風(fēng)機(jī)對(duì)冷藏車制冷系統(tǒng)性能的影響

李海軍，張中來，蘇之勇，袁鐵鎖，楚雪靖，翟俊杰，張朋飛，丁柘涵，寇景康，王 芳，牛華文，謝余越

（1.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450007；2.河南萬佳建設(shè)工程有限公司，鄭州 450006）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，冷藏車的需求量以20%～25%的速度增長(zhǎng)，但在能源日益枯竭的時(shí)代背景下，冷藏系統(tǒng)能耗大，大大縮短續(xù)航里程問題被廣受關(guān)注［1］。風(fēng)機(jī)作為制冷系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制調(diào)節(jié)的好壞，直接影響冷藏車的節(jié)能性和實(shí)用性［2-5］。當(dāng)純電動(dòng)冷藏車行駛在高溫的環(huán)境中，由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)定不合理，造成系統(tǒng)制冷性能衰減，系統(tǒng)功率增大，浪費(fèi)能源等問題。

針對(duì)這些問題，國(guó)內(nèi)外專家提出對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器側(cè)的風(fēng)量進(jìn)行控制調(diào)節(jié)等解決辦法［6］。金妍等［7］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)量適當(dāng)?shù)慕档停梢允箵Q熱器溫度分布均勻，降低風(fēng)機(jī)耗電量。劉亞哲等［8］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)單位換熱面積風(fēng)量適當(dāng)增大，可提高冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)。劉訓(xùn)海等［9］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)采用變風(fēng)量調(diào)節(jié)控制后，不僅功率減小，有效制冷量明顯增加。薛威等［10］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著冷凝風(fēng)機(jī)風(fēng)量減少，制冷量會(huì)大幅度減少，增加了系統(tǒng)制冷的時(shí)間。張秋玉等［11］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)量的增加，冷藏庫(kù)的降溫時(shí)間逐漸縮短。梁凱等［12］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器出口過熱度隨風(fēng)量增大而增大，最后趨于穩(wěn)定，說明非風(fēng)量越大，換熱效果越好。周光輝等［13］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著車外風(fēng)量逐漸增大，系統(tǒng)COP 和制冷量逐漸增大；壓縮機(jī)功率和壓縮機(jī)排氣溫度逐漸減小。許樹學(xué)等［14］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在相同條件下準(zhǔn)雙級(jí)壓縮比單機(jī)壓縮系統(tǒng)，排氣溫度降低，系統(tǒng)制冷量增加。唐景春等［15］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn)雙級(jí)渦旋壓縮比單機(jī)壓縮機(jī)，排氣質(zhì)量流量增大。DUTTA等［16］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)雙級(jí)壓縮很好的解決了單級(jí)壓縮系統(tǒng)里壓比過大的問題。秦海杰等［17］試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨著蒸發(fā)溫度的降低，使用R404A 比使用R22 制冷量提升10%～30%，過冷過熱循環(huán)對(duì)R404A 系統(tǒng)都有明顯的性能改善。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)換熱器側(cè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量最佳設(shè)定值研究的較少，且沒有掌握風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)制冷系統(tǒng)性能影響規(guī)律。本文采用制冷劑R404A，庫(kù)內(nèi)外兩器均采用微通道平行流換熱器，搭建低壓補(bǔ)氣型制冷系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，研究庫(kù)外風(fēng)量和庫(kù)外風(fēng)量不同設(shè)定值對(duì)冷藏車制冷系統(tǒng)性能的影響。

1 低壓補(bǔ)氣型冷藏車制冷系統(tǒng)循環(huán)原理

低壓補(bǔ)氣型冷藏車制冷系統(tǒng)原理如圖1 所示，該系統(tǒng)高溫制冷循環(huán)原理為：從壓縮機(jī)排出的高溫高壓液態(tài)制冷劑進(jìn)通過四通換向閥入平行冷凝器，與庫(kù)外空氣進(jìn)行對(duì)流換熱帶走熱量，變成過冷的高溫液態(tài)制冷劑，經(jīng)過單向閥、儲(chǔ)液罐、干燥過濾器，分成兩路，一路進(jìn)入主路電子膨脹閥進(jìn)行節(jié)流，變成低溫低壓液態(tài)制冷劑通過單向閥進(jìn)入平行流蒸發(fā)器，與庫(kù)內(nèi)空氣進(jìn)行對(duì)流換熱達(dá)到庫(kù)內(nèi)制冷，變成低溫低壓氣態(tài)制冷劑；一路進(jìn)入補(bǔ)路電子膨脹閥進(jìn)行節(jié)流，進(jìn)入中間換熱器與主路過熱制冷劑換熱，通過截止閥與主路制冷劑混合成飽和氣態(tài)制冷劑，再經(jīng)過壓縮機(jī)經(jīng)過雙級(jí)壓縮變成高溫高壓液態(tài)制冷劑，進(jìn)入庫(kù)外冷凝器進(jìn)行換熱，以此進(jìn)行循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

圖1 低壓補(bǔ)氣型冷藏車制冷系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of refrigeration system of low-pressure air-supplemented refrigerated truck

2 試驗(yàn)過程

2.1 試驗(yàn)計(jì)算

冷藏系統(tǒng)制冷量循環(huán)計(jì)算式如下。

（6）庫(kù)外風(fēng)機(jī)功率：

2.2 設(shè)備及測(cè)量裝置

根據(jù)準(zhǔn)雙級(jí)壓縮低壓補(bǔ)氣型冷藏車制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)搭建試驗(yàn)臺(tái)，本試驗(yàn)在中原工學(xué)院焓差試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)庫(kù)內(nèi)、外風(fēng)機(jī)均采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)，可以通過控制面板進(jìn)行風(fēng)量的設(shè)定，庫(kù)外冷凝器配泛仕達(dá)軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為：AR300D3-DD0-03，庫(kù)內(nèi)換熱器配泛仕達(dá)離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為：FC097E3-DF0-01。圖2 為焓差試驗(yàn)室控制示意，表1 為主要設(shè)備及測(cè)量裝置。

圖2 焓差試驗(yàn)室控制示意Fig.2 Control chart of enthalpy difference laboratory

2.3 試驗(yàn)測(cè)試工況

根據(jù)QC-T656-2000《汽車空調(diào)制冷裝置性能要求》、QC-T657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》、JB/T11967-2014《冷凍空調(diào)設(shè)備冷凝器用微通道熱交換器》、GB/T25129-2010《制冷用空氣冷卻器》以及GB7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》等行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定如表2 的試驗(yàn)工況，制冷劑R404A 的充注量為14.075 kg，主閥過熱度設(shè)定值為5 K，補(bǔ)閥過熱度設(shè)定值為30 K，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，由于庫(kù)內(nèi)風(fēng)量的增加，會(huì)加快冷藏物品的干耗，本試驗(yàn)在合理的范圍內(nèi)減少風(fēng)速對(duì)冷藏物的影響，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)范圍為0～11 200 m3/h，為了在合理范圍內(nèi)減少風(fēng)量對(duì)干耗的影響，選取庫(kù)內(nèi)風(fēng)量4 000～7 000 m3/h 進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)試在庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)4 000，5 000，6 000，7 000 m3/h 下系統(tǒng)的主要性能參數(shù)，此范圍內(nèi)風(fēng)速較小，對(duì)冷藏物品的干耗影響較小，試驗(yàn)前先啟動(dòng)環(huán)境機(jī)組，等環(huán)境工況穩(wěn)定后，再由開始啟動(dòng)被測(cè)機(jī)組，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量每次增加1 000 m3/h，系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后進(jìn)行參數(shù)的記錄，等試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行整理分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 庫(kù)外風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)冷藏車制冷系統(tǒng)性能的影響

圖3 示出了庫(kù)外風(fēng)量對(duì)制冷量的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)外風(fēng)量逐漸增大，制冷量呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)庫(kù)外風(fēng)量為4 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量為16.68 kW，庫(kù)外風(fēng)量由4 500 m3/h 增大到7 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量增大了0.96 kW，庫(kù)外風(fēng)量增大到9 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量?jī)H增大了0.03 kW，這是因?yàn)椋S著庫(kù)外風(fēng)量的增大，逐漸增強(qiáng)空氣與冷凝器的對(duì)流換熱，冷凝溫度減小，增大了換熱量，蒸發(fā)器入口制冷劑溫度降低，使蒸發(fā)器進(jìn)出口焓差增大，增大了制冷效果，所以系統(tǒng)制冷量逐漸增大，但隨換熱效果達(dá)到最佳，制冷量增加的幅度逐漸變得極小。

圖4 示出了庫(kù)外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)總功率的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)外風(fēng)量逐漸增大，系統(tǒng)總功率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，庫(kù)外風(fēng)量由4 500 m3/h增大到7 500 m3/h 時(shí)系統(tǒng)總功率減小幅度為0.49%～1.2%，當(dāng)庫(kù)外風(fēng)量為7 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)總功率達(dá)到最小值為8.14 kW，庫(kù)外風(fēng)量增大到9 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)總功率增加3.8%，這是因?yàn)椋S著庫(kù)外風(fēng)量的增大，壓比逐漸減小，庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)功率變化不大，風(fēng)量在偏小時(shí)增大，壓縮機(jī)減小的功率大于庫(kù)外風(fēng)機(jī)增大的功率，占主導(dǎo)作用，所以逐漸減小；風(fēng)量在偏大時(shí)增大，庫(kù)外風(fēng)機(jī)增大的功率大于壓縮機(jī)減小的功率，占主導(dǎo)作用，所以逐漸增大，風(fēng)量達(dá)到最佳時(shí)，系統(tǒng)功率最低，更有利于節(jié)能。

圖4 庫(kù)外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)總功率的影響Fig.4 The influence of air volume outside the refrigerating chamber on the total power of the system

圖5，6 分別示出了庫(kù)外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)COP 和系統(tǒng)EER 的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)外風(fēng)量逐漸增大，系統(tǒng)COP 呈逐漸增大的趨勢(shì)，系統(tǒng)EER呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，庫(kù)外風(fēng)量由4 500 m3/h增大到7 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)COP 增大幅度為12.2%～15.9%，系統(tǒng)EER 增大幅度為2.9%～4.5%，當(dāng)庫(kù)外風(fēng)量為7 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大值為2.167，庫(kù)外風(fēng)量增大到9 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)COP增大2.3%，系統(tǒng)EER減小了3.5%，這是因?yàn)椋到y(tǒng)COP 是由制冷量和壓縮機(jī)功率共同作用，制冷量逐漸增大，壓縮機(jī)功率逐漸減小，所以系統(tǒng)COP 逐漸增大，但隨換熱效果達(dá)到最佳，系統(tǒng)COP 增大的幅度逐漸變得極小；系統(tǒng)EER 是由系統(tǒng)制冷量和系統(tǒng)總功率共同作用，造成系統(tǒng)EER先增大后減小，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大時(shí)，更有利于節(jié)能。

圖5 庫(kù)外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)COP 的影響Fig.5 The influence of the air volume outside the refrigerating chamber on the system COP

圖6 庫(kù)外風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)EER 的影響Fig.6 The influence of the air volume outside the refrigerating chamber on the system EER

3.2 庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)量對(duì)冷藏車制冷系統(tǒng)性能的影響

圖7 示出了庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)制冷量的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)內(nèi)風(fēng)量逐漸增大，制冷量呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)庫(kù)內(nèi)風(fēng)量為4 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量為16.56 kW，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量由4 000 m3/h 增大到6000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量增大了2.9%～3.4%，當(dāng)庫(kù)內(nèi)風(fēng)量為7 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)制冷量增大了0.17%，這是因?yàn)椋S著庫(kù)內(nèi)風(fēng)量的增大，逐漸增強(qiáng)空氣與蒸發(fā)器的對(duì)流換熱，蒸發(fā)溫度增大，增大了換熱效果，增大了蒸發(fā)器換熱進(jìn)出口焓差，系統(tǒng)制冷量逐漸增大，但隨換熱效果達(dá)到最佳，制冷量增加的幅度逐漸變得極小。

圖8 示出了庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)總功率的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)內(nèi)風(fēng)量逐漸增大，系統(tǒng)總功率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量由4 000 m3/h增大到6 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)總功率減小幅度為0.88%～1.8%，當(dāng)庫(kù)內(nèi)風(fēng)量為6 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)總功率達(dá)到最小值為7.86 kW，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量增大到7 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)功率增加3.6%，這是因?yàn)椋S著庫(kù)內(nèi)風(fēng)量的增大，壓比逐漸減小，庫(kù)外風(fēng)機(jī)功率變化不大，風(fēng)量在偏小時(shí)增大，壓縮機(jī)減小的功率大于庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)增大的功率，占主導(dǎo)作用，所以逐漸減小；風(fēng)量在偏大時(shí)增大，庫(kù)內(nèi)風(fēng)機(jī)增大的功率大于壓縮機(jī)減小的功率，占主導(dǎo)作用，所以逐漸增大，風(fēng)量達(dá)到最佳時(shí)，系統(tǒng)功率最低，更有利于節(jié)能。

圖8 庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)總功率的影響Fig.8 The influence of air volume inside the refrigerating chamber on the total power of the system

圖9，10 分別示出了庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)COP 和系統(tǒng)EER 的影響曲線。從圖可見，隨庫(kù)內(nèi)風(fēng)量逐漸增大，系統(tǒng)COP 呈逐漸增大的趨勢(shì)，系統(tǒng)EER呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量由4 000 m3/h增大到6 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)COP 增大幅度為11.8%～16.9%，系統(tǒng)EER 增大幅度為4.3%～5.3%，當(dāng)庫(kù)內(nèi)風(fēng)量為6 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大值為2.251，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量增大到7 000 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)COP增大1.6%，系統(tǒng)EER減小了3.7%，這是因?yàn)椋到y(tǒng)COP 是由制冷量和壓縮機(jī)功率共同作用，制冷量逐漸增大，壓縮機(jī)功率逐漸減小，所以系統(tǒng)COP 逐漸增大，但隨換熱效果達(dá)到最佳，系統(tǒng)COP 增大的幅度逐漸變得極小；系統(tǒng)EER 是由系統(tǒng)制冷量和系統(tǒng)總功率共同作用，造成系統(tǒng)EER先增大后減小，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大時(shí)，更有利于節(jié)能。

圖9 庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)COP 的影響Fig.9 The influence of the air volume inside the refrigerating chamber on the system COP

圖10 庫(kù)內(nèi)風(fēng)量對(duì)系統(tǒng)EER 的影響Fig.10 The influence of the air volume inside the refrigerating chamber on the EER of the system

4 結(jié)論

在32 ℃高溫庫(kù)外環(huán)境中，通過改變庫(kù)外風(fēng)機(jī)風(fēng)量和庫(kù)外風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)定值，研究分析了冷藏系統(tǒng)主要制冷性能參數(shù)的變化，得出結(jié)論如下：

（1）在庫(kù)外高溫環(huán)境中，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量為7 000 m3/h，庫(kù)外風(fēng)量達(dá)到7 500 m3/h 時(shí)，系統(tǒng)總功率達(dá)到最小值8.14 kW，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大值2.167，此狀況下性能較好，當(dāng)風(fēng)量達(dá)到7 500 m3/h 之后，制冷效果變化不明顯，但系統(tǒng)能耗增大較快，不利于節(jié)能，此風(fēng)量為最佳庫(kù)外風(fēng)量。

（2）在庫(kù)外高溫環(huán)境中，庫(kù)外風(fēng)量為最佳設(shè)定值7 500 m3/h 條件下，庫(kù)內(nèi)風(fēng)量達(dá)到6 000 m3/h時(shí)，系統(tǒng)功率達(dá)到最小值7.86 kW，系統(tǒng)EER 達(dá)到最大值2.251，此狀況下性能較好，風(fēng)量達(dá)到6 000 m3/h 之后，制冷效果變化不明顯，系統(tǒng)能耗增大較快，不利于節(jié)能，此風(fēng)量為最佳庫(kù)內(nèi)風(fēng)量。