耦合雙循環冰箱運行參數與耗電量實驗研究

(1 浙江大學制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027； 2 杭州華日家電有限公司 杭州 311411)

隨著經濟的快速發展，冰箱早已成為人們生活中不可或缺的電器，而冰箱的耗電量在居民用電中的占比超過10%[1-2]，因此提高冰箱性能、減少冰箱能耗對緩解當前能源危機具有重要意義。

許多學者在傳統冰箱系統的基礎上提出了一些更加高效的改進型系統。1975年，A. Lorenz等[3]將R22/R11混合制冷劑用于串聯蒸發器系統，利用混合工質兩相區的溫度滑移特性，減小傳熱過程的不可逆損失，使系統性能提升20%。目前研究較多的冰箱用混合制冷劑為R290/R600a混合物[4-7]。Lu Zhili等[8-10]提出一種蒸發器交替工作的旁通雙循環系統，研究表明該系統比傳統串聯蒸發器系統節能13%。張成全等[11]利用微通道冷凝器使冰箱耗電量降低2.6%。Liu Xiaoqin等[12-15]將噴射器用于冰箱系統以減小節流過程的不可逆損失，研究表明噴射器的引入能使系統性能提高10%以上。A. C. Marques等[16-17]從冰箱的實際運行過程入手，提出將相變材料用于冰箱系統來減小壓縮機的啟停頻率，結果表明改進后的系統可比原系統節能8%。

唐黎明等[18-21]將冷變換器原理運用于雙壓縮機雙循環系統，提出了耦合雙循環系統。通過理論及穩態實驗研究，證明該系統具有較大的節能潛力。此后，又通過一種新的控制策略，使該系統能更好地適應實際冰箱的運行過程。雖然新的控制策略可使冰箱盡可能的耦合運行，但在實際工作過程中，仍會出現冷藏循環單獨運行、冷凍循環單獨運行和循環耦合運行3種不同的狀態。耦合運行給系統帶來的影響及實際冰箱的耗電量情況在之前研究中均未涉及。

本研究在傳統BCD-580冰箱的基礎上搭建了耦合雙循環冰箱樣機。通過實驗研究了樣機在不同工作狀態下系統運行參數的變化，同時測試了樣機的耗電量，并與現有產品進行了對比。

1 耦合雙循環冰箱的基本原理

圖1所示為耦合雙循環冰箱的系統原理。該系統在傳統雙循環系統的基礎上，引入一個耦合過冷器，將冷藏循環的一部分制冷量用于對冷凍循環冷凝器出口的制冷劑進行過冷，實現了兩個系統的能量耦合。

圖1 耦合雙循環冰箱系統原理Fig.1 The principle of coupled dual-loop refrigerator system

圖2 耦合雙循環冰箱系統p-h圖Fig.2 p-h diagram of coupled dual-loop refrigerator system

2 樣機及實驗裝置

本研究所用的樣機在BCD-580冰箱的基礎上改造完成?？紤]到今后冰箱的產品化及能夠與現有冰箱效果進行對比，樣機的設計完全參照國家標準GB/T 8059.2—1995進行[22]。設計完成的樣機結構如圖3所示。制冷系統由冷藏循環和冷凍循環構成，冷藏循環和冷凍循環均采用R600a作為制冷劑，保溫材料采用硬質聚氨酯。

根據不同的設計需求，本文共搭建兩臺冰箱樣機，記為樣機Ⅰ和樣機Ⅱ。樣機Ⅰ的設計主要考慮到系統的穩定運行，且要求運行過程中的各項參數基本合理。樣機Ⅱ是在樣機Ⅰ的基礎上進行改造優化，通過將獨立冷凝器的形式從旋翅式改為微通道式，同時縮短毛細管長度來減少制冷劑充注量，降低冷凝壓力。此外，樣機Ⅱ還選用了效率更高的壓縮機來提升系統綜合性能。表1所示為兩臺樣機的具體部件參數。

冰箱樣機的實驗測試在電冰箱有限公司的冰箱性能實驗室完成，實驗室可實現環境溫、濕度和氣流組織的控制和調節。測試過程按照冰箱測試相關國家標準完成[22]。若無特殊說明，實驗時的環境溫度為25 ℃，相對濕度為70%。

實驗中使用的測量和數據采集裝置包括：1)溫度測量裝置選用T型熱電偶，由標準鉑電阻標定，精度為±0.5 ℃；2)壓力測量裝置選用PTX5072壓力變送器，量程為0～1 MPa，精度為0.2 % FS；3)功率測量裝置選用HB404P智能功率表，精度等級為0.5級；4)數據采集采用安捷倫34970A數據采集器，溫度信號、壓力信號、功率信號均轉換成直流電壓信號輸入采集器并輸出在計算機端。

T溫度測點；P壓力測點。圖3 冰箱樣機結構Fig.3 Structure of the refrigerator/freezer prototype

參數壓縮機型號冷凝器形式蒸發器形式毛細管長度/mm毛細管內徑/mm充注量/g樣機Ⅰ冷藏循環MH1060Y鍍鋅管壁式+旋翅式翅片管式2 9400.6545冷凍循環NX1112Y3 25090樣機Ⅱ冷藏循環ND1070Y鍍鋅管壁式+微通道翅片管式2 5000.6555冷凍循環ND1112Y3 00060

3 運行參數實驗

為獲得不同工作狀態下系統的運行參數，設計了順序為冷凍循環獨立運行、耦合運行、冷藏循環獨立運行的開停機過程。文中出現的飽和狀態參數均通過REFPROP v9.0獲得。

3.1 冷凝蒸發壓力分析

圖4所示為樣機Ⅰ冷藏循環的冷凝、蒸發壓力隨時間的變化。由于樣機Ⅱ冷藏循環的壓力變化趨勢與樣機Ⅰ幾乎相同，因此此處沒有給出其壓力變化曲線。圖4～圖10中，運行參數曲線下方的功率曲線用于辨別系統的運行狀態，即冷藏單獨運行、冷凍單獨運行及耦合運行。

由圖4可知，系統耦合運行時，冷藏循環的冷凝、蒸發壓力均高于系統獨立運行時，原因是耦合過冷器的工作增大了冷藏系統的蒸發負荷，導致冷藏蒸發壓力升高[23]，系統流量增大，冷凝負荷增大，最終引起冷凝壓力的增大。

圖5所示為樣機Ⅰ和樣機Ⅱ冷凍循環壓力隨時間的變化。由圖5可知，在耦合運行和獨立運行兩種狀態下，樣機Ⅰ冷凍循環的冷凝壓力略有下降，而蒸發壓力幾乎不變；樣機Ⅱ的蒸發壓力也幾乎不變，但樣機Ⅱ的冷凝壓力在耦合運行后突然下降，降幅超過160 kPa，偏離了設計工況。冷凝壓力的降低表面上可以減小壓比，降低冷凍循環的功耗，但事實上，壓力的降低對系統整體性能的影響是不利的，具體原因會在后文中結合溫度參數進行說明。

圖4 樣機Ⅰ冷藏循環冷凝、蒸發壓力隨時間的變化Fig.4 Variation of condensing and evaporating pressure of refrigerator(Prototype I) with time

圖5 樣機冷凍循環冷凝、蒸發壓力隨時間的變化Fig.5 Variation of condensing and evaporating pressure of freezer with time

兩臺樣機冷凍循環的冷凝壓力在兩種運行狀態下的變化規律不同，這是因系統結構不同導致。過冷需要在遠離冷凝過程相變界面處進行[24]，若過冷靠近相變界面將引起冷凝壓力的降低。樣機Ⅱ在設計過程中縮短了毛細管長度，減少了制冷劑充注量，這導致冷凍循環冷凝器出口的過冷度減小，過冷靠近相變界面。當系統中產生一定擾動界面移動到過冷段時，系統就會出現冷凝壓力降低的現象。

3.2 冷凝過程溫度分析

圖6所示為樣機 Ⅰ和樣機 Ⅱ在不同運行狀態下冷凝器出口溫度隨時間的變化。實驗數據如表2所示。

圖6 樣機冷凝器出口溫度隨時間的變化Fig.6 Variation of condenser outlet temperature of prototype with time

樣機Ⅰ冷藏循環在耦合運行時，冷凝器出口溫度升高，這與之前描述的壓力變化相匹配，主要由于冷凝負荷增大導致。而冷凍循環在過冷運行后，由于節流后制冷劑干度減小，導致蒸發器中制冷劑平均密度變大，蒸發器需液量增大，冷凝器中的過冷段液體減少，過冷度下降，冷凝器出口溫度升高。

樣機Ⅱ的冷藏循環溫度變化與樣機Ⅰ類似，但樣機Ⅱ冷凍循環冷凝器出口溫度有約10 ℃的過熱度，說明冷凍冷凝器并未起到冷凝的作用。這是由于冷凍循環的冷凝壓力在耦合運行時大幅度降低所致。由圖6可知，在耦合運行后冷凍循環冷凝壓力低于300 kPa，此壓力對應的飽和溫度低于環境溫度。此時冷凝器的作用只是將制冷劑溫度降至環境溫度，不能起到冷凝的作用。實際的冷凝過程靠消耗大量冷藏循環的制冷量來實現。該現象使系統從設計的過冷循環轉變為復疊循環，而復疊循環的整體效率低于過冷循環，因此，此處的壓力降低不利于系統的整體性能。

表2 樣機冷凝過程溫度參數Tab.2 Temperature parameters of condensing process

注：Tcond,sat表示冷凝壓力對應的飽和溫度，ΔTsc表示冷凝器出口過冷度。

3.3 蒸發過程溫度分析

樣機Ⅰ和樣機Ⅱ不同運行狀態下蒸發器進出口溫度隨時間的變化如圖7所示，Tevap,in和Tevap,out分別表示蒸發器進、出口溫度。具體實驗數據如表3所示。

表3 樣機蒸發過程溫度參數Tab.3 Temperature parameters of evaporating process

注：Tevap,sat表示蒸發壓力對應的飽和溫度，ΔTin&out表示蒸發器進出口溫差，ΔTsh表示蒸發器出口過熱度。

圖7 樣機蒸發器進出口溫度隨時間的變化Fig.7 Variation of evaporator inlet and outlet temperature of prototype with time

對比圖7(a)和圖7(b)可知，冷藏蒸發器的進出口溫度在由耦合運行變為獨立運行過程中有明顯的下降，這與前文中所描述的壓力變化規律一致。由圖7可知，樣機Ⅰ冷凍蒸發器的進出口溫度在耦合運行后有一定的下降，其原因也與負荷相關。即當系統耦合運行后，冷凍循環的制冷量增大，但由于間室溫度不變，此時的冷凍負荷不變，因此系統將通過降低蒸發溫度來減小制冷量，使其與負荷相匹配。樣機Ⅱ的冷凍蒸發器進出口溫度變化較為紊亂，由獨立運行變為耦合運行時，蒸發器進口溫度突然上升，原因是過冷后，毛細管中液體段增加，流動阻力下降，流量增大導致。此后進口溫度逐漸下降。

4 耗電量實驗

考慮到標準耗電量實驗耗時較長，操作較為繁瑣，本文首先對兩臺樣機進行了非標準耗電量實驗，然后選取其中一臺性能較為出色的樣機進行標準耗電量實驗。

4.1 非標準條件實驗

非標準條件實驗時，控制環境溫度為25 ℃，冷藏室和冷凍室設定溫度分別為5 ℃和-18 ℃。統計樣機在一個化霜周期內的耗電量，然后將其轉化為24小時耗電量進行對比。圖8所示為樣機在一個化霜周期內的運行曲線。

圖8 一個化霜周期內樣機的運行曲線Fig.8 Operating curve of the prototype in a deforest period

兩臺樣機非標準條件下耗電量統計結果如表4所示?？芍獦訖CⅡ的耗電量相比樣機Ⅰ大幅減少，這是對樣機進行優化的結果。通過分別對比兩臺樣機冷凍和冷藏循環的耗電量，可知樣機Ⅰ冷藏循環耗電量低于樣機Ⅱ，原因是樣機Ⅱ在耦合運行過程中出現的壓力降低導致，該變化導致冷藏循環制冷量的大量浪費，樣機Ⅱ冷藏壓縮機開機時間增加。而樣機Ⅱ的冷凍循環耗電量相比樣機Ⅰ大幅減少，原因是減小系統高壓側容積減少制冷劑充注量，從而減小了壓縮機功耗，同時耦合運行時冷凝壓力的大幅下降也有一定的影響，但這種影響不利于系統的綜合性能，在后期改進中應避免。

表4 樣機耗電量測試結果Tab.4 The results of energy-consumption test

4.2 標準條件實驗

非標準條件下的實驗說明樣機Ⅱ的性能優于樣機Ⅰ，因此對樣機Ⅱ按照冷藏冷凍箱耗電量國家標準進行了耗電量實驗[22]。實驗中，首先完成一次強制化霜過程，然后經過兩次壓縮機啟停，進入73 h的耗電量測試過程。

實驗得到樣機Ⅱ的標準耗電量為1.15 kW·h/24 h。而改造前，該BCD-580冰箱的標準耗電量為1.57 kW·h/24 h，考慮到樣機選用了性能較好的壓縮機(樣機Ⅱ壓縮機COP≈1.96，而原產品壓縮機COP=1.73)以及壓縮機小型化帶來的性能下降(制冷量減少50%，COP下降約10%[16])，本文將原產品壓縮機COP用2.18進行折算，此時的耗電量約為1.25 kW·h/24 h，樣機Ⅱ節能約8%，耦合運行時冷凝壓力的降低一定程度上限制了樣機Ⅱ節能潛力的發揮。

5 結論

本文實驗研究了兩臺耦合雙循環冰箱樣機的運行參數,同時在標準條件下測量了其中一臺冰箱的耗電量，并與市場上現有冰箱進行對比，得到如下結論：

1)在耦合運行狀態下，冷藏循環相比獨立運行時具有更高的冷凝、蒸發壓力，冷凝蒸發溫度也更高。冷凍循環在耦合運行后，冷凝壓力降低，冷凝器出口過冷度減小，當系統在獨立運行時過冷度較小的情況下，耦合運行將導致冷凝壓力大幅降低。冷凝和過冷均在過冷器中發生，不能充分發揮系統節能潛力。

2)非標準條件下的耗電量實驗表明：經過優化，樣機Ⅱ比樣機Ⅰ節能16%。在標準條件下，測得樣機Ⅱ的日耗電量為1.15 kW·h，比改造前的系統節能8%，證明耦合雙循環冰箱具有一定的節能潛力。

因當前冰箱節能效果一定程度上受冷凝壓力降低的影響，下一步研究需在穩定運行參數的前提下優化系統，進一步提升冰箱的性能。

符號說明

p——壓力，kPa

P——功率，W

T——溫度，℃

E——耗電量，kW·h/24 h

下標

cond——冷凝

evap——蒸發

R——冷藏循環

F——冷凍循環

in——進口

out——出口

sc——過冷

sh——過熱

sat——飽和

ext——環境