采用微通道冷凝器的無霜風冷冰箱系統性能提升

張成全 施駿業 陳江平

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

采用微通道冷凝器的無霜風冷冰箱系統性能提升

張成全 施駿業 陳江平

（上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240）

隨著《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》（GB 12021.2—2015）的實施，本文將微通道換熱器（MPE）引入無霜風冷冰箱，采用由部件單體到系統整體的技術路線，實驗研究了無霜風冷冰箱系統中的4種典型的微通道冷凝器樣件，并與原機冷凝器進行了單體性能對比測試。結果表明：最優樣件的換熱性能提升13%，其空氣側壓降為原機的28%，制冷劑側壓降為原機的54%。將最優樣件引入冰箱系統并優化了系統的充注量，按照新標準GB／T8059—2016的要求對新系統進行了標準耗電量測試，結果表明：當測試工況為25℃時，系統耗電量較原系統下降了2.8%，新國標系統折算耗電量較原機下降了2.6%，達到了新國標1級的要求。

冰箱；GB 12021.2—2015；微通道換熱器；節能

家用電器作為家庭生活中能源的主要消耗點，其能效的提升可以為我國的節能減排做出重要的貢獻，家用冰箱作為全天連續工作的設備，是家用電器里的用電大戶。自 2016年 10月 1日起，新國標 GB 12021.2—2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級》［1］正式實施，新版本電冰箱能效標準1級能效要求冰箱耗電大幅度降低，新1級比舊1級耗電量需下降約40%，新版本也更新了冰箱耗電量的測試方法，冰箱綜合耗電測試更貼近用戶實際使用情況。基于此背景，國內新一輪的冰箱系統性能提升研究正在全面展開。

J.M.Belman-Flores等［2］發現冰箱整機性能的提升主要基于以下四個方面：1）壓縮機性能的提升，2）新型保溫材料的開發，3）高效換熱器的設計應用，4）整機控制邏輯的優化研究。王維等［3］通過實驗及模擬的方法，對采用變頻壓縮機的風冷冰箱在壓縮機不同轉速時的耗電量、功率及開機率進行了研究。同時還研究了壓縮機在不同轉速條件下，冰箱的冷藏室、冷凍室、果蔬室及制冰室等主要間室內的溫度變化情況。M.Visek等［4］對冰箱整機能耗進行性能研究發現，冰箱冷凝器總體傳熱系數提高30%，系統可節能8.1%。

童蕾等［5］分析了冰箱制冷系統中起熱交換作用的兩器（蒸發器、冷凝器）管道材料銅、鐵、鋁三者的性能、經濟性的對比關系，探討冰箱管材料用非銅管替代銅管的可行性和應用價值，得出用邦迪管、鋁管替代在冰箱中使用最廣泛的紫銅管，在工藝和技術上可行，并能有效降低冰箱的生產成本。近年來德、日、韓等國的主要家用冰箱生產企業均已開發出應用鋁制微通道冷凝器的冰箱產品，主要針對大容量的對開門及三開門冰箱，其中德國企業已經批量應用微通道冷凝器多年，韓國企業也已經批量使用并且取得了不錯的節能效果。國內許多企業的科研機構也已經開始對微通道換熱器在家用冰箱中的應用進行了一系列探索。但有關微通道換熱器在冰箱中應用的相關學術論文相對較少。李徽等［6］將微通道換熱器作為冷凝器應用到飲料柜中，分別對銅管翅片式冷凝器的飲料柜和微通道冷凝器的飲料柜進行了性能實驗，結果表明：用微通道換熱器作為飲料柜的冷凝器具有高效、減少制冷劑充注量、成本低等優點。趙亞麗［7］對冰箱冰柜系統冷凝器熱路特性進行深入分析，找出提升冷凝器性能的有效途徑，為實現冰箱／冰柜節能研究和優化設計提供必要的理論依據。王穎等［8］通過將微通道換熱器引入3 HP柜式家用空調，并對系統性能和充注量等進行了對比研究。

雖然前人已經做了一些相關的研究工作，但仍未有人對微通道換熱器在家用冰箱中的應用進行研究。本文分別從部件性能及系統性能的角度對微通道換熱器在家用冰箱中應用的可行性進行了研究，首先設計加工了21種不同的微通道冷凝器，選取4種典型樣件測試單體性能，隨后優選單體性能最優樣件并將其裝入冰箱系統進行系統性能測試，最終對微通道冰箱系統進行了工況優化。

1 換熱器設計及單體實驗

1.1 換熱器樣件

微通道換熱器芯體大小根據原機尺寸及風道結構進行設計，具體結構參數按照理論模型的指導進行選擇。換熱器設計的理論模型將微通道換熱器分成若干個不同的傳熱單元，對每個基本單元采用ε-NTU方法計算。空氣側傳熱與壓降參考董軍啟等［9］與M.H.Kim等［10］提出的傳熱與壓降關聯式。制冷劑側單相區參考V.Gnielinski［11］與S.W.Chuchill［12］提出的傳熱與壓降關聯式，制冷劑側兩相區參考M. K.Dobson等［13］與V.Gnielinski［14］提出的傳熱與壓降關聯式。

基于平行流及管帶式不同的結構形式以及百葉窗翅片和平直翅片不同的翅片形式，本文共加工了21種不同結構參數級類型的微通道樣件。微通道冷凝器和絲管式冷凝器樣件如圖1所示。本文選取了4種典型樣件，樣件翅片為百葉窗翅片和平直翅片，如圖2所示，具體規格參數如表1所示。

圖1 微通道冷凝器（上）及傳統絲管式冷凝器（下）Fig.1 Microchannel heat condenser（up）wire and tube condenser（down）

圖2 百葉窗翅片（左）和平直翅片（右）Fig.2 Louver fin（left）and plain fin（right）

1.2 單體實驗系統及原理

單體實驗系統的原理如圖3所示。冷凝器單體實驗在小風洞實驗臺中進行，實驗臺專為測試較小換熱量換熱器設計搭建，如圖4所示。實驗臺包括一個環境室，環境室設有一套空調機組，用于控制房間的空氣狀態。制冷系統壓縮機為冰箱系統專用變頻壓縮機，壓縮機配有專用控制器調節其轉速以便對系統冷凝壓力進行控制。系統流量通過小通徑計量調節閥（針閥）控制。冷凝器出口過冷度主要通過改變系統充注量的方式進行控制。蒸發過程以管路外纏繞電加熱帶的方式實現，壓縮機出口到冷凝器入口管路同樣纏有電加熱帶，用于控制冷凝器入口過熱度。

單體實驗工況如表2所示，系統風量為原機冷凝風機（12 V／930 r／min）工作時的風量，系統各個測量部件精度如表3所示。換熱器制冷劑側及空氣側壓降由傳感器直接測量得到，換熱量Q可由制冷劑側及空氣側焓差法計算可得。

表1 樣件參數Tab.1 Sample specifications

圖3 冷凝器單體實驗原理圖Fig.3 Schematic diagram of condenser test

圖4 實驗臺照片Fig.4 Picture of test bench

表2 單體實驗工況Tab.2 Heat exchanger test condition

1.3 單體實驗結果分析

本實驗對原機絲管式冷凝器和4種不同形式的微通道換熱器分別進行了單體性能實驗，實驗結果如表4所示。從圖5可看出，在相同的測試工況下，4種微通道換熱器的單體換熱量均大于原機絲管式冷凝器，2＃樣件單體換熱量最高，相比于原機絲管式冷凝器，2＃樣件換熱量提高了25%。這是由于微通道換熱器結構緊湊換熱效率更高。

表3 實驗臺各參數測試精度Tab.3 Parameter accuracy of test bench

表4 換熱器單體實驗結果對比Tab.4 Test results of heat exchanger test

圖5 單體換熱能力對比Fig.5 Heat capacity comparison of different samples

從圖6可知在相同風量的情況下，1＃和3＃樣件的空氣側壓降均低于原絲管式冷凝器空氣側壓降，3＃空氣側的壓降最低，僅為7.3 Pa。從圖7可以看出，平行流式換熱器制冷劑側的壓降最小，只有原冷凝器制冷劑側壓降的5%。管片式換熱器制冷劑側的壓降則隨著扁管寬度的減小而增大。4＃樣件的扁管寬度最小，制冷劑側壓降最大，高出原絲管式冷凝器制冷劑側壓降9.1%。

圖6 單體空氣側壓降對比Fig.6 Air side pressure drop comparison of different samples

圖7 單體制冷劑側壓降對比Fig.7 Refrigerant side pressure drop comparison of different samples

綜上所述：在冰箱低風速工況下，四種樣品的換熱能力提高程度近似，3＃樣件空氣側壓降只有原機的28%，制冷劑側壓降只有原機的54%，其單體換熱性能也比原機提高13%，因此3＃樣件單體性能最優。

2 冰箱系統實驗結果與分析

2.1 實驗系統及工況

如圖8所示，系統實驗基于一臺國際知名品牌的大容量無霜風冷冰箱（BCD512），測試方法按照新版國標《家用和類似用途制冷器具》（GB／T 8059—2016）的相關要求進行，耗電測試為空載，降溫速度測試為冷凍滿載冷藏空載，測試過程中在冷凍室上中下均勻布置三個熱電偶，冷藏室距離倉體底面50 mm位置、冷藏室1／2處及上1／4處布置三個熱電偶，制冷系統各個關鍵位置布有溫度測點，用于監測系統工作時的工況變化，設置冷凍室、冷藏室溫度分別為－18℃及4℃，由于冰箱的開機、停機，冷凍室、冷藏室溫度會出現波動，波動范圍如表5所示，耗電量測試開始前均保證冰箱穩定運行24 h以上，測試房間溫度由房間空調控制，環境溫度選擇16℃，25℃，32℃三種不同工況。系統實驗被測參數的測試精度如表6所示。

圖8 實驗用BCD512冰箱系統Fig.8 BCD512 refrigerator test system

表5 系統實驗倉體內溫度波動范圍Tab.5 Temperature wave range of refrigerator chamber

2.2 實驗結果及優化分析

選擇單體性能最優的3＃樣件作為系統實驗測試對象，本文首先將其直接替代原機冷凝器，并在25℃的工況及相同充注量下分別對系統進行了空箱耗電測試及滿載降溫測試，測試結果如表7所示，從空箱耗電量測試可以看出，微通道系統并無明顯優勢，從滿載降溫速度來看，微通道系統降溫度速加快了15%，更換冷凝器后，冰箱制冷系統工況發生了變化，降溫速度加快表明系統制冷量較原系統有一定程度的提高，這是微通道系統的優勢所在。但在空箱耗電測試時兩系統壓縮機功耗相當，微通道系統制冷量提高的優勢并不能轉化為耗電量減少，因此冰箱整機耗電量下降很少。又因為耗電量對冰箱系統來說是更為重要的一個評價指標，因此應對整個制冷系統進行進一步的匹配和優化以達到降低耗電的目的。制冷系統整體的優化及性能提升也不能單單靠更換冷凝器實現，還需要配合節流機構、系統充注量等部件參數的調節。對系統進行部件參數的調節與匹配才能找到系統運行的最佳工況點，從而達到節能降耗的目的。

由于變換系統毛細管的樣機制作較為困難，因此本文對3＃樣件組成的微通道冰箱系統的充注量進行了優化分析，最終系統在85 g充注量時得到了最低的耗電量（圖9），充注量對系統耗電的影響與J.Boeng等［15］，W.J.Yoon等［16］學者的研究結果相同。最終確定3＃樣品為系統冷凝器，85 g為系統充注量，更改了冷凝器的組成結構（圖10），并按照新國標GB／T8059—2016要求對新系統進行了標準耗電量測試，結果如表8所示。在25℃的測試工況下系統耗電量較原系統下降了2.8%，高溫32℃及低溫16℃測試工況下耗電量也有一定程度的下降，新國標系統折算耗電量較原機下降了2.6%，達到了新國標1級的要求。

表6 系統實驗各參數測試精度Tab.6 Parameter accuracy of system test

表7 25℃工況下不同冰箱系統性能對比Tab.7 Test results comparison of different system

表8 新國標要求下耗電量測試結果Tab.8 Energy consumption test results in new national standard

圖9 充注量對耗電影響Fig.9 Energy consumption in different charge amount condition

圖10 冰箱微通道冷凝器總成結構Fig.10 Structure of microchannel condenser assembly

3 結論

本文從單體部件到系統整機的研究方法，分析了微通道冷凝器在家用冰箱中應用的可行性，得到如下結論：

1）設計測試了多種可用于家用無霜風冷冰箱的管帶式微通道冷凝器，在冷凝壓力0.43 MPa，環境溫度25℃工況下進行了換熱器單體性能測試，最優樣件的換熱性能優于原機，提升幅度可達13%。其制冷劑側壓降及空氣側壓降與原機相比也有較大程度的降低，空氣側壓降只有原機的28%，制冷劑側壓降只有原機的54%。

2）對微通道冷凝器直接替代絲管式冷凝器的冰箱系統進行了充注量的優化，按照新國標 GB／T 8059—2016的要求對新系統進行了標準耗電量測試：在25℃的測試工況下系統耗電量較原系統下降了2.8%，高溫32℃及低溫16℃測試工況下耗電量也有一定程度的下降，新國標系統折算耗電量較原機下降了2.6%，達到了新國標1級的要求。

研究結果表明：微通道冷凝器可以實現對傳統家用冰箱絲管式冷凝器的替代，并且通過配合制冷系統其他參數的優化調整，冰箱整體能效還有很大的提升空間，綜合成本等因素考慮冰箱用微通道冷凝器具有良好的推廣前景。

［1］中國家用電器協會.中國家用電冰箱產業技術路線圖［M］.北京：中國家用電器協會，2015：14-15.（China Household Electrical Appliances Association.China household refrigerator industry technology roadmap［M］.Beijing：China Household Electrical Appliances Association，2015：14-15.）

［2］Belman-Flores J M，Barroso-Maldonado J M，Rodríguez-Mu?oz A P，et al.Enhancements in domestic refrigeration，approaching a sustainable refrigerator-A review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，51：955-968.

［3］王維，王瑞，秦宗民.采用變頻壓縮機的風冷冰箱系統性能研究［J］.制冷學報，2013，34（6）：90-96.（WANG Wei，WANG Rui，QIN Zongmin.An experimental analysis of a frost-free refrigerator using a variable capacity compressor［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（6）：90-96.）

［4］Visek M，Joppolo C M，Molinaroli L，et al.Advanced sequential dual evaporator domestic refrigerator／freezer：System energy optimization［J］.International Journal of Refrigeration，2014，43：71-79.

［5］童蕾，陳超敏，陳清坤.對冰箱換熱器使用的管道材料的分析［J］.制冷學報，2004，25（4）：60-63.（TONG Lei，CHEN Chaomin，CHEN Qingkun.Analysis of tube material for heat exchanger of refrigerator［J］.Journal of Refrigeration，2004，25（4）：60-63.）

［6］李徽，于燕，牛新朝，等.微通道換熱器在飲料柜上應用實驗研究［J］.日用電器，2014（11）：63-66.（LI Hui，YU Yan，NIU Xinchao，et al.Experimental study of micro channel heat exchanger in beverage cooler［J］.E-lectronic Appliance，2014（11）：63-66.）

［7］趙亞麗.冰箱／冰柜內藏板管式冷凝器熱路分析與管型研究［C］／／中國家用電器技術大會.合肥，2015.（ZHAO Yali.Thermal analysis of condensers for household refrigerators［C］／／China Household Electrical Appliance Technology Conference.Hefei，2015.）

［8］王穎，徐博，陳江平，等.微通道換熱器用于家用柜機空調時整機性能的對比實驗研究［J］.制冷學報，2015，36（1）：24-29.（WANG Ying，XU Bo，CHEN Jiangping，et al.Experimental research of microchannel heat exchanger on packaged air conditioning system［J］.Journal of Refrigeration，2015，36（1）：24-29.）

［9］董軍啟，陳江平，袁慶豐，等.板翅換熱器平直翅片的傳熱與阻力性能試驗［J］.農業機械學報，2007，38（8）：53-56.（DONG Junqi，CHEN Jiangping，YUAN Qingfeng，et al.Flow and heat transfer on compact smooth fin surfaces［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2007，38（8）：53-56.）

［10］Kim M H，Bullard C W.Air-side performance of brazed aluminum heat exchangers under dehumidifying conditions［J］.International Journal of Refrigeration，2002，25：924-934.

［11］Gnielinski V.New equations for heat and mass-transfer in turbulent pipe and channel flow［J］.International Chemical Engineering，1976，16（2）：359-368.

［12］Churchill S W.Comprehensive correlating equations for heat，mass，and momentum transfer in fully developed flow in smooth tubes［J］.Industrial and Engineering Chemistry Research Fundamentals，1977，16：109-116.

［13］Dobson M K，Chato J C.Condensation in smooth horizontal tubes［J］.Journal of Heat Transfer，1998，120（1）：193-213.

［14］Gnielinski V.New equations for heat and mass-transfer in turbulent pipe and channel flow［J］.International Chemical Engineering，1976，16（2）：359-368.

［15］Boeng J，Melo C.Mapping the energy consumption of household refrigerators by varying the refrigerant charge and the expansion restriction［J］.International Journal of Refrigeration，2014，41：37-44.

［16］Yoon W J，Jung H W，Chung H J，et al.Performance optimization of a two-circuit cycle with parallel evaporators for a domestic refrigerator-freezer［J］.International Journal of Refrigeration，2011，34（1）：216-224.

Optimal Performance Research of Frost?free Air?cooled Refrigerator with Microchannel Condenser

Zhang Chengquan Shi Junye Chen Jiangping
（Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai，200240，China）

With implementation of the Maximum Allowable Values of The Energy Consumption And Energy Efficiency Grade For Household Refrigerators（GB 12021.2—2015），this study experimentally investigated the application of four typical kinds of microchannel heat exchangers（MPE）on domestic refrigerator system.The investigation was conducted from component to system，and heat exchanger performance was compared with original condenser.The results show that for the best MPE sample，the heat transfer performance can increase by 13%，the air-side pressure drop is only 28%，and the refrigerant-side pressure drop is only 54%.The best MPE sample was introduced into a refrigerator system，and the charge of refrigerant for the system was optimized.The optimized system energy consumption was tested under national standard GB／T8059—2016.The results show that the energy consumption of the new system was 2.8%lower than the original under a test condition of 25℃，and the calculated energy consumption based on the new national standard was 2.6% lower than the original.This can meet the first-class requirements of the new national standard.

domestic refrigerator；GB 12021.2—2015；microchannel heat exchanger；energy conservation

TQ051.5；TM925.21

：A

0253－4339（2017）03－0043－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.043

陳江平，男，博士，教授，博士研究生導師，上海交通大學制冷與低溫工程研究所，（021）34206775，E-mail：jpchen＿sjtu＠163. com。研究方向：制冷及低溫工程、車用空調技術。現在進行的研究項目有：上海市科委項目（16Z111190001）——電動汽車熱泵空調系統開發。

2016年8月17日

About the corresponding author

Chen Jiangping，male，Ph.D.，professor，Ph.D.supervisor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，Shanghai Jiao Tong University，＋86 21-34206775，E-mail：jpchen＿sjtu＠163.com.Research fields：research for refrigeration and cryogenics，application research for automotive air conditioner system.The author takes on project supported by the Science Foundation of Shanghai（No.16Z111190001）：development of heat-pump air conditioning system for electric vehicle.