電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計再析-

1、電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計再析*Analysis on Optimization Design for Refrigeration System of Refrigerator李剛Li Gang蔡穎玲Cai Yin gling張鳳林Zhang Fenglin王軍Wang Jun車景順Che Jingshun【作者簡介】李剛,男,副教授,主要從事空調(diào)、制冷及熱工領域教學和研究。主持、參與河南省科技攻關項目小型制冷設備低壓啟動研究與產(chǎn)品開發(fā)、文物柜恒溫恒濕研究及戶式中央空調(diào)節(jié)能、舒適性研究等科研項目6項,發(fā)表論著多篇。工作單位:河南紡織高等?？茖W校機電系空調(diào)教研室126#。通訊地址: 450007鄭州

2、市桐柏路62號院。蔡穎玲,河南紡織高等?？茖W校(鄭州450007。張鳳林,河南新飛電器有限公司(新鄉(xiāng)453000。王軍,中原工學院(鄭州450007。車景順,河南冰熊保鮮設備股份有限公司(民權476800?！菊侩姳涔?jié)能研究是一重要課題,其中制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計是關鍵環(huán)節(jié),已有相關文獻對此進行報道,本文據(jù)項目研究實際情況,進一步分析了蒸發(fā)器和冷凝器的優(yōu)化設計,提出了軟冷凍及變溫技術的節(jié)能觀點及優(yōu)化設計,再析了制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配及制冷劑管路走向等節(jié)能措施?！娟P鍵詞】電冰箱優(yōu)化設計制冷系統(tǒng)節(jié)能變溫【收稿時間】2004-05-17隨著科學技術進步及人們生活水平的提高,電冰箱已成為不可缺少的生活必需品,

3、鑒于電冰箱的廣泛使用及其較高的能耗狀況,節(jié)能降耗和環(huán)保是電冰箱研發(fā)工作的重要課題,而電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計是節(jié)能降耗的關鍵環(huán)節(jié)。本文以河南省科技攻關項目電冰箱節(jié)能技術研究的研發(fā)實際,僅對電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計提出一些觀點,以供磋商。1.制冷系統(tǒng)優(yōu)化設計1.1蒸發(fā)器的優(yōu)化設計制冷循環(huán)在制冷劑lgP-h圖中表示如圖1示1-2-3-4-5-6-1,可以看出,過低的蒸發(fā)壓力(如圖中虛線a-b會引起單位制冷量和制冷系數(shù)的減小,同時,由于傳熱溫差加大,也會增加箱體熱負荷,引起能耗增加。在保持冰箱各間室溫度一定(如F室-18,R室5情況下,應盡可能提高蒸發(fā)壓力(溫度,也即降低蒸發(fā)器與箱內(nèi)的溫差。有文獻介紹,

4、蒸發(fā)溫度的提高對提高冰箱能效至關重要,采用大內(nèi)徑蒸發(fā)管以減小阻力,通過增大蒸發(fā)器傳熱面積來保證箱內(nèi)所需冷量,從而提高蒸發(fā)溫度。筆者認為,應合理調(diào)節(jié)冷藏、冷凍蒸發(fā)面積,太大或太小皆不可取,應控制在最佳點。原因有三方面,其一,蒸發(fā)面積過大時,制冷劑充注量也必須加大,否則會出現(xiàn)蒸發(fā)器出口溫度過高,影響溫度場穩(wěn)定性,而制冷劑量的加大必然使耗功增加;另一方面,對整個系統(tǒng)來說,增大蒸發(fā)面積在提高蒸發(fā)溫度的同時,壓縮機排氣量增加,造成在毛細管中流動阻力更大,從而又降低蒸發(fā)溫度,同時,冷凝器的散熱能力也限制、制約了系統(tǒng)的制冷能力。其二,受到安裝空間及使用空間限制,蒸發(fā)面積不能太大或太小。其三,由于設計成本及銷

5、售影響制約,蒸發(fā)器面積應控制在最佳點。本項目在研制過程中著重考慮以下幾點。第一,減小冷藏、冷凍兩蒸發(fā)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(fā)器的面積,使冷藏室單獨制冷時制冷速度更快(見本文變溫技術部分,或使冷藏室盡快達到設定溫度自行關閉,保證在低溫或高溫環(huán)境下有最佳的開停比,從而保證在特定環(huán)境溫度(國際上規(guī)定25為能耗測試條件下耗電最少。第二,力求設計高效蒸發(fā)器。第三,合理安排蒸發(fā)器位置和制冷劑走向。第四,通過理論計算和試驗相結合方法,合理匹配蒸發(fā)器與冷凝器的傳熱面積,努力減小冰箱工作系數(shù),避免過低蒸發(fā)壓力和過高冷凝壓力,達節(jié)能目的 。圖11.2冷凝器優(yōu)化設計從圖1看出,過高冷凝

6、壓力(如圖中虛線m-n,考慮節(jié)流損失同樣會引起制冷量減小、耗功增加,盡而引起制冷系數(shù)減小。同時,由于傳熱溫差加大,引起箱體熱負荷增大,能耗增加。有文獻介紹,在箱外環(huán)境溫度一定情況下,應盡量減小冷凝壓力即減小冷凝器與箱外環(huán)境的換熱溫差,并合理增加冷凝面積,這樣,可降低排氣壓力,提高深冷程度,對減小系統(tǒng)能耗,提高制冷系數(shù)*2003河南省科技攻關項目項目編號0324220006計量與測試技術2004.635非常有利。筆者認為,增大冷凝器面積,會產(chǎn)生冷凝溫度降低,壓縮機排氣量增加,從而制冷系統(tǒng)制冷能力增大。但是,如果冷凝面積增大是以冷凝器管道面積增大為代價,則要充分考慮加大制冷劑充注量問題,并且仔細測

7、試與蒸發(fā)器的正確匹配,否則未能達到預期目的;如果僅增加散熱面積而未增加內(nèi)部管道面積,那么系統(tǒng)制冷劑量變化不大。所以,冷凝面積增加要掌握好一個“度”字,也即應合理匹配冷凝器與蒸發(fā)器兩傳熱面積,以避免過低蒸發(fā)壓力和過高冷凝壓力,從而達到節(jié)能降耗之目的。在優(yōu)化冷凝器設計中除合理增大冷凝面積外,本項目充分考慮以下幾點:(1設計橫、豎盤管混排結構冷凝器:由傳熱學理論分析,在冷凝器內(nèi)為制冷劑氣液兩相狀態(tài),分析冷凝器中制冷劑流態(tài)變化和內(nèi)、外部換熱條件,橫排管冷凝器的換熱系數(shù)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

8、動噪聲。(2絲管式冷凝器代替百葉窗式冷凝器:由內(nèi)部結構及傳熱學理論分析,在其它條件不變情況下,絲管式冷凝器散熱好,對應的制冷循環(huán)效率提高,能耗減小。(3改內(nèi)藏式冷凝器為外掛式:盡管外掛式冷凝器有礙冰箱整體美觀,但其散熱條件比內(nèi)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(jié)能降耗。(4防凝露管節(jié)能設計:在冰箱系統(tǒng)中,從壓縮機排氣管至干燥過濾器出口整個高壓區(qū)域皆為冷凝器負荷對應區(qū)域,包括制冷劑蒸汽的冷卻、冷凝及再冷(過冷三個過程,如圖1中2-3、3-4及4-5三個過程,對應設備包括副冷凝器、主冷凝器及門邊防露管。不同廠家對這三部分的設計思路及管路布置走向各不相同,這對系統(tǒng)能耗有直接影

9、響。一般地說,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。本項目采用制冷劑R600a,經(jīng)模擬實驗和理論分析,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最高環(huán)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(nèi)腔,又可減小熱量向箱內(nèi)傳遞,實現(xiàn)節(jié)能之目的,系統(tǒng)圖如圖2示 。圖21.3軟冷凍及變溫技術設計從熱力學角度考慮,過高的環(huán)境溫度或過低的箱內(nèi)溫度對電冰箱的能耗均有直接影響。環(huán)境溫度過高,冷凝器散熱受到影響,而冰箱內(nèi)溫度過低,一方面增加傳熱溫差,

10、另一方面需較低的蒸發(fā)溫度從而降低制冷系統(tǒng)循環(huán)效率,甚至延長壓縮機開機時間,造成能耗上升。所以,過低的、不必要的冷凍室溫度設計無疑會加劇冰箱能耗上升。目前,有些電冰箱設計中盲目追求一些不必要的功能,對電冰箱節(jié)能極為不利。所以,為滿足消費者需要,又使冰箱降耗節(jié)能,軟冷凍及變溫設計就顯得十分重要。目前,傳統(tǒng)冰箱的兩個溫區(qū),R室5,F室為-18,而且F室相對較大。本項目嘗試將F室劃分兩區(qū)域,其一溫度仍保持-18,其二溫度為-10。F室內(nèi)凍結物很難在短時間內(nèi)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(yǎng)成分流失。將F室分離出一個-10溫區(qū),既可使魚、肉等食品在-7-10低溫下凍結,又能達

11、到短時間內(nèi)用刀進行切削處理的目的,同時,據(jù)使用冰箱需要,也可將此溫區(qū)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。如圖2示為軟冷凍及變溫技術設計制冷系統(tǒng)示意圖。從圖中可以看出制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮,在冷凝器中冷凝后流經(jīng)干燥過濾器和毛細管,系統(tǒng)分為兩個支路。支路一:制冷劑經(jīng)變溫室蒸發(fā)器、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環(huán)回路。支路二:制冷劑經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電磁閥、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機形成循環(huán)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(變溫室也可設置在冷藏室內(nèi)部,各間室都有相對獨立的蒸發(fā)器。變溫

12、室蒸發(fā)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使用(如冷藏室、軟冷凍室等時,可以通過設在變溫室的溫度傳感器將溫度信號送至電冰36計量與測試技術2004.6箱的控制裝置中,控制裝置據(jù)溫度設定值對雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通路進行切換實現(xiàn)。當電冰箱啟動運行時,電磁閥處于通電狀態(tài),系統(tǒng)按照支路二形成的循環(huán)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(nèi),系統(tǒng)按照支路二形成的循環(huán)回路繼續(xù)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(wěn)態(tài)電磁閥處于斷電狀態(tài),系統(tǒng)按照支路一形成的循環(huán)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

13、值下限時,雙穩(wěn)態(tài)電磁閥執(zhí)行通電操作,系統(tǒng)又按支路二循環(huán)回路運行。此時冷凍室和冷藏室溫度繼續(xù)下降,直到冷藏室溫度達到標準后,壓縮機停機,系統(tǒng)如此往復循環(huán)。需要指出,變溫室蒸發(fā)器按三星級冷凍室要求(-18與冷凍、冷藏室蒸發(fā)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,通過雙穩(wěn)態(tài)電磁閥切換制冷劑流向,可將變溫室按冷凍室或軟冷凍或冷藏室使用,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(qū)的多方需求,又節(jié)能降耗,為高效節(jié)能使用電冰箱提供廣闊前景。表1為能耗實測數(shù)據(jù),可以看出,單獨調(diào)高冷凍室溫度(將變溫室作為軟冷凍室或冷藏室可以節(jié)能,單獨關閉變溫室更加節(jié)能

14、。表1直冷冰箱BCD-186CHS的能耗實測數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度25冰箱狀態(tài)耗電量(kWh/24h冷藏室溫度(變溫室溫度(冷凍室溫度(開停機率(%能耗對比(%國家標準測試改變變溫室溫度改變變溫室溫度關閉變溫室0.390.350.330.31+5.0+5.0+5.0+5.0-18-10+5+4(室內(nèi)無負荷-18-18-18-1830.221.817.314.110089.784.679.41.4制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配冰箱是一全封閉式制冷系統(tǒng),它的結構設計要求較為緊湊,各個制冷配件的匹配要求合理,實用中運用熱力學安全性動態(tài)仿真模型及軟件對制冷系統(tǒng)進行模擬仿真優(yōu)化匹配,使整個制冷系統(tǒng)中壓縮機的排氣量、蒸發(fā)器的蒸

15、發(fā)能力、冷凝器的散熱能力、毛細管的節(jié)流狀態(tài)合理匹配,使壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器等部件充分發(fā)揮其性能,同時選擇合理的蒸發(fā)溫度使冰箱制冷系統(tǒng)在最佳工況下運行。本項目在制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配中,綜合考慮箱體熱負荷、系統(tǒng)制冷量、壓縮機效率、電冰箱工作周期、以及開機率等相關參數(shù),使之達最佳匹配狀態(tài)。(1設計中的氣候類型應與使用地區(qū)的氣候匹配,否則耗電增加,甚至出現(xiàn)不停機現(xiàn)象,同時,根據(jù)產(chǎn)品的使用條件即氣候類型(本次設計為溫帶型確定冷凍室、冷藏室的熱負荷匹配關系。在產(chǎn)品設計和樣機試驗中,反復調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路各有關參數(shù),使冷凍冷藏之間以及蒸發(fā)器與冷凝器之間,壓縮機排氣量與蒸發(fā)器蒸發(fā)能力之間以及毛細管節(jié)流與蒸發(fā)溫度之間達

16、到最佳的節(jié)能匹配關系。表2是調(diào)整過程中必須控制的系統(tǒng)關鍵狀態(tài)點和相應的調(diào)整措施。表2制冷系統(tǒng)匹配關鍵狀態(tài)點及調(diào)整措施關鍵點控制要素設計與調(diào)整措施蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力、出口過熱度調(diào)整流量及蒸發(fā)器尺寸冷凝器冷凝壓力、出口過冷度調(diào)整流量及冷凝器尺寸毛細管入口制冷劑狀態(tài)調(diào)整流量(如毛細管尺寸及充注量吸回管制冷劑溫度調(diào)整回氣換熱器(換熱長度及方式(2在設計冰箱系統(tǒng)時,工作時間系數(shù)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(fā)溫度狀態(tài),則壓縮機工作效率太低,能耗也將上升。對一個優(yōu)化匹配的制冷系統(tǒng),存在一個最合適的工作時間段,在此時間段內(nèi)

17、,冰箱的開停時間合理,能耗最低。在選配壓縮機時,應滿足冰箱最大熱負荷要求,在滿足負荷要求下盡可能選用較小型號的壓縮機。(3制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配不僅包括各關鍵零部件的匹配,也包括制冷系統(tǒng)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(tǒng)制冷效果,造成耗電增加。因此,系統(tǒng)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(理論計算結果只具指導意義,特別是分立多循環(huán)系統(tǒng),當兩個蒸發(fā)器單獨制冷時,它們對制冷劑量的要求不一樣。本項目采取與普通直冷冰箱不同的充注量試驗,通過可靠性、功能性、仿真模擬、性能優(yōu)化等試驗的結果,進行數(shù)據(jù)綜合處理,從各種數(shù)據(jù)中選用滿足要求的參數(shù),同時使用高精度充注系統(tǒng)確保最佳充

18、注量,使系統(tǒng)在高效下進行工作,達到節(jié)能降耗目的。(4在制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配中,改進節(jié)流系統(tǒng),正確選擇毛細管長度和管徑以確定最佳毛細管流量也是不可忽略的重要問題,與蒸發(fā)器的優(yōu)化匹配、與冷凝器的優(yōu)化匹配是緊密相關的。它直接影響整個制冷循環(huán)的優(yōu)化設計。若毛細管長度較長或管徑較小,節(jié)流時產(chǎn)生較大的壓差,制冷劑流量小,蒸發(fā)溫度低,壓縮機排氣量小,使制冷系統(tǒng)制冷能力減小。在設計中最初的理論計算往往只具指導意義,選定的毛細管流量往往不準確,必須經(jīng)多次試驗調(diào)試才能確定。本項目在調(diào)試過程中,將制冷系統(tǒng)各主要部件的主要狀態(tài)參數(shù)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(shù)據(jù),借助壓焓圖

19、,尋找優(yōu)化制冷循環(huán)工況,確定最佳的流量和充注量。在改進節(jié)流系統(tǒng)調(diào)試過程中有兩個基本點,制冷劑充注量要盡量小,避免在低溫工況下出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。毛細管流量調(diào)節(jié)范圍要大。因為運行中毛細管流*2003河南省科技攻關項目項目編號0324220006計量與測試技術2004.637量過大,大量的制冷劑流掉了,毛細管內(nèi)容易混入熱氣體而使制冷量減少,增加了壓縮機的工作系數(shù),耗電增加。反之,毛細管流量過小,阻力過大,液體都積聚在冷凝器內(nèi),使排氣壓力過高;同時供給蒸發(fā)器液體量不足,回氣壓力過低,降低循環(huán)效率,增加能耗。另外,有文獻介紹在改進節(jié)流系統(tǒng)時,采用壓差閥控制系統(tǒng),通過控制壓差閥的通斷保持壓縮機停機前制冷劑的壓

20、力分布狀態(tài)。這種控制系統(tǒng)理論分析對節(jié)能有利,但使系統(tǒng)復雜,本項目沒有采納。1.5制冷系統(tǒng)管路走向節(jié)能設計對電冰箱制冷系統(tǒng)進行節(jié)能設計,首先面臨的是系統(tǒng)管路的走向問題。制冷系統(tǒng)管路布置是否科學合理,不僅關系到電冰箱結構是否合理、制冷能力是否增強,而且對電冰箱能耗影響很大。制冷系統(tǒng)管路走向節(jié)能設計包括三部分,防凝霜管節(jié)能設計,回氣換熱器的節(jié)能設計及換熱器管路的合理布置。(1防凝露管節(jié)能設計,是影響冰箱能耗的重要方面,本文冷凝器優(yōu)化設計中已介紹。(2回氣換熱器節(jié)能設計。計算機模擬和試驗都證實,采用環(huán)保型制冷劑如R600a 、R134a 等與R12一樣,在系統(tǒng)中設置回氣換熱器,采用回熱循環(huán)是提高制冷系

21、數(shù)和單位容積制冷量的有效措施。本項目主要從以下三個方面對換熱效率進行了強化:毛細管與回氣管中的制冷劑采用逆流換熱;毛細管和回氣管采用并行錫焊(或熱塑工藝的方式,而非毛細管穿入回氣管內(nèi)部換熱(計算機模擬和試驗均顯示換熱效率低;盡可能增加毛細管與回氣管的錫焊長度使之最終換熱效率達到98%,這樣可明顯提高系統(tǒng)制冷量。(3兩大換熱設備(蒸發(fā)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(tǒng)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。本次設計中,冷藏室蒸發(fā)器雙排并行盤管緊貼于內(nèi)膽之上,冷凍室蒸發(fā)器采用雙管并行的逆流換熱,并且采用分層立體結構。冷凝器設

22、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(fā)器與冷凝器的換熱能力,有效降低了能耗,經(jīng)實測,在冰箱最大負荷時日耗電僅0.39度,而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0.35度以下。(4在制冷系統(tǒng)管路走向節(jié)能設計中注意降低冰箱噪聲,采用CAD 優(yōu)化設計并對配管及各部件頻率特性進行分析,對配管長度、固定位置及其它零部件的安裝位置進行優(yōu)化,保證冰箱在節(jié)能的同時將噪聲控制在合理范圍內(nèi)。2.結論通過改進換熱器結構,采用絲管式多層雙管并行排列的復合立體式蒸發(fā)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,通過軟冷凍及變溫技術的優(yōu)化設計,借助于電冰箱壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器及毛細管的優(yōu)化匹配,并且借助于制冷劑管路走向節(jié)能設計等措施,可使BCD -186CHS 電冰箱在最大負荷時日耗電0.39度(每百升容積耗電小于0.24度,而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0.35度以下,與同樣大小固定冷凍室容積的電冰箱相比,本項目研制的節(jié)能冰箱,既滿足消費者對冰箱溫區(qū)的多方需求,又顯著節(jié)能降耗,為高效節(jié)能使用電冰箱提供廣闊前景。參考文獻1方言.電冰箱市場需求的大趨勢J .家用電器科技,2002(72w w w .clasponl ine .org /dow nload /Gener -al /2001/211/The -S L -Guide