斯特林制冷機在冰箱系統中的應用及可行性研究

李 靖 劉青山 楊 鵬 劉迎文

(西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

隨著生活水平不斷提高,用戶對家用冰箱的需求已由傳統的冷藏保鮮單一要求轉向環保節能、智能、多功能化等高端化需求。尤其海鮮產品的凍藏品質對冰箱技術提出了更高要求,亟需發展低溫冰箱技術。董浩等[1]發現,-60 ℃凍藏能夠更好地維持三文魚等海鮮產品的原有風味及品質。在-40 ℃以下溫區,制冷技術主要包括混合工質、自復疊等常規蒸氣壓縮制冷技術以及斯特林制冷技術[2]。斯特林制冷技術相對成熟,成本較低,并且在醫療冷柜領域有應用案例。常規蒸氣壓縮式制冷系統僅在設計溫度附近實現高效工作,相比常規制冷,斯特林制冷技術在高(低)環境溫度及寬制冷溫度下,均能實現高效率運行。此外,隨著中國加入《基加利修正案》后,傳統的蒸氣壓縮式制冷系統采用的制冷劑,尤其低溫制冷劑的環保問題也越來越突出[3]。

綜上可知,研究多數集中于斯特林制冷機性能以及自身結構優化方面,而對裝載有斯特林制冷機的冰箱技術則鮮有研究。本文研制了一臺蒸氣壓縮和斯特林機聯合制冷的多溫區冰箱,開展了斯特林制冷機性能測試、散熱和導冷結構設計優化及斯特林冰箱的整機性能研究,為斯特林制冷機在冰箱制冷系統中的應用奠定了基礎。

1 實驗系統及裝置

選取620 L十字對開門冰箱作為研究對象,擁有三個子間室,基本參數如下:1)冷藏室容積為430 L,在冰箱上部;2)冷凍室容積為90 L,在冰箱左下部;3)變溫室容積為100 L,在冰箱右下部。將變溫室進行改造分隔成兩部分,一部分仍然保持原變溫室的設定溫度范圍,一部分設計為低溫室。經過市場調研,確定低溫室溫度設定范圍為-60～5 ℃,容積為30 L。通過理論計算獲得低溫室熱負荷為17.6 W,考慮一定制冷余量,選用80 W斯特林制冷機,如圖1所示,工作參數如表1所示。

表1 斯特林制冷機工作參數

圖1 斯特林制冷機結構

2 實驗測試

2.1 測試系統

本文搭建的斯特林制冷機性能測試系統如圖2所示,該測試系統由斯特林制冷機系統、電加熱系統和數據采集系統三部分組成。斯特林制冷系統由一臺斯特林制冷機及其控制面板組成;電加熱系統包括絕熱保溫材料、可調直流電源IT6322和鋼管加熱器等;數據采集系統包括T型熱電偶、Agilent34970A型數據采集器以及計算機。實驗裝置的恒定環境溫度由恒溫恒濕標準實驗室提供。

圖2 斯特林制冷機性能測試系統

2.2 實驗方案及方法

1)實驗方案

以熱平衡法測量斯特林制冷機在不同環境溫度(0、10、20、30 ℃)、不同輸入功率和不同冷端溫度下的制冷量,即保持斯特林制冷機的輸入功率不變時,通過調節加熱電源的輸出功率,改變鋼管加熱器的輸出加熱量。相應的,鋼管加熱器的表面溫度和斯特林制冷機的冷端溫度將發生變化。一段時間后,斯特林制冷機的冷端溫度和鋼管加熱器的表面溫度不再變化,此時系統達到平衡,鋼管加熱器的輸出加熱量即為此時斯特林制冷機在該冷端溫度下輸出的制冷量。

2)實驗方法

實驗全程在恒溫環境工況實驗室中進行,且實驗室的環境溫度穩定在設定溫度后才啟動斯特林制冷機性能測試實驗臺,實驗步驟如下:

(1)工況實驗室的環境溫度穩定在設定溫度時,調節斯特林制冷機的目標冷端溫度使其保持滿負荷(輸入最大固定功率)狀態運行;

(2)斯特林制冷機冷端溫度不再變化時,記錄相應溫度數據和直流電源輸出功率;

(3)調節加熱電源的輸出電壓,改變鋼管加熱器的加熱量;

(4)重復步驟(2)和(3),直至冷端溫度或鋼管加熱器表面溫度足夠高。

圖3所示為實驗過程中斯特林制冷機冷端降溫曲線。由圖可知,該斯特林制冷機的冷端降溫速率較快,運行約0.5 h后便可達到穩定狀態。因此,為了取得穩定工況的實驗數據,每次調節加熱功率之后至少需要等待0.5 h才可讀取相應實驗數據。

圖3 斯特林制冷機冷端降溫曲線

3 斯特林制冷機單體性能測試

為了探討該斯特林制冷機在冰箱中的應用可行性,本文研究了不同輸入功率和不同環境溫度下該斯特林制冷機的性能特性變化。

圖4所示為環境溫度在0、10、20、30 ℃下,該斯特林制冷機在不同輸入功率下的輸出制冷量隨冷端溫度的變化。

圖4 不同環境溫度下斯特林制冷機制冷量

由圖4(a)可知,隨著冷端溫度的逐漸上升,該斯特林制冷機的輸出制冷量也逐漸增加。圖中兩種輸入功率(67 W和77 W)下的Q-Tc曲線在冷端溫度約為-80.0 ℃時出現了交叉,當冷端溫度低于-80.0 ℃時,輸入功率為67 W時制冷機的輸出制冷量更高;而當冷端溫度高于-80.0 ℃時,輸入功率為77 W時制冷機的輸出制冷量更高。這是因為當冷端溫度和輸入功率變化時,斯特林制冷機的能效比會隨之變化。當環境溫度為0 ℃且冷端溫度低于-80 ℃時,相比67 W輸入功率,該斯特林制冷機在77 W輸入功率下的能效有所降低。因此,輸入功率的增加反而導致輸出制冷量降低。

在圖4(b)～(d)中,即環境溫度分別為10、20、30 ℃時,兩種輸入功率(67 W和77 W)下的Q-Tc曲線呈現一致的特征:隨著冷端溫度的逐漸上升,該斯特林制冷機的輸出制冷量逐漸增加;當輸入功率由67 W增至77 W時,該斯特林制冷機的輸出制冷量也相應增加。此外,隨著冷端溫度逐漸升高,輸入功率增加導致的制冷量增加值也逐漸增大。這進一步說明斯特林制冷機的能效比隨工作參數差異而產生變化。

圖5所示為環境溫度在0、10、20、30 ℃下,該斯特林制冷機在不同輸入功率下的制冷系數COP值隨冷端溫度的變化。

圖5 不同環境溫度下斯特林制冷機COP Fig.5 COP of the Stirling cryocooler under various ambient temperatures

由圖5(a)可知,隨著冷端溫度的逐漸上升,該斯特林制冷機的COP也逐漸增加。當冷端溫度較低(低于-50.0 ℃)時,輸入功率為67 W時制冷機的COP更高,但隨著冷端溫度的逐漸上升,該斯特林制冷機在輸入功率為77 W下的COP與輸入功率為67 W時的差值逐漸減小,甚至在冷端溫度高于-50.0 ℃出現重合和反超的現象。在圖5(b)～(d)中,兩種輸入功率(67 W和77 W)下的COP-Tc曲線也呈現一致的特征:隨著冷端溫度的逐漸上升,該斯特林制冷機的COP也逐漸增加;輸入功率由67 W增至77 W 時,該斯特林制冷機的COP減小。

綜上所述,增加斯特林制冷機輸入功率,可以提高其輸出制冷量,但COP會減小。斯特林制冷機工作時,并非功率越大越好,輸入功率應與制冷量需求相匹配以實現高效運行。

根據冰箱的使用環境要求,在環境溫度分別為0、10、20、32、43 ℃,斯特林制冷機按額定功率(80 W)運行時,進一步研究了冷端溫度和輸出制冷量的對應關系。實驗過程中,在不同工況下,斯特林制冷機輸入功率受控制邏輯的限制,其受冷端溫度影響存在波動。圖6所示為斯特林制冷機在環境溫度為0～43 ℃下的輸入功率及制冷量測試結果。結果表明,在環境溫度43 ℃下,斯特林制冷機在冷端溫度為-60 ℃時輸出制冷量為28.97 W,COP為0.37,可以滿足冰箱低溫室的制冷需求,驗證了斯特林制冷機在冰箱中的應用可行性。

圖6 不同環境溫度下斯特林制冷機性能

4 斯特林制冷冰箱

前文測試了斯特林制冷機的單體性能,本節將進一步介紹斯特林制冷冰箱的整機性能。

本文提出的斯特林制冷冰箱的斯特林制冷系統的熱端通過熱管結合散熱翅片的形式向環境散熱,散熱翅片布置于壓縮機散熱倉,必然增加散熱倉負荷,因此需要對散熱倉布局進行改造優化。為驗證斯特林制冷冰箱系統的散熱性能,首先針對改造前冰箱系統的散熱倉進行仿真研究,以獲得對比基準。模擬條件如下:環境溫度為43 ℃,冰箱散熱負荷約為200 W,軸流散熱風機額定轉速為1 200 r/min,保溫層視為絕熱壁面。改造前冰箱系統散熱倉的仿真結果如圖7所示。從仿真結果可知,冰箱系統在改造前,壓縮機表面最高溫度為68 ℃,壓縮機上方最高流速為2.061 m/s;總風量為96.12 m3/h,其中出口風量為21.96 m3/h,后背格柵風量為36.72 m3/h,底部格柵風量為37.44 m3/h。

圖7 冰箱改造前散熱倉仿真結果

增加斯特林制冷系統后,仿真參數設置如下:熱管散熱量設定為110 W,用于熱管散熱的風機轉速為2 400 r/min,斯特林制冷機外殼表面溫度設定為48 ℃,其余邊界條件與原冰箱系統保持一致。經多次結構優化,改造后斯特林制冷冰箱散熱倉的仿真結果如圖8所示。

圖8 冰箱改造后散熱倉仿真結果

由圖8可知,斯特林制冷機熱端翅片溫度為45.2 ℃,僅略高于環境溫度2.2 ℃,表明翅片散熱效果較好。壓縮機表面最高溫度為74.2 ℃,相比原系統略有提高,對系統影響較小,可以忽略。

另一方面,斯特林制冷機的冷量通過低溫熱管傳導至低溫室內,并通過循環風路實現制冷。通過仿真獲得低溫室內部溫度分布云圖,保證低溫室內各空間平面上的平均溫度最大溫差不超過1 ℃,且保證低溫室內部可達-60 ℃目標。邊界條件如下:環境溫度為43 ℃,冷藏室和冷凍室溫度分別為4 ℃和-18 ℃,斯特林制冷機制冷量為25 W,仿真結果如圖9所示。由圖9可知,低溫間室內部溫度均勻性較好,各截面平均溫度偏差不超過0.5 ℃;最高溫度一般出現在邊角區域,但面積較小,對主要空間區域影響可忽略不計;低溫室平均溫度約為-66 ℃,可以實現-60 ℃的預期目標溫度。上述結果表明,本文斯特林制冷冰箱技術所提出的散熱導冷結構均可滿足系統設計要求。

圖9 斯特林制冷冰箱低溫室溫度場及流場仿真結果

最后,本文開展了斯特林制冷冰箱系統實驗性能測試。冰箱在空載條件下的低溫室降溫實驗測試結果如圖10所示。在32 ℃環境溫度下,冰箱通電運行后,斯特林制冷機按80 W額定功率運行,超低溫室內溫度從環境溫度開始逐漸下降,到達-18 ℃耗時2.6 h,相比冷凍室耗時(3.6 h)縮短28%。

圖10 斯特林制冷冰箱低溫室降溫曲線

斯特林制冷冰箱耗電量實驗結果如表2所示。

表2 斯特林制冷冰箱耗電量實驗結果

在環境溫度為43 ℃、斯特林制冷機功率為95 W條件下,冰箱穩定運行后低溫室平均溫度可達-64.5 ℃,斯特林制冷機耗電量為2.33 kW·h/d,整機能耗為4.13 kW·h/d。

5 結論

本文研制了一臺蒸氣壓縮和斯特林機聯合制冷的多溫區冰箱,開展了斯特林制冷機性能測試、散熱和導冷結構設計優化及斯特林冰箱的整機性能研究。得到結論如下:

1)隨著斯特林制冷機冷端溫度的增加,其輸出制冷量和COP均不斷增加;通過增大輸入功率可以有效增加輸出制冷量,但COP略有降低。

2)在環境溫度43 ℃下,斯特林制冷機在冷端溫度為-60 ℃時輸出制冷量為28.97 W,COP為0.37。

3)提出了基于熱管技術的斯特林制冷冰箱的熱端散熱和冷端導冷結構,仿真結果表明,制冷機熱端翅片溫度略高于環境溫度2.2 ℃,熱端散熱效果較好;低溫室平均溫度在約-66 ℃,且溫度均勻性較好,散熱導冷結構滿足系統設計要求。

4)開展了斯特林制冷冰箱系統實驗性能測試,斯特林制冷機在32 ℃環境溫度下的空載測試實驗表明低溫室降溫耗時相比冷凍室縮短28%;在環境溫度43 ℃下,冰箱穩定運行后低溫室平均溫度可達-64.5 ℃,斯特林制冷機耗電量為2.33 kW·h/d,整機能耗為4.13 kW·h/d。