系統(tǒng)保壓閥在冰箱中的應用

施紅玉 王紅娟 曾理 孫文靜 金錫魯

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

1.1 技術背景

目前家用冰箱通常采用單級蒸氣壓縮系統(tǒng)進行制冷，比較成熟的節(jié)能技術主要有提升壓縮機效率，改善保溫效果，系統(tǒng)匹配等[1]。隨著全球能效標準升級，這些較為成熟的節(jié)能技術已逐漸趨于瓶頸，在前往極致節(jié)能的道路上，需要不斷提出新的節(jié)能技術，本文重點研究在冰箱制冷循環(huán)中增加冷凝器保壓技術[2]。

1.2 節(jié)能原理

冰箱制冷過程，壓縮機周期開停。制冷階段，蒸氣壓縮制冷循環(huán)的蒸發(fā)過程和冷凝過程建立在壓縮機閥片內(nèi)外的壓差持續(xù)保持條件下，冷凝側(cè)高壓高溫，向環(huán)境側(cè)散熱自身液化；另一側(cè)低壓蒸發(fā)，從冰箱間室內(nèi)吸熱，從而實現(xiàn)對冰箱制冷降溫，此循環(huán)過程，熱量等式表示為[3]：

其中：Qk為冷凝器散熱量，Qo為蒸發(fā)器制冷量，W為壓縮機輸入功率。

當冰箱溫度降低至停機溫度，壓縮機停止工作，若無保壓閥，系統(tǒng)無法維持冷凝器和蒸發(fā)器之間特定的壓差，通過節(jié)流元件的聯(lián)通，系統(tǒng)壓力逐漸趨于平衡，冷凝側(cè)壓力降低，冷媒降壓汽化，從環(huán)境吸熱。此時壓縮機機腔溫度遠高于蒸發(fā)器內(nèi)溫度, 蒸發(fā)器內(nèi)冷量通過回氣管通道使壓縮機機腔溫度降低，低于冷凝器溫度時，冷凝器向壓縮機傳熱繼續(xù)對蒸發(fā)器加熱，蒸發(fā)器溫度升高至高于冰箱間室溫度，從而向間室散熱，造成能量損失。直到下一次壓縮機開機，壓縮機輸入功補償蒸發(fā)器冷量損失，建立新的平衡，保持冷凝器/蒸發(fā)器在一定的壓差下平衡，恢復熱量方程。

若在系統(tǒng)中增加冷凝器保壓裝置，在壓縮機停機時保持關閉狀態(tài)，維持冷凝器/蒸發(fā)器中存在一定的壓差，能有效降低冷凝器中冷媒汽化，減少從環(huán)境吸熱，降低能量損失，壓縮機再次啟動時消耗較低的電功即可恢復平穩(wěn)運行，從而起到節(jié)能效果。

2 制冷系統(tǒng)與控制邏輯設計

2.1 制冷系統(tǒng)設計

圖1 冰箱單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)制冷循環(huán)圖

如圖1a）、b）所示為冰箱單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)制冷循環(huán)圖，在干燥過濾器后端增加單向截止閥或帶有關閉功能的一進兩出電磁閥。相應的選擇美的單系統(tǒng)兩門BCD360和雙系統(tǒng)多門BCD479冰箱作為實驗機型進行改制。

2.2 控制邏輯

單系統(tǒng)冰箱中增加冷凝器保壓裝置，冰箱通電運行，閥復位至全關，冷凍控制壓縮機開停，傳感器溫度高于設定的開機點，冷凍請求壓縮機運行，開閥同步進行壓縮機啟動，判定冷藏傳感器溫度高于設定冷藏停機點時，通向冷藏風門開啟，冷藏降溫至低于停機點，風門關閉，冷凍繼續(xù)請求制冷至達到停機點，壓縮機關閉同步閥切斷。壓縮機停機時，冷藏不請求，即風門不開啟。

雙系統(tǒng)冰箱中在干燥過濾器與毛細管之間串有一進兩出電磁閥，其控制邏輯與正常冰箱運行時請求規(guī)則相同，僅在壓縮機停機時增加電磁閥切向關閉位置。雙系統(tǒng)冰箱正常運行時，冷藏/冷凍均可請求壓縮機，冷藏請求優(yōu)先級高于冷凍。可能出現(xiàn)的請求形式較多：（1）冷藏請求，壓縮機啟動至冷藏停機時，冷凍未達開機點，壓縮機停機，閥關閉，冷藏起到保壓作用；（2）冷藏請求，壓縮機啟動至冷藏停機時，冷凍達到開機點，閥切換至冷凍蒸發(fā)器，冷藏起到保壓作用；冷凍達到停機點，壓縮機關閉，閥關閉，冷凍實現(xiàn)保壓；（3）冷凍先請求，壓縮機啟動，閥切換至冷凍蒸發(fā)器，降溫至停機點，壓縮機停機，閥關閉，冷凍可以保壓；（4）冷凍請求未停止，冷藏請求，閥切換至冷藏，停機后冷凍繼續(xù)制冷至壓縮機停機，閥切斷，系統(tǒng)保壓。此方案不能解決閥切冷藏蒸發(fā)器和冷凍蒸發(fā)器時造成的系統(tǒng)壓力變化、冷媒回流問題。單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯如圖2所示。

圖2 單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯

3 測試結果分析

為盡可能減少實驗測試對驗證結果的影響，本研究選擇在售單系統(tǒng)機型進行系統(tǒng)改進，增加單向閥，僅通過控制程序調(diào)整，對比閥常通不動作、閥與壓縮機關聯(lián)通斷模擬保壓對系統(tǒng)的影響。

3.1 保壓閥對制冷系統(tǒng)的影響

圖3 單系統(tǒng)冰箱有無保壓裝置系統(tǒng)溫度變化對比

壓縮機停機時，無閥動作冷凝器出口溫度迅速降低至環(huán)溫以下，然后緩慢回升至與環(huán)溫平衡，閥關閉時冷凝器出口溫度緩慢降低。主要是因為壓縮機停機，系統(tǒng)沒有閥動作，冷凝器出口處冷媒量減少，壓力降低，部分冷媒汽化，溫度迅速降低甚至低于環(huán)境溫度，隨后與環(huán)境換熱逐漸回升。

壓縮機開機時，閥動作回氣溫度降低幅度小于無閥狀態(tài)，且冷凝器出口溫度降低——有閥時冰箱有制冷請求，壓縮機啟動，閥打開，冷凝器出口壓力降低冷媒汽化溫度降低，蒸發(fā)器中冷媒較少，開機瞬間壓縮機抽回冷媒，回氣與毛細管存在少量換熱，回氣溫度較無閥動作時高。

關閥時蒸發(fā)器溫度回升較閥常通時緩慢，閥關閉時系統(tǒng)冷媒流動被切斷，高低壓側(cè)僅靠傳導進行熱量傳遞，溫度回升低于無閥狀態(tài)。

3.2 不同環(huán)溫對保壓效果的影響

圖3a）、b）為單系統(tǒng)冰箱32℃環(huán)境溫度下運行，有無保壓裝置時系統(tǒng)溫度變化對比情況。

圖4 冰箱有無保壓裝置時系統(tǒng)溫度變化對比情況

圖4a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環(huán)境溫度下運行，有無保壓裝置時系統(tǒng)溫度變化對比情況，蒸發(fā)器、冷凝器、回氣溫度變化趨勢相同。

圖5a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環(huán)境溫度下運行，有無保壓裝置時系統(tǒng)壓力變化對比情況，16℃環(huán)溫時，壓縮機運行時高壓側(cè)壓力3.44 MPa，低壓側(cè)0.59 MPa，停機時間45 min，在停機13 min時系統(tǒng)壓力平衡至0.84 MPa。截止閥關閉后仍存在一定冷媒泄露，整個停機階段，高壓側(cè)壓力降低至2.99 MPa，低壓上升至0.82 MPa。32℃環(huán)溫下，低壓及系統(tǒng)平衡壓力與16℃相近，分別在0.55 MPa和0.8 MPa左右，但高壓側(cè)壓力5.23 MPa降低至4.8 MPa，均降低0.4 MPa左右，則其中冷媒相變比例相近，從環(huán)境吸熱量相近，說明閥泄露量在不同環(huán)溫時差異不大，即保壓效果相近，為表1為不同環(huán)溫時保壓耗電量的影響測試對比，16℃和32℃環(huán)溫時，耗電量改善分別為0.0133 kW?h/24 h和0.0138 kW?h/24 h。

圖5 冰箱有無保壓裝置時系統(tǒng)壓力變化對比情況

3.3 保壓閥提前開啟時間對保壓效果的影響

32℃環(huán)溫條件下，閥提前開啟時間越短，耗電量越低，結合保壓閥的節(jié)能原理也是可以理解的，再次開機前，閥提前開啟的時間越短，高壓側(cè)壓力降低越少，冷凝器中冷媒從環(huán)境吸熱越少，能耗損失越低，節(jié)能效果越好。實驗發(fā)現(xiàn)，提前1.5 min較閥常通狀態(tài)冰箱耗電量降低2%，進一步縮短閥開啟時間時，系統(tǒng)壓力較大，受壓縮機單體性能影響，時常出現(xiàn)壓縮機不能正常啟動現(xiàn)象。

表1 不同環(huán)溫下，保壓對冰箱耗電量的影響

表2 閥提前開啟時間不同，保壓對冰箱耗電量的影響

3.4 閥泄漏量對保壓效果的影響

32℃環(huán)溫條件下，閥泄漏量越低[4]，冷凝器與蒸發(fā)器中冷媒流串越少，壓力變化較低，冷凝側(cè)從環(huán)境吸熱少，向冰箱間室內(nèi)散熱少，能量損失越少，保壓效果越好，更換0.004 L/min泄露量的閥比0.04 L/min閥耗電量降低0.0193 k?Wh/24 h。

表3 閥泄漏量不同，保壓對冰箱耗電量的影響

3.5 化霜前關閥抽空對冰箱耗電量的影響

風冷冰箱制冷時，風機運行將蒸發(fā)器冷量帶至間室，風溫升高濕度較蒸發(fā)器處高，流回蒸發(fā)器時，溫度降低，部分濕氣在蒸發(fā)器上附著成霜，隨著冰箱運行時間延長，蒸發(fā)器霜層變厚，影響換熱效率，因此化霜是風冷冰箱必要的環(huán)節(jié)，降低化霜耗電量也是冰箱節(jié)能的重要組成。本節(jié)主要利用截止閥在化霜進入之前切換至關閉狀態(tài)，結合壓縮機運行對蒸發(fā)器內(nèi)冷媒進行抽空處理，減少蒸發(fā)器內(nèi)冷媒吸熱，從而降低冰箱能耗。

閥常通時，化霜前冷凝器溫度降低，蒸發(fā)器溫度回升略高，對比表4顯示，有無閥動作時，化霜增量幾乎無差異，閥動作比閥常通化霜占比僅低0.4%，若設定24 h化霜一次，耗電量降低0.0028 kW?h/24 h。

表4 關閥抽空對化霜耗電量的影響

4 結論

本文通過一個工程實例，即在美的兩門BCD360冰箱上，增加泄漏量為0.004 L/min的保壓裝置，控制邏輯設置為與壓縮機同步關閉，壓縮機啟動前2 min開啟，化霜前關閉閥，壓縮機運轉(zhuǎn)0.5 min后，加熱絲工作，結果表明改善后耗電量減低0.0359 kW?h/24 h，相比原機能耗改善4.15%。

研究結果證明：

（1）不同環(huán)溫下，冰箱運行時，低壓及平衡壓力基本相同，環(huán)溫越高，高壓側(cè)壓力越大；系統(tǒng)增加截止閥進行保壓時不同環(huán)溫高壓側(cè)壓力降低的幅度相近，冷凝器中冷媒從環(huán)境吸熱相近，對能耗的改善量差別不大；

（2）閥提前開啟時間越短對降低能耗越有利，結合壓縮機啟動性能，本研究認為提前2 min開啟最合適；

（3）閥泄漏量降低增加保壓閥節(jié)能效果，泄漏量從0.04 L/min降低0.004 L/min，耗電量降低0.0193 kW?h/24 h；

（4）化霜時關閥抽空減小蒸發(fā)器中冷媒量，減小被冷媒吸收的熱量損失，可縮短化霜時間0.5 min，能耗改善0.4%。