風機對冷藏車制冷系統性能的影響

李海軍，張中來，蘇之勇，袁鐵鎖，楚雪靖，翟俊杰，張朋飛，丁柘涵，寇景康，王 芳，牛華文，謝余越

（1.中原工學院 能源與環境學院，鄭州 450007；2.河南萬佳建設工程有限公司，鄭州 450006）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，冷藏車的需求量以20%～25%的速度增長，但在能源日益枯竭的時代背景下，冷藏系統能耗大，大大縮短續航里程問題被廣受關注［1］。風機作為制冷系統的重要設備之一，風機風量控制調節的好壞，直接影響冷藏車的節能性和實用性［2-5］。當純電動冷藏車行駛在高溫的環境中，由于風機風量設定不合理，造成系統制冷性能衰減，系統功率增大，浪費能源等問題。

針對這些問題，國內外專家提出對冷凝器和蒸發器側的風量進行控制調節等解決辦法［6］。金妍等［7］試驗研究發現風量適當的降低，可以使換熱器溫度分布均勻，降低風機耗電量。劉亞哲等［8］試驗研究發現單位換熱面積風量適當增大，可提高冷風機傳熱系數。劉訓海等［9］試驗研究發現風機采用變風量調節控制后，不僅功率減小，有效制冷量明顯增加。薛威等［10］試驗研究發現隨著冷凝風機風量減少，制冷量會大幅度減少，增加了系統制冷的時間。張秋玉等［11］試驗研究發現隨著風量的增加，冷藏庫的降溫時間逐漸縮短。梁凱等［12］試驗研究發現蒸發器出口過熱度隨風量增大而增大，最后趨于穩定，說明非風量越大，換熱效果越好。周光輝等［13］試驗研究發現隨著車外風量逐漸增大，系統COP 和制冷量逐漸增大；壓縮機功率和壓縮機排氣溫度逐漸減小。許樹學等［14］試驗研究發現在相同條件下準雙級壓縮比單機壓縮系統，排氣溫度降低，系統制冷量增加。唐景春等［15］試驗研究發現在準雙級渦旋壓縮比單機壓縮機，排氣質量流量增大。DUTTA等［16］試驗研究發現準雙級壓縮很好的解決了單級壓縮系統里壓比過大的問題。秦海杰等［17］試驗研究發現隨著蒸發溫度的降低，使用R404A 比使用R22 制冷量提升10%～30%，過冷過熱循環對R404A 系統都有明顯的性能改善。目前國內外對換熱器側風機風量最佳設定值研究的較少，且沒有掌握風機風量對制冷系統性能影響規律。本文采用制冷劑R404A，庫內外兩器均采用微通道平行流換熱器，搭建低壓補氣型制冷系統試驗臺，研究庫外風量和庫外風量不同設定值對冷藏車制冷系統性能的影響。

1 低壓補氣型冷藏車制冷系統循環原理

低壓補氣型冷藏車制冷系統原理如圖1 所示，該系統高溫制冷循環原理為：從壓縮機排出的高溫高壓液態制冷劑進通過四通換向閥入平行冷凝器，與庫外空氣進行對流換熱帶走熱量，變成過冷的高溫液態制冷劑，經過單向閥、儲液罐、干燥過濾器，分成兩路，一路進入主路電子膨脹閥進行節流，變成低溫低壓液態制冷劑通過單向閥進入平行流蒸發器，與庫內空氣進行對流換熱達到庫內制冷，變成低溫低壓氣態制冷劑；一路進入補路電子膨脹閥進行節流，進入中間換熱器與主路過熱制冷劑換熱，通過截止閥與主路制冷劑混合成飽和氣態制冷劑，再經過壓縮機經過雙級壓縮變成高溫高壓液態制冷劑，進入庫外冷凝器進行換熱，以此進行循環達到制冷的效果。

圖1 低壓補氣型冷藏車制冷系統原理Fig.1 Schematic diagram of refrigeration system of low-pressure air-supplemented refrigerated truck

2 試驗過程

2.1 試驗計算

冷藏系統制冷量循環計算式如下。

（6）庫外風機功率：

2.2 設備及測量裝置

根據準雙級壓縮低壓補氣型冷藏車制冷系統結構特點搭建試驗臺，本試驗在中原工學院焓差試驗室內進行。試驗庫內、外風機均采用變風量風機，可以通過控制面板進行風量的設定，庫外冷凝器配泛仕達軸流式風機，風機型號為：AR300D3-DD0-03，庫內換熱器配泛仕達離心式風機，風機型號為：FC097E3-DF0-01。圖2 為焓差試驗室控制示意，表1 為主要設備及測量裝置。

圖2 焓差試驗室控制示意Fig.2 Control chart of enthalpy difference laboratory

2.3 試驗測試工況

根據QC-T656-2000《汽車空調制冷裝置性能要求》、QC-T657-2000《汽車空調制冷裝置試驗方法》、JB/T11967-2014《冷凍空調設備冷凝器用微通道熱交換器》、GB/T25129-2010《制冷用空氣冷卻器》以及GB7725-2004《房間空氣調節器》等行業和國家標準制定如表2 的試驗工況，制冷劑R404A 的充注量為14.075 kg，主閥過熱度設定值為5 K，補閥過熱度設定值為30 K，壓縮機轉速為3 000 r/min，由于庫內風量的增加，會加快冷藏物品的干耗，本試驗在合理的范圍內減少風速對冷藏物的影響，庫內風量調節范圍為0～11 200 m3/h，為了在合理范圍內減少風量對干耗的影響，選取庫內風量4 000～7 000 m3/h 進行試驗，分別測試在庫內風機4 000，5 000，6 000，7 000 m3/h 下系統的主要性能參數，此范圍內風速較小，對冷藏物品的干耗影響較小，試驗前先啟動環境機組，等環境工況穩定后，再由開始啟動被測機組，庫內風量每次增加1 000 m3/h，系統穩定一段時間后進行參數的記錄，等試驗結束后進行整理分析。

3 試驗結果分析

3.1 庫外風機風量對冷藏車制冷系統性能的影響

圖3 示出了庫外風量對制冷量的影響曲線。從圖可見，隨庫外風量逐漸增大，制冷量呈逐漸增大的趨勢，當庫外風量為4 500 m3/h 時，系統制冷量為16.68 kW，庫外風量由4 500 m3/h 增大到7 500 m3/h 時，系統制冷量增大了0.96 kW，庫外風量增大到9 000 m3/h 時，系統制冷量僅增大了0.03 kW，這是因為，隨著庫外風量的增大，逐漸增強空氣與冷凝器的對流換熱，冷凝溫度減小，增大了換熱量，蒸發器入口制冷劑溫度降低，使蒸發器進出口焓差增大，增大了制冷效果，所以系統制冷量逐漸增大，但隨換熱效果達到最佳，制冷量增加的幅度逐漸變得極小。

圖4 示出了庫外風量對系統總功率的影響曲線。從圖可見，隨庫外風量逐漸增大，系統總功率呈現先減小后增大的趨勢，庫外風量由4 500 m3/h增大到7 500 m3/h 時系統總功率減小幅度為0.49%～1.2%，當庫外風量為7 500 m3/h 時，系統總功率達到最小值為8.14 kW，庫外風量增大到9 000 m3/h 時，系統總功率增加3.8%，這是因為，隨著庫外風量的增大，壓比逐漸減小，庫內風機功率變化不大，風量在偏小時增大，壓縮機減小的功率大于庫外風機增大的功率，占主導作用，所以逐漸減小；風量在偏大時增大，庫外風機增大的功率大于壓縮機減小的功率，占主導作用，所以逐漸增大，風量達到最佳時，系統功率最低，更有利于節能。

圖4 庫外風量對系統總功率的影響Fig.4 The influence of air volume outside the refrigerating chamber on the total power of the system

圖5，6 分別示出了庫外風量對系統COP 和系統EER 的影響曲線。從圖可見，隨庫外風量逐漸增大，系統COP 呈逐漸增大的趨勢，系統EER呈現先增大后減小的趨勢，庫外風量由4 500 m3/h增大到7 500 m3/h 時，系統COP 增大幅度為12.2%～15.9%，系統EER 增大幅度為2.9%～4.5%，當庫外風量為7 500 m3/h 時，系統EER 達到最大值為2.167，庫外風量增大到9 000 m3/h 時，系統COP增大2.3%，系統EER減小了3.5%，這是因為，系統COP 是由制冷量和壓縮機功率共同作用，制冷量逐漸增大，壓縮機功率逐漸減小，所以系統COP 逐漸增大，但隨換熱效果達到最佳，系統COP 增大的幅度逐漸變得極小；系統EER 是由系統制冷量和系統總功率共同作用，造成系統EER先增大后減小，系統EER 達到最大時，更有利于節能。

圖5 庫外風量對系統COP 的影響Fig.5 The influence of the air volume outside the refrigerating chamber on the system COP

圖6 庫外風量對系統EER 的影響Fig.6 The influence of the air volume outside the refrigerating chamber on the system EER

3.2 庫內風機風量對冷藏車制冷系統性能的影響

圖7 示出了庫內風量對制冷量的影響曲線。從圖可見，隨庫內風量逐漸增大，制冷量呈逐漸增大的趨勢，當庫內風量為4 000 m3/h 時，系統制冷量為16.56 kW，庫內風量由4 000 m3/h 增大到6000 m3/h 時，系統制冷量增大了2.9%～3.4%，當庫內風量為7 000 m3/h 時，系統制冷量增大了0.17%，這是因為，隨著庫內風量的增大，逐漸增強空氣與蒸發器的對流換熱，蒸發溫度增大，增大了換熱效果，增大了蒸發器換熱進出口焓差，系統制冷量逐漸增大，但隨換熱效果達到最佳，制冷量增加的幅度逐漸變得極小。

圖8 示出了庫內風量對系統總功率的影響曲線。從圖可見，隨庫內風量逐漸增大，系統總功率呈現先減小后增大的趨勢，庫內風量由4 000 m3/h增大到6 000 m3/h 時，系統總功率減小幅度為0.88%～1.8%，當庫內風量為6 000 m3/h 時，系統總功率達到最小值為7.86 kW，庫內風量增大到7 000 m3/h 時，系統功率增加3.6%，這是因為，隨著庫內風量的增大，壓比逐漸減小，庫外風機功率變化不大，風量在偏小時增大，壓縮機減小的功率大于庫內風機增大的功率，占主導作用，所以逐漸減小；風量在偏大時增大，庫內風機增大的功率大于壓縮機減小的功率，占主導作用，所以逐漸增大，風量達到最佳時，系統功率最低，更有利于節能。

圖8 庫內風量對系統總功率的影響Fig.8 The influence of air volume inside the refrigerating chamber on the total power of the system

圖9，10 分別示出了庫內風量對系統COP 和系統EER 的影響曲線。從圖可見，隨庫內風量逐漸增大，系統COP 呈逐漸增大的趨勢，系統EER呈現先增大后減小的趨勢，庫內風量由4 000 m3/h增大到6 000 m3/h 時，系統COP 增大幅度為11.8%～16.9%，系統EER 增大幅度為4.3%～5.3%，當庫內風量為6 000 m3/h 時，系統EER 達到最大值為2.251，庫內風量增大到7 000 m3/h 時，系統COP增大1.6%，系統EER減小了3.7%，這是因為，系統COP 是由制冷量和壓縮機功率共同作用，制冷量逐漸增大，壓縮機功率逐漸減小，所以系統COP 逐漸增大，但隨換熱效果達到最佳，系統COP 增大的幅度逐漸變得極小；系統EER 是由系統制冷量和系統總功率共同作用，造成系統EER先增大后減小，系統EER 達到最大時，更有利于節能。

圖9 庫內風量對系統COP 的影響Fig.9 The influence of the air volume inside the refrigerating chamber on the system COP

圖10 庫內風量對系統EER 的影響Fig.10 The influence of the air volume inside the refrigerating chamber on the EER of the system

4 結論

在32 ℃高溫庫外環境中，通過改變庫外風機風量和庫外風機風量設定值，研究分析了冷藏系統主要制冷性能參數的變化，得出結論如下：

（1）在庫外高溫環境中，庫內風量為7 000 m3/h，庫外風量達到7 500 m3/h 時，系統總功率達到最小值8.14 kW，系統EER 達到最大值2.167，此狀況下性能較好，當風量達到7 500 m3/h 之后，制冷效果變化不明顯，但系統能耗增大較快，不利于節能，此風量為最佳庫外風量。

（2）在庫外高溫環境中，庫外風量為最佳設定值7 500 m3/h 條件下，庫內風量達到6 000 m3/h時，系統功率達到最小值7.86 kW，系統EER 達到最大值2.251，此狀況下性能較好，風量達到6 000 m3/h 之后，制冷效果變化不明顯，系統能耗增大較快，不利于節能，此風量為最佳庫內風量。