系統保壓閥在冰箱中的應用

施紅玉 王紅娟 曾理 孫文靜 金錫魯

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

1.1 技術背景

目前家用冰箱通常采用單級蒸氣壓縮系統進行制冷，比較成熟的節能技術主要有提升壓縮機效率，改善保溫效果，系統匹配等[1]。隨著全球能效標準升級，這些較為成熟的節能技術已逐漸趨于瓶頸，在前往極致節能的道路上，需要不斷提出新的節能技術，本文重點研究在冰箱制冷循環中增加冷凝器保壓技術[2]。

1.2 節能原理

冰箱制冷過程，壓縮機周期開停。制冷階段，蒸氣壓縮制冷循環的蒸發過程和冷凝過程建立在壓縮機閥片內外的壓差持續保持條件下，冷凝側高壓高溫，向環境側散熱自身液化；另一側低壓蒸發，從冰箱間室內吸熱，從而實現對冰箱制冷降溫，此循環過程，熱量等式表示為[3]：

其中：Qk為冷凝器散熱量，Qo為蒸發器制冷量，W為壓縮機輸入功率。

當冰箱溫度降低至停機溫度，壓縮機停止工作，若無保壓閥，系統無法維持冷凝器和蒸發器之間特定的壓差，通過節流元件的聯通，系統壓力逐漸趨于平衡，冷凝側壓力降低，冷媒降壓汽化，從環境吸熱。此時壓縮機機腔溫度遠高于蒸發器內溫度, 蒸發器內冷量通過回氣管通道使壓縮機機腔溫度降低，低于冷凝器溫度時，冷凝器向壓縮機傳熱繼續對蒸發器加熱，蒸發器溫度升高至高于冰箱間室溫度，從而向間室散熱，造成能量損失。直到下一次壓縮機開機，壓縮機輸入功補償蒸發器冷量損失，建立新的平衡，保持冷凝器/蒸發器在一定的壓差下平衡，恢復熱量方程。

若在系統中增加冷凝器保壓裝置，在壓縮機停機時保持關閉狀態，維持冷凝器/蒸發器中存在一定的壓差，能有效降低冷凝器中冷媒汽化，減少從環境吸熱，降低能量損失，壓縮機再次啟動時消耗較低的電功即可恢復平穩運行，從而起到節能效果。

2 制冷系統與控制邏輯設計

2.1 制冷系統設計

圖1 冰箱單系統、雙系統制冷循環圖

如圖1a）、b）所示為冰箱單系統、雙系統制冷循環圖，在干燥過濾器后端增加單向截止閥或帶有關閉功能的一進兩出電磁閥。相應的選擇美的單系統兩門BCD360和雙系統多門BCD479冰箱作為實驗機型進行改制。

2.2 控制邏輯

單系統冰箱中增加冷凝器保壓裝置，冰箱通電運行，閥復位至全關，冷凍控制壓縮機開停，傳感器溫度高于設定的開機點，冷凍請求壓縮機運行，開閥同步進行壓縮機啟動，判定冷藏傳感器溫度高于設定冷藏停機點時，通向冷藏風門開啟，冷藏降溫至低于停機點，風門關閉，冷凍繼續請求制冷至達到停機點，壓縮機關閉同步閥切斷。壓縮機停機時，冷藏不請求，即風門不開啟。

雙系統冰箱中在干燥過濾器與毛細管之間串有一進兩出電磁閥，其控制邏輯與正常冰箱運行時請求規則相同，僅在壓縮機停機時增加電磁閥切向關閉位置。雙系統冰箱正常運行時，冷藏/冷凍均可請求壓縮機，冷藏請求優先級高于冷凍。可能出現的請求形式較多：（1）冷藏請求，壓縮機啟動至冷藏停機時，冷凍未達開機點，壓縮機停機，閥關閉，冷藏起到保壓作用；（2）冷藏請求，壓縮機啟動至冷藏停機時，冷凍達到開機點，閥切換至冷凍蒸發器，冷藏起到保壓作用；冷凍達到停機點，壓縮機關閉，閥關閉，冷凍實現保壓；（3）冷凍先請求，壓縮機啟動，閥切換至冷凍蒸發器，降溫至停機點，壓縮機停機，閥關閉，冷凍可以保壓；（4）冷凍請求未停止，冷藏請求，閥切換至冷藏，停機后冷凍繼續制冷至壓縮機停機，閥切斷，系統保壓。此方案不能解決閥切冷藏蒸發器和冷凍蒸發器時造成的系統壓力變化、冷媒回流問題。單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯如圖2所示。

圖2 單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯

3 測試結果分析

為盡可能減少實驗測試對驗證結果的影響，本研究選擇在售單系統機型進行系統改進，增加單向閥，僅通過控制程序調整，對比閥常通不動作、閥與壓縮機關聯通斷模擬保壓對系統的影響。

3.1 保壓閥對制冷系統的影響

圖3 單系統冰箱有無保壓裝置系統溫度變化對比

壓縮機停機時，無閥動作冷凝器出口溫度迅速降低至環溫以下，然后緩慢回升至與環溫平衡，閥關閉時冷凝器出口溫度緩慢降低。主要是因為壓縮機停機，系統沒有閥動作，冷凝器出口處冷媒量減少，壓力降低，部分冷媒汽化，溫度迅速降低甚至低于環境溫度，隨后與環境換熱逐漸回升。

壓縮機開機時，閥動作回氣溫度降低幅度小于無閥狀態，且冷凝器出口溫度降低——有閥時冰箱有制冷請求，壓縮機啟動，閥打開，冷凝器出口壓力降低冷媒汽化溫度降低，蒸發器中冷媒較少，開機瞬間壓縮機抽回冷媒，回氣與毛細管存在少量換熱，回氣溫度較無閥動作時高。

關閥時蒸發器溫度回升較閥常通時緩慢，閥關閉時系統冷媒流動被切斷，高低壓側僅靠傳導進行熱量傳遞，溫度回升低于無閥狀態。

3.2 不同環溫對保壓效果的影響

圖3a）、b）為單系統冰箱32℃環境溫度下運行，有無保壓裝置時系統溫度變化對比情況。

圖4 冰箱有無保壓裝置時系統溫度變化對比情況

圖4a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環境溫度下運行，有無保壓裝置時系統溫度變化對比情況，蒸發器、冷凝器、回氣溫度變化趨勢相同。

圖5a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環境溫度下運行，有無保壓裝置時系統壓力變化對比情況，16℃環溫時，壓縮機運行時高壓側壓力3.44 MPa，低壓側0.59 MPa，停機時間45 min，在停機13 min時系統壓力平衡至0.84 MPa。截止閥關閉后仍存在一定冷媒泄露，整個停機階段，高壓側壓力降低至2.99 MPa，低壓上升至0.82 MPa。32℃環溫下，低壓及系統平衡壓力與16℃相近，分別在0.55 MPa和0.8 MPa左右，但高壓側壓力5.23 MPa降低至4.8 MPa，均降低0.4 MPa左右，則其中冷媒相變比例相近，從環境吸熱量相近，說明閥泄露量在不同環溫時差異不大，即保壓效果相近，為表1為不同環溫時保壓耗電量的影響測試對比，16℃和32℃環溫時，耗電量改善分別為0.0133 kW?h/24 h和0.0138 kW?h/24 h。

圖5 冰箱有無保壓裝置時系統壓力變化對比情況

3.3 保壓閥提前開啟時間對保壓效果的影響

32℃環溫條件下，閥提前開啟時間越短，耗電量越低，結合保壓閥的節能原理也是可以理解的，再次開機前，閥提前開啟的時間越短，高壓側壓力降低越少，冷凝器中冷媒從環境吸熱越少，能耗損失越低，節能效果越好。實驗發現，提前1.5 min較閥常通狀態冰箱耗電量降低2%，進一步縮短閥開啟時間時，系統壓力較大，受壓縮機單體性能影響，時常出現壓縮機不能正常啟動現象。

表1 不同環溫下，保壓對冰箱耗電量的影響

表2 閥提前開啟時間不同，保壓對冰箱耗電量的影響

3.4 閥泄漏量對保壓效果的影響

32℃環溫條件下，閥泄漏量越低[4]，冷凝器與蒸發器中冷媒流串越少，壓力變化較低，冷凝側從環境吸熱少，向冰箱間室內散熱少，能量損失越少，保壓效果越好，更換0.004 L/min泄露量的閥比0.04 L/min閥耗電量降低0.0193 k?Wh/24 h。

表3 閥泄漏量不同，保壓對冰箱耗電量的影響

3.5 化霜前關閥抽空對冰箱耗電量的影響

風冷冰箱制冷時，風機運行將蒸發器冷量帶至間室，風溫升高濕度較蒸發器處高，流回蒸發器時，溫度降低，部分濕氣在蒸發器上附著成霜，隨著冰箱運行時間延長，蒸發器霜層變厚，影響換熱效率，因此化霜是風冷冰箱必要的環節，降低化霜耗電量也是冰箱節能的重要組成。本節主要利用截止閥在化霜進入之前切換至關閉狀態，結合壓縮機運行對蒸發器內冷媒進行抽空處理，減少蒸發器內冷媒吸熱，從而降低冰箱能耗。

閥常通時，化霜前冷凝器溫度降低，蒸發器溫度回升略高，對比表4顯示，有無閥動作時，化霜增量幾乎無差異，閥動作比閥常通化霜占比僅低0.4%，若設定24 h化霜一次，耗電量降低0.0028 kW?h/24 h。

表4 關閥抽空對化霜耗電量的影響

4 結論

本文通過一個工程實例，即在美的兩門BCD360冰箱上，增加泄漏量為0.004 L/min的保壓裝置，控制邏輯設置為與壓縮機同步關閉，壓縮機啟動前2 min開啟，化霜前關閉閥，壓縮機運轉0.5 min后，加熱絲工作，結果表明改善后耗電量減低0.0359 kW?h/24 h，相比原機能耗改善4.15%。

研究結果證明：

（1）不同環溫下，冰箱運行時，低壓及平衡壓力基本相同，環溫越高，高壓側壓力越大；系統增加截止閥進行保壓時不同環溫高壓側壓力降低的幅度相近，冷凝器中冷媒從環境吸熱相近，對能耗的改善量差別不大；

（2）閥提前開啟時間越短對降低能耗越有利，結合壓縮機啟動性能，本研究認為提前2 min開啟最合適；

（3）閥泄漏量降低增加保壓閥節能效果，泄漏量從0.04 L/min降低0.004 L/min，耗電量降低0.0193 kW?h/24 h；

（4）化霜時關閥抽空減小蒸發器中冷媒量，減小被冷媒吸收的熱量損失，可縮短化霜時間0.5 min，能耗改善0.4%。