冰箱制冷劑灌注量對系統影響分析

申婷 嚴耀宗 樊峰剛 張書寧

1.珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070;

2.珠海格力節能環保制冷技術研究中心有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

隨著經濟快速發展，人民生活水平提高，冰箱作為家電產品越來越普及，大容量冰箱的市場占有率也越來越高，也帶來了更多的電能消耗，節能是電冰箱設計及制冷系統與壓縮機選型匹配時優先考慮的課題，是考查冰箱性能的一個重要指標。冰箱制冷系統由壓縮機、蒸發器、冷凝器、毛細管這四大核心部件組成，而冰箱在進行設計開發時，需要先確定這四大部件的技術參數，再根據實際使用要求，來調整冰箱制冷系統制冷劑的灌注量，并通過不斷的進行試驗和分析，使制冷系統趨于合理化。因此，確定系統最佳制冷劑灌注量是冰箱設計的重要一環，也是影響冰箱性能優劣的重要因素。

在冰箱實際匹配試驗時，往往會因實驗員操作及電子稱差異，造成制冷劑灌注量過多或過少，這些都會影響冰箱制冷性能，造成耗電量偏高，冰箱制冷效果不好，有時甚至會導致冰箱不能正常運行，無法制冷，本文根據實際匹配進行具體分析其制冷劑過多或過少對冰箱制冷系統的影響。

2 冰箱基本原理

電冰箱制冷系統主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器和毛細管組成一個封閉的循環系統。其工作原理為：壓縮機將來自蒸發器的低壓蒸汽進行壓縮，變成高溫高壓蒸汽后進入冷凝器，在冷凝器中制冷劑不斷向周圍空間放熱，凝結成高壓液體，這些高壓液體通過毛細管節流降壓后變成低壓低溫液體（或部分液體已蒸發成氣體）流入蒸發器，在蒸發器中利用制冷劑蒸發吸收冰箱內的熱量，由低壓液體汽化為氣體，使冰箱冰柜小型制冷系統內溫度降低，吸收汽化熱后的低壓蒸汽重返壓縮機，再進行下一循環，其原理如圖1所示。就這樣冰箱利用電能做功，借助制冷劑的物態變化，把箱內蒸發器周圍的熱量運送到冷凝器里去放出，如此周而復始不斷地循環，以達到制冷目的。

3 冰箱灌注量試驗方法

以某型號冰箱BCD-320為例，其系統灌注量為R600a制冷劑80g，對冰箱重新灌注制冷劑，分別灌注70g與90g，每個方案用三臺樣機進行試驗分析，其他試驗準備與冰箱耗電量測試一致，在各間室布置熱電偶（如圖2所示），并在壓縮機吸排氣、殼頂及干燥過濾器上布置熱電偶，測試溫度變化，在蒸發器進出口布置熱電偶（如圖3所示），能夠時刻觀察系統制冷劑變化及換熱，冰箱吸排氣處焊接壓力傳感器，測試吸排氣壓力變化。冰箱測試系統布點詳情如表1所示。

試驗采用的測試裝置有無紙記錄儀和壓力傳感器，其中無紙記錄儀廠家是：YOKOGAWA橫河無紙記錄儀，型號為GP20，壓力傳感器的量程及參數如表2所示。

4 實驗數據分析

4.1 制冷劑灌注量不足的系統變化

采用A方案對冰箱系統灌注制冷劑70g，冰箱穩定運行，進行耗電量測試，通過軟件記錄測試曲線（如圖4所示）及各間室溫度數據（如表3所示），蒸發器過熱嚴重，出口溫度較高，進出口最大溫差達9℃，冰箱開機時間較長，開機率達73%（正常情況下33HZ穩定運行時開機率為55%左右），冰箱穩定運行時功率偏低，為48W（如表4所示）。

表1 冰箱測試系統布點

表2 壓力傳感器性能參數

表3 BCD-320冰箱A方案穩定運行數據

圖1 單路循環冰箱制冷系統流程

因冰箱系統中制冷劑較少，會導致蒸發器蒸發能力不足，致使制冷劑在未到達蒸發器末端出口就已經完全換熱，故蒸發器出口溫度大于蒸發器進口溫度，由于系統中制冷劑不足，流量偏小，使壓縮機運行功率也偏低，因蒸發器提供冷量變小，制冷系統效率低，壓縮機需要長時間工作來維持間室溫度，故會開機率增加，增加冰箱耗電量。

4.2 制冷劑灌注量過多的系統變化

采用C方案對冰箱系統灌注制冷劑90g，冰箱穩定運行，進行耗電量測試，通過軟件記錄測試曲線（圖5）及各間室溫度數據（表5），如圖5中所示，壓縮機吸氣溫度過低，最低溫度達-10℃左右，平均溫度也近2℃，回氣管處有嚴重霜層，對比冰箱在B方案（冰箱系統灌注制冷劑80g）正常運行時，吸氣溫度與環境溫度相差不大。

根據圖4冰箱系統隨時間變化的功率、吸氣溫度等曲線分析可知，當冰箱間室溫度達到設定后，冰箱開始正常穩定運行，期間出現壓縮機連續運行超過1h，冰箱繼續升頻運行，開機時間增大，開機率達92%（如表4所示），耗電量也較高，超出標稱值130%；而另一方面，因系統中制冷劑量過多，使壓縮機吸氣溫度過低，空氣密度加大，導致壓縮機在壓縮過程中會有液體出現，極大可能液擊排氣閥片，影響壓縮機壽命。另外從系統回氣管到壓縮機進口的制冷劑流動過程中，制冷劑會從環境中吸收大量的熱量，使蒸發器的相對使用面積減小，壓縮機運行功耗增加，也就使制冷系統效率更低。

5 結論

對于一臺已經設計好的固定容積冰箱，其最佳制冷劑灌注量是一定的，若制冷劑灌注量不足，會出現蒸發器出口溫度較高，過熱嚴重，蒸發器提供冷量小于冰箱熱負荷，故冰箱會開機時間增長，開機率增加，嚴重時間室達不到設定溫度，因系統中制冷劑偏少，制冷劑流量偏小，壓縮機功率也偏低，因開機時間增加的影響大于壓縮機功率降低的影響，冰箱整個耗電量依然是增大的，在冰箱系統中，要避免系統灌注量不足、制冷劑泄漏而導致的制冷劑量偏低。

圖2 冰箱各間室布點情況

圖3 冰箱蒸發器進出口布點情況

圖4 BCD-320冰箱A方案穩定運行曲線

圖5 BCD-320冰箱C方案穩定運行曲線

表4 BCD-320冰箱同頻率不同制冷劑灌注量下參數對比

表5 BCD-320冰箱C方案穩定運行數據

雖然制冷劑不足會使耗電量增加，但制冷劑灌注量并非越多越好，若制冷劑灌注量超出設計值的2g左右，在低頻下對系統耗電量是有益處的，但灌注量過多，回氣管溫度長時間過低，會致使回氣管產生流水狀凝露甚至結冰，另一方面，冰箱長時間運行，蒸發器霜層覆蓋，換熱效率下降，導致制冷量不足，冰箱同樣出現開機時間增長，開機率增加，冰箱能耗反而增加。