場的冰箱產(chǎn)品能效等級要達到新版2級以上，而只有節(jié)能系數(shù)≦50%的冰箱才能稱之為節(jié)能冰箱，這樣就形成了全國城鄉(xiāng)市場齊步能效升級的局面。按照目前冰箱技術(shù)的發(fā)展，采用R600a制冷系統(tǒng)并改善發(fā)泡層密度和厚度以及使用強化換熱的立體蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)等技術(shù)，達到2級節(jié)能等級較為容易；現(xiàn)階段將節(jié)能系數(shù)進一步降低達到30%甚至更低就變得的尤為突出，而目前大部分技術(shù)研發(fā)還主要關(guān)注發(fā)泡層厚度或者加裝真空絕熱板以及使用高COP值的壓縮機上（目前節(jié)能冰箱使用的壓縮機COP值已經(jīng)達到2.0左右），受材料本身特性影響，發(fā)泡層厚度增加造成冰箱箱體重量增加以及容積率下降，高效壓縮機設(shè)計中增加的消音器和機殼內(nèi)降低吸氣焓降的裝置又讓運行存在不一致性的幾率增加。

本文首先回顧并對典型的冰箱制冷系統(tǒng)類型和特征進行分析，找出其中采用的節(jié)能措施和方法；然后分析增加了冷凝保壓技術(shù)的冰箱制冷系統(tǒng)。采以容積分別為186、206L兩款直冷冷藏冷凍箱產(chǎn)品設(shè)計為例，在循環(huán)回路中采用了冷凝保壓技術(shù)，冰箱熱負荷減少約12%，這兩款直冷冰箱樣機能耗實測值分別達到0.25kWh/24h和0.27kWh/24h。

2 典型制冷系統(tǒng)循環(huán)分析

目前家用冰箱制冷系統(tǒng)多數(shù)采用的為單級蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)流程圖為見圖1所示。

這種典型制冷系統(tǒng)為單路循環(huán)，依靠布置在冷藏室內(nèi)機械溫控裝置調(diào)節(jié)儲藏溫度，冷凍室或者類似間室粗藏溫度是依靠系統(tǒng)設(shè)計

壓縮機吸氣缸容積決定每次循環(huán)壓入系統(tǒng)的制冷劑蒸氣的量（容積流量v1或者質(zhì)量流量），受制冷劑類型影響，提高容積流量或者質(zhì)量流量要求提高焓差h1-h4和降低v1。在實際操作中，依據(jù)v1的參數(shù)是我們選擇制冷劑的參照。

通過對壓縮機理論比功分析得出降低冷凝壓力或者減少冷凝和蒸發(fā)的壓差可以實現(xiàn)。

由冷凝熱負荷qk=（h2-h2′）+（h2′-h3）以及qk=q0+w0關(guān)系，冷凝器采用強化換熱或者增大冷凝面積可以降低h2-h3，在系統(tǒng)設(shè)計的時候保證5℃左右的過冷度，減少毛細管節(jié)流后閃發(fā)蒸汽比例，增大毛細管流量。整體匹配減少制冷劑灌注量也可以實現(xiàn)減少冷凝器熱負荷的目的。

2.1 典型制冷系統(tǒng)循環(huán)模式

典型制冷循環(huán)能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)該類型循環(huán)的規(guī)律，本文所描述的幾種節(jié)能冰箱制冷循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展比較成熟，所以綜合分析下該類型制冷循環(huán)模式以及循環(huán)點，有助于我們找到解決問題的突破點。該類型制冷循環(huán)共同特點為：專注于單級典型蒸汽壓縮循環(huán)，降低能耗的根本是制冷功能的變化，比如多溫區(qū)室的轉(zhuǎn)換或者關(guān)停；使用高效壓縮機，提高蒸發(fā)溫度，降低冷凝壓力；加厚發(fā)泡層厚度以及加裝真空絕熱板等來將少箱體結(jié)構(gòu)的漏熱。

2.1.1 雙循環(huán)制冷系統(tǒng)

雙循環(huán)制冷系統(tǒng)引入一個分流電磁換向閥或者穩(wěn)態(tài)電磁閥，主要功能為實現(xiàn)冷藏或者冷凍功能從制冷循環(huán)中斷開，單個冷藏冷凍箱可以實現(xiàn)冷藏冷藏功能和單純冷藏或者單純冷凍功能，選擇控制的轉(zhuǎn)換簡單通過換向閥的開閉來實現(xiàn)。制冷劑流程圖可簡述為以下三種情況：

① 壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥→冷藏毛細管→冷藏蒸發(fā)器→冷凍蒸發(fā)器→壓縮機

②壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥→冷凍毛細管→冷凍蒸發(fā)器→壓縮機

③壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥→冷藏毛細管→冷藏蒸發(fā)器→壓縮機

分析：冷藏蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度tol由冷藏毛細管節(jié)流產(chǎn)生，冷凍蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度由冷凍毛細管節(jié)流產(chǎn)生，冷藏功能和冷凍功能的轉(zhuǎn)換所帶來的冷量負荷是不一樣的，單位容積制冷量qv下降，總的制冷劑加入量下降， 理論比功降低，壓縮機軸功率降低。

2.1.2 三循環(huán)制冷系統(tǒng)

三循環(huán)制冷系統(tǒng)中引入變溫室儲溫功能單元，可實現(xiàn)儲溫功能變溫功能轉(zhuǎn)換。三循環(huán)制冷系統(tǒng)引入兩個個分流電磁換向閥或者雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，主要功能為實現(xiàn)冷藏以及變溫功能從制冷循環(huán)中斷開，可以單獨實現(xiàn)冷凍功能以及冷藏冷凍功能匹配和變溫和冷凍功能匹配組合。選擇控制的轉(zhuǎn)換簡單通過換向閥組合的開閉換向接通變溫毛細管1、冷藏毛細管2、冷凍毛細管3來實現(xiàn)。制冷劑流程圖可簡述為以下三種情況：

第一種情況：電磁閥(Ⅱ)常閉關(guān)閉，電磁閥(Ⅰ)常閉關(guān)閉。

◆壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥組合→變溫室毛細管→變溫室蒸發(fā)器→冷凍室蒸發(fā)器→壓縮機

第二種情況：電磁閥(Ⅱ)常閉打開，電磁閥(Ⅰ)常閉關(guān)閉。

◆壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥組合→冷藏毛細管→冷藏蒸發(fā)器→冷凍蒸發(fā)器→壓縮機

第三種情況：電磁閥(Ⅱ)常閉打開，電磁閥(Ⅰ)常閉打開。

◆壓縮機→冷凝器+過濾裝置→換向閥組合→冷凍毛細管→冷凍蒸發(fā)器→壓縮機

分析：三循環(huán)制冷系統(tǒng)提供了多于雙循環(huán)制冷系統(tǒng)的儲藏溫度功能，引導(dǎo)高檔冰箱多樣化儲藏功能設(shè)計，控制方式由于引入了雙穩(wěn)態(tài)電磁閥結(jié)構(gòu)和主控程序控制面板方式，使得操作界面更容易人性化和智能化。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥結(jié)構(gòu)由主控程序的脈沖發(fā)生器發(fā)射脈沖實現(xiàn)通斷，基本無電能消耗。回氣管組成換熱器結(jié)構(gòu)需要依據(jù)不同節(jié)流方式的毛細管的匹配粘貼長度（換熱面積），可實現(xiàn)回氣換熱器末端多余過冷液態(tài)制冷劑換熱，滿足回氣管末端溫度高于環(huán)境相對濕度的露點溫度，避免回氣管末端裸露部分不凝露。

2.1.3 冷凝器保壓循環(huán)制冷系統(tǒng)

在2.1.1和2.1.2的分析中所涉及到得制冷循環(huán)均為經(jīng)典卡諾循環(huán)，制冷循環(huán)中由節(jié)流裝置產(chǎn)生的壓差保持蒸發(fā)壓力和冷凝壓力，在壓縮機由于控制器控溫要求下停機過程，蒸發(fā)器與冷凝器在壓縮機部位進行換熱。冷凝器保壓循環(huán)制冷系統(tǒng)是目前運用于186L能耗實測達到0.25kwh/24h（標(biāo)稱能耗為0.22kwh/24h）,為目前國內(nèi)單級蒸氣壓縮制冷中所能到達到的最低能耗冰箱。

表1 常規(guī)循環(huán)和冷凝保壓循環(huán)制冷系統(tǒng)部件熱損失比較

制冷系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)流程簡圖見圖5所示。

該系統(tǒng)將一泄壓毛細管并聯(lián)于冷凝器結(jié)構(gòu)流程，端口由單向閥和三通閥組成制冷劑換向控制器接入循環(huán)。由制冷劑循環(huán)流程簡圖可歸納出循環(huán)模式如下：

壓縮機開機工作狀態(tài)：脈沖單向閥打開

◆壓縮機→冷凝器+過濾裝置→脈沖單+三通閥→蒸發(fā)器毛細管→冷凍蒸發(fā)器→冷藏蒸發(fā)器→壓縮機

壓縮機停機工作狀態(tài)：脈沖單向閥斷開

◆冷凝器+過濾裝置反方向→泄壓毛細管→脈沖單+三通閥→冷凍蒸發(fā)器→冷藏蒸發(fā)器→壓力平衡

冷凝器保壓循環(huán)制冷系統(tǒng)和以上傳統(tǒng)循環(huán)比較，突破了在節(jié)能冰箱設(shè)計中單純依靠增加發(fā)泡層厚度改善導(dǎo)熱系數(shù)以及使用高效壓縮機提高系統(tǒng)COP值的做法。從圖6顯示，t2點位壓縮機停機點，從該時刻開始，系統(tǒng)高低壓區(qū)失去壓差動力，自動開始平衡，受到蒸發(fā)器低壓區(qū)影響，吸氣管溫度從t2時刻到t3時刻位于環(huán)境溫度t(25℃)以下，該部分冷量Q§由于不屬于有效制冷區(qū)域，屬于無效,同時由于回氣管與蒸發(fā)器末端相通，回氣管的溫度波動進一步影響蒸發(fā)器，直接結(jié)果就是造成蒸發(fā)器溫度快速回升。

圖7所示為采用冷凝保壓制冷循環(huán)后系統(tǒng)冷凝器開停機時刻高壓部分溫度分布曲線。從圖中可明顯看到冷凝器溫度在系統(tǒng)停機后依然保持在28℃到30℃之間，由于高于環(huán)境溫度（25℃），此期間依然可以與環(huán)境進行熱交換，吸氣管由于沒有了從低壓部分過來的低溫蒸氣交換熱從而溫度快速受壓縮機溫度影響而上升，該部分熱量為壓縮機有效散熱。高低壓部分由于截至閥的存在無法通過原回路平衡，只能從泄壓毛細管位置貫通氣，由于壓差存在會有以下兩種情況并存：

情況一：壓縮機停機后，冷凝器和蒸發(fā)器壓差通過泄壓毛細管形成旁路節(jié)流，蒸發(fā)器內(nèi)繼續(xù)獲取節(jié)流后制冷劑氣化潛熱；

情況二：在高低壓區(qū)通過泄壓毛細管的節(jié)流時間內(nèi)，冷凝器部分繼續(xù)保持高于環(huán)境溫度的狀態(tài)，與環(huán)境傳熱溫差依然存在，換熱保持動態(tài)進行。該段換熱為有效換熱。

分析一：常規(guī)蒸汽壓縮式電冰箱冷凝過程

靜態(tài)熱負荷為Q0；實際熱負荷為Q0+Qx；壓縮機消耗功P；

系統(tǒng)循環(huán)效率COP;

Qk=Q0+Qx+P。

假定系統(tǒng)循環(huán)效率為1.70，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算，Qx約為Qk的5%，則計算結(jié)果為:

Qx=Q0×0.09，即冰箱熱負荷增加約9%。

從圖7冷凝器溫度和吸氣管溫度分布曲線可知，壓縮機開機區(qū)間的無效吸熱量由于泄壓毛細管的節(jié)流作用維持高壓高溫狀態(tài)而再次利用，

靜態(tài)熱負荷為Q0；實際熱負荷為Q0-Qx1；壓縮機消耗功P；

Qk=Q0-Qx1+P

假定原系統(tǒng)循環(huán)效率為1.70，采用冷凝器保壓制冷循環(huán)的系統(tǒng)循環(huán)效率為1.75，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算，Qx約為Qk的8%，則計算結(jié)果為：

Qx1=Q0×0.12

即冰箱熱負荷減少約12%。

可知：采用冷凝保壓技術(shù)后系統(tǒng)節(jié)能效果提高為10%。

根據(jù)節(jié)能型冰箱經(jīng)常型試驗優(yōu)化結(jié)合軟件模擬所建立起來的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)輸入點為蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器進口中間和出口點溫度和溫差（高溫條件下，滿負荷運行），冷凝器的進口中間和出口點的溫度和溫差(工況條件同蒸發(fā)器工況)，蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度和傳熱溫差。節(jié)能型冰箱根據(jù)測試溫度點動態(tài)匹配要求如下：

蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度：在25℃環(huán)境溫度條件下，蒸發(fā)溫度在-26～28℃左右；冷凝器冷凝溫度：過濾器過冷度不小于8℃；冷凝終了溫度（過濾器溫度）:與環(huán)境溫差在8℃左右；壁面?zhèn)鳠釡夭睿罕诿鏈囟群妥顭酠包溫差不小于5℃。

3 結(jié)論

根據(jù)對目前傳統(tǒng)冰箱以及0.27℃節(jié)能冰箱的分析，我們得出一些結(jié)論：首先，完善制冷系統(tǒng)各個部件的設(shè)計按照節(jié)能參數(shù)原則進行優(yōu)化時非常有必要的，25℃環(huán)境溫度條件下蒸發(fā)溫度要求控制在-26℃～-28℃；過濾器的過冷度控制在8℃～10℃（設(shè)計冷凝溫度為40℃）；42℃環(huán)境條件下儲液罐（氣液分離器）盡量保證為干蒸汽狀態(tài)回壓縮機；壁面和最熱M包的傳熱溫差要大于5度；其次，充分利用停機階段的高低壓部分的壓差繼續(xù)轉(zhuǎn)化為制冷量，維持冷凝器部分的持續(xù)散熱，也是提高系統(tǒng)效率的有效途徑。

提升冰箱制冷系統(tǒng)的節(jié)能水平不是單純的依靠制冷系統(tǒng)來實現(xiàn)的，是需要包括保溫層設(shè)計，壓縮機工況實際運行數(shù)據(jù)修正，以及結(jié)構(gòu)漏熱處理來綜合實現(xiàn)的。節(jié)能設(shè)計從一開始就需要統(tǒng)籌全面，抓住細節(jié)，分析熱損失的主要方面。

[1]林超光，陳則韶等。冰箱毛細管內(nèi)流動特性的研究[J]，流體機械,2000年，（10），第28卷

[2]周國兵，絕熱毛細管制冷劑流動特性及與系統(tǒng)匹配研究，碩士論文。天津，天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2004年

[3]李建周.一種變溫儲藏制冷系統(tǒng).實用新型專利，專利號：ZL 2004 20010656。

[4]陳群，徐明仿，晏剛.變工況下冰箱新型節(jié)能循環(huán)的設(shè)計[J].家電科技，2003，(7)：37～39

[5]胡曉宗，魏邦福，陳濤，辛海亞 冷凝器保壓節(jié)能性冰箱制冷系統(tǒng)，發(fā)明專利 專利號：CN 2548089,2003-04-30.

[6]姜彩玲，家用冰箱新型循環(huán)的理論研究，碩士論文。太原，太原理工大學(xué)，2002年

[7]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).家用制冷器具，冷藏箱.GB8059.1-95，1995

[8]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).家用制冷器具、家用冷藏冷凍箱.GB8059.2-95，1995

[9]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).家用制冷器具，冷凍箱.GB8059.3-95，1995

[10]李建周，冰箱冷凝器壓力緩釋技術(shù)的實驗研究和節(jié)能技術(shù)分析［D］，[碩士學(xué)位論文]，南京，東南大學(xué)，2011年9月

[11]谷波，李文華.制冷空調(diào)系統(tǒng)毛細管和壓縮機流量匹配研究[J].流體機械，1999，27(11)：43～46