冰箱制冷循環的節能分析

張宣樅 李建周 李弢

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

1 前言

隨著新的能耗標準GB12021.2-2008在2009年5月1日正式執行，家用電冰箱行業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地方法規節能產品的準入制度，對制造廠提出了能耗升級的客觀硬性要求。根據已經全面展開的國家財政補貼的家電下鄉計劃，要求進入農村市場的冰箱產品能效等級要達到新版2級以上，而只有節能系數≦50%的冰箱才能稱之為節能冰箱，這樣就形成了全國城鄉市場齊步能效升級的局面。按照目前冰箱技術的發展，采用R600a制冷系統并改善發泡層密度和厚度以及使用強化換熱的立體蒸發器結構等技術，達到2級節能等級較為容易；現階段將節能系數進一步降低達到30%甚至更低就變得的尤為突出，而目前大部分技術研發還主要關注發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（目前節能冰箱使用的壓縮機COP值已經達到2.0左右），受材料本身特性影響，發泡層厚度增加造成冰箱箱體重量增加以及容積率下降，高效壓縮機設計中增加的消音器和機殼內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類型和特征進行分析，找出其中采用的節能措施和方法；然后分析增加了冷凝保壓技術的冰箱制冷系統。采以容積分別為186、206L兩款直冷冷藏冷凍箱產品設計為例，在循環回路中采用了冷凝保壓技術，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 典型制冷系統循環分析

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

這種典型制冷系統為單路循環，依靠布置在冷藏室內機械溫控裝置調節儲藏溫度，冷凍室或者類似間室粗藏溫度是依靠系統設計

壓縮機吸氣缸容積決定每次循環壓入系統的制冷劑蒸氣的量（容積流量v1或者質量流量），受制冷劑類型影響，提高容積流量或者質量流量要求提高焓差h1-h4和降低v1。在實際操作中，依據v1的參數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的壓差可以實現。

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

2.1 典型制冷系統循環模式

典型制冷循環能夠幫助我們發現該類型循環的規律，本文所描述的幾種節能冰箱制冷循環系統技術發展比較成熟，所以綜合分析下該類型制冷循環模式以及循環點，有助于我們找到解決問題的突破點。該類型制冷循環共同特點為：專注于單級典型蒸汽壓縮循環，降低能耗的根本是制冷功能的變化，比如多溫區室的轉換或者關停；使用高效壓縮機，提高蒸發溫度，降低冷凝壓力；加厚發泡層厚度以及加裝真空絕熱板等來將少箱體結構的漏熱。

2.1.1 雙循環制冷系統

雙循環制冷系統引入一個分流電磁換向閥或者穩態電磁閥，主要功能為實現冷藏或者冷凍功能從制冷循環中斷開，單個冷藏冷凍箱可以實現冷藏冷藏功能和單純冷藏或者單純冷凍功能，選擇控制的轉換簡單通過換向閥的開閉來實現。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→冷藏蒸發器→冷凍蒸發器→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→冷藏蒸發器→壓縮機

分析：冷藏蒸發器蒸發溫度tol由冷藏毛細管節流產生，冷凍蒸發器蒸發溫度由冷凍毛細管節流產生，冷藏功能和冷凍功能的轉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 三循環制冷系統

三循環制冷系統中引入變溫室儲溫功能單元，可實現儲溫功能變溫功能轉換。三循環制冷系統引入兩個個分流電磁換向閥或者雙穩態電磁閥，主要功能為實現冷藏以及變溫功能從制冷循環中斷開，可以單獨實現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。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)常閉關閉，電磁閥(Ⅰ)常閉關閉。

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

第二種情況：電磁閥(Ⅱ)常閉打開，電磁閥(Ⅰ)常閉關閉。

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

分析：三循環制冷系統提供了多于雙循環制冷系統的儲藏溫度功能，引導高檔冰箱多樣化儲藏功能設計，控制方式由于引入了雙穩態電磁閥結構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。雙穩態電磁閥結構由主控程序的脈沖發生器發射脈沖實現通斷，基本無電能消耗。回氣管組成換熱器結構需要依據不同節流方式的毛細管的匹配粘貼長度（換熱面積），可實現回氣換熱器末端多余過冷液態制冷劑換熱，滿足回氣管末端溫度高于環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 冷凝器保壓循環制冷系統

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

表1 常規循環和冷凝保壓循環制冷系統部件熱損失比較

制冷系統循環系統流程簡圖見圖5所示。

該系統將一泄壓毛細管并聯于冷凝器結構流程，端口由單向閥和三通閥組成制冷劑換向控制器接入循環。由制冷劑循環流程簡圖可歸納出循環模式如下：

壓縮機開機工作狀態：脈沖單向閥打開

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

壓縮機停機工作狀態：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→冷凍蒸發器→冷藏蒸發器→壓力平衡

冷凝器保壓循環制冷系統和以上傳統循環比較，突破了在節能冰箱設計中單純依靠增加發泡層厚度改善導熱系數以及使用高效壓縮機提高系統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，系統高低壓區失去壓差動力，自動開始平衡，受到蒸發器低壓區影響，吸氣管溫度從t2時刻到t3時刻位于環境溫度t(25℃)以下，該部分冷量Q§由于不屬于有效制冷區域，屬于無效,同時由于回氣管與蒸發器末端相通，回氣管的溫度波動進一步影響蒸發器，直接結果就是造成蒸發器溫度快速回升。

圖7所示為采用冷凝保壓制冷循環后系統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停機后依然保持在28℃到30℃之間，由于高于環境溫度（25℃），此期間依然可以與環境進行熱交換，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，冷凝器和蒸發器壓差通過泄壓毛細管形成旁路節流，蒸發器內繼續獲取節流后制冷劑氣化潛熱；

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

分析一：常規蒸汽壓縮式電冰箱冷凝過程

靜態熱負荷為Q0；實際熱負荷為Q0+Qx；壓縮機消耗功P；

系統循環效率COP;

Qk=Q0+Qx+P。

假定系統循環效率為1.70，根據測試數據計算，Qx約為Qk的5%，則計算結果為:

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，壓縮機開機區間的無效吸熱量由于泄壓毛細管的節流作用維持高壓高溫狀態而再次利用，

靜態熱負荷為Q0；實際熱負荷為Q0-Qx1；壓縮機消耗功P；

Qk=Q0-Qx1+P

假定原系統循環效率為1.70，采用冷凝器保壓制冷循環的系統循環效率為1.75，根據測試數據計算，Qx約為Qk的8%，則計算結果為：

Qx1=Q0×0.12

即冰箱熱負荷減少約12%。

可知：采用冷凝保壓技術后系統節能效果提高為10%。

根據節能型冰箱經常型試驗優化結合軟件模擬所建立起來的數學模型，數學模型的數據輸入點為蒸發溫度，蒸發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(工況條件同蒸發器工況)，蒸發器蒸發溫度和傳熱溫差。節能型冰箱根據測試溫度點動態匹配要求如下：

蒸發器蒸發溫度：在25℃環境溫度條件下，蒸發溫度在-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）:與環境溫差在8℃左右；壁面傳熱溫差：壁面溫度和最熱M包溫差不小于5℃。

3 結論

根據對目前傳統冰箱以及0.27℃節能冰箱的分析，我們得出一些結論：首先，完善制冷系統各個部件的設計按照節能參數原則進行優化時非常有必要的，25℃環境溫度條件下蒸發溫度要求控制在-26℃～-28℃；過濾器的過冷度控制在8℃～10℃（設計冷凝溫度為40℃）；42℃環境條件下儲液罐（氣液分離器）盡量保證為干蒸汽狀態回壓縮機；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轉化為制冷量，維持冷凝器部分的持續散熱，也是提高系統效率的有效途徑。

提升冰箱制冷系統的節能水平不是單純的依靠制冷系統來實現的，是需要包括保溫層設計，壓縮機工況實際運行數據修正，以及結構漏熱處理來綜合實現的。節能設計從一開始就需要統籌全面，抓住細節，分析熱損失的主要方面。

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