直冷電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探析47

1、盍冷電冰箱制冷務(wù)俛優(yōu)億後皆採(cǎi)朽李剛蔡穎玲張鳳林王軍車景順摘要:冷凍室蒸發(fā)器采用 多層換熱片的復(fù)合立體結(jié)構(gòu)，在s型制冷盤管壁外側(cè)固定套 裝翅片，增加冷凍室頂部和低部?jī)蓚€(gè)高溫區(qū)制冷量。將冷凍室 按1:1劃分出變溫室,通過其中溫度傳感器控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥 通斷實(shí)現(xiàn)制冷劑回路切換,將變溫室按冷凍、軟冷凍、冷藏使 用,也可關(guān)閉。通過橫、豎盤管混排結(jié)構(gòu)的絲管式冷凝器設(shè)計(jì)， 借助制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)、冷礙器、蒸發(fā)器負(fù)荷匹配及其與毛細(xì) 管制冷劑流量匹配，通過防凝露管走向及位置設(shè)計(jì)、蒸發(fā)器管 道位置及走向布置和回氣換熱器設(shè)計(jì),研制的e cd-186c hs直冷電冰箱最大負(fù)荷日耗電0. 39度,在變溫室為節(jié)能狀 態(tài)時(shí)耗電

2、在0. 35度以兀最低達(dá)0. 31度。關(guān)鍵詞：熱工學(xué)優(yōu) 化設(shè)計(jì)理論分析直冷電冰箱制冷系統(tǒng)1前言電冰箱發(fā)展速度 很快,我國(guó)電冰箱的產(chǎn)量由1991年的470萬(wàn)臺(tái)增加到2001年 的1349萬(wàn)臺(tái),平均年增長(zhǎng)11. 1%1o而電冰箱的耗電量占家 用電器總耗電量的32%2,所以，節(jié)能降耗和環(huán)保是電冰箱研 發(fā)工作的重要課題，而蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱能力、軟冷凍孜 變溫技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)則是關(guān)鍵因素。2蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研制采 取了以下措施。第減小冷藏、冷凍兩蒸發(fā)器的面積比差值, 在總面積一定情況下,盡量加大冷藏室蒸發(fā)器的面積,采用大 內(nèi)徑蒸發(fā)管、增加蒸發(fā)管長(zhǎng)度及雙管并行排列結(jié)構(gòu)等,保證在 低溫或高溫環(huán)境下有最佳的開

3、停匕從而保證在一定環(huán)境溫 度下耗電最少。第二，設(shè)計(jì)高效蒸發(fā)器。冷凍室蒸發(fā)器是由從 上到下依次排列多個(gè)換熱層片和連接所有換熱層片的連接管 組成的復(fù)合立箱式結(jié)爲(wèi)，換熱層丹由召個(gè)異列s型制冷盤 管構(gòu)成，且在其盤管壁外側(cè)固定套裝翅片，大大增加了制冷盤 管與空氣間接觸面積，如圖1示。該蒸發(fā)器在不改變電冰箱結(jié) 構(gòu)情況下，大幅度增加冷凍室蒸發(fā)面積，增加冷凍室頂部和低 部?jī)蓚€(gè)高溫區(qū)制冷量，使其快速達(dá)到規(guī)定要求,縮短壓縮機(jī)工 作時(shí)間，大幅降低能耗。冷藏室采用導(dǎo)熱粘接膠膜將壓扁銅管 緊緊粘在傳熱鋁板上，并通過高粘合雙面膠粘貼在冷藏室內(nèi) 膽上，增強(qiáng)傳熱效果。第三，合理安排蒸發(fā)器位置和制冷劑走 向。據(jù)箱內(nèi)自然對(duì)流情況

4、，制冷劑流向采用逆流式換熱,毛細(xì) 管和回氣管采用較長(zhǎng)的并行錫焊或熱塑工藝等,以提高換熱 效果。第四，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合方法，合理匹配蒸發(fā) 器與冷凝器的傳熱面積，努力減小冰箱工作系數(shù),避免過低蒸 發(fā)壓力和過高冷凝壓力，達(dá)節(jié)能目的。3冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)在 優(yōu)化冷凝器設(shè)計(jì)中除合理增大冷凝面積外,還應(yīng)充分考慮以 下幾點(diǎn):3. 1設(shè)計(jì)橫、豎盤管混排結(jié)構(gòu)冷凝器:在冷凝器內(nèi)為 制冷劑氣液兩相狀態(tài)，分析冷凝器中制冷劑流態(tài)變化和內(nèi)、外 部換熱條件,橫排管冷凝器的換熱系數(shù)比豎排管冷凝器增加3 倍以上,為加強(qiáng)流體擾動(dòng)，破壞流動(dòng)邊界層,采用橫、豎盤管相 結(jié)合走向的冷凝器將會(huì)提高冷凝器換熱效果,同時(shí)也可降低 制冷劑流

5、動(dòng)噪聲。3.2絲管式冷凝器代替百葉窗式冷凝器: 在其它條件不變情況下，絲管式冷凝器傳熱性能好，對(duì)應(yīng)的制 冷循環(huán)效率提高，能耗減小。3. 3改內(nèi)藏式冷凝器為外掛式: 外掛式冷凝器散熱條件比內(nèi)藏式冷凝器好得多，對(duì)降低冷凝 溫度和過冷溫度十分有利，可有效節(jié)能降耗。3.4防凝露管 節(jié)能設(shè)計(jì):從壓縮機(jī)排氣管至干燥過濾器出口整個(gè)高壓區(qū)域 皆為冷凝器負(fù)荷對(duì)應(yīng)區(qū)域，包括制冷劑蒸汽的冷卻、冷凝及再 冷（過冷）三個(gè)過程，對(duì)應(yīng)設(shè)備包括付冷凝器、主冷凝器及門邊 防露管。由于排氣溫度的不同，采用不同制冷劑時(shí)管路布置也 不相同。項(xiàng)目研制中采用制冷劑r600a,由于采用r600a使 壓縮機(jī)排氣溫度降低，約55c左右,故將壓

6、縮機(jī)排出的高壓氣 體先進(jìn)門邊防露管，再進(jìn)主、副冷凝器,這樣即使條件變化,/7 邊防露管末端對(duì)應(yīng)溫度也高于最高環(huán)境溫度，既可保證加熱 門框、提高防露效果，同時(shí),在管路布置時(shí)盡量使防露管遠(yuǎn)離 箱體內(nèi)腔，x可減小熱量向箱內(nèi)傳遞，實(shí)現(xiàn)節(jié)能之目的,糸統(tǒng) 圖如圖2示。4軟冷凍及變溫技術(shù)設(shè)計(jì)過高的環(huán)境溫度或過 低的箱內(nèi)溫度對(duì)電泳箱制能耗揚(yáng)有直接影響。環(huán)境溫度過高， 冷凝器散熱受到影響,而冰箱內(nèi)溫度過低，一方面增加傳熱溫 基另一方面需較低的蒸發(fā)溫度從而降低制冷系統(tǒng)循環(huán)效率, 甚至延長(zhǎng)壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)間，造成能耗上升。過低的、不必要的 冷凍室溫度設(shè)計(jì)會(huì)加劇冰箱能耗上升。為滿足消費(fèi)者需要，又 使冰箱降耗節(jié)能，軟冷凍及

7、變溫設(shè)計(jì)就顯得十分重要。目前， 傳統(tǒng)冰箱的兩個(gè)溫區(qū),r室5°c，f室為-18°c,而且f室相對(duì) 較大。將f室劃分兩區(qū)域，其一溫度仍保持-18c，其二溫度為 -10°co f室內(nèi)凍結(jié)物很難在短時(shí)間內(nèi)用刀進(jìn)行切削處理，在 食用前必須解凍，此舉一耗費(fèi)時(shí)間，二造成營(yíng)養(yǎng)成分流失。將 f室分離出一個(gè)-10°c溫區(qū)，既可使魚、肉等食品在-7-1（tc 低溫下凍結(jié)，又能達(dá)到短時(shí)間內(nèi)用刀進(jìn)行切削處理的目的，同 時(shí),據(jù)使用冰箱需要,也可將此溫區(qū)溫度設(shè)定為r室溫度5c 或f室溫度甚至關(guān)閉。此即所謂軟冷凍及變溫技術(shù)。圖2為軟冷凍及變溫技術(shù)設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)示意圖4。從圖中可 以看出制

8、冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，在冷凝器中冷凝后流經(jīng)干燥過 濾器和毛細(xì)管，系統(tǒng)分為兩個(gè)支路。支路一：制冷劑經(jīng)變溫室 蒸發(fā)器、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱 器后回到壓縮機(jī)形成循環(huán)回路。支路二:制冷劑經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電磁 閥、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱器后 回到壓縮機(jī)形成循環(huán)回路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,電冰箱由上而下分 為冷凍室、變溫室和冷藏室（變溫室由冷凍室按1： 1分割形成）, 各間室都有相對(duì)獨(dú)立的蒸發(fā)器。變溫室蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)較大，滿 足變溫室作為三星冷凍室的匹配。而該間室作為其他功能間 室（如冷藏、軟冷凍等）使用時(shí)，可以通過設(shè)在變溫室的溫度傳 感器將溫度信號(hào)送至電冰箱的控制裝置中,控制裝置

9、據(jù)溫度 設(shè)定值對(duì)雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通路進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電冰箱啟動(dòng) 運(yùn)行時(shí),電磁閥1、2處于通電狀態(tài)，系統(tǒng)按照支路二形成的循 環(huán)回路運(yùn)行,同時(shí)變溫室的溫度傳感器檢測(cè)變溫室的溫度。變 溫室溫度若在變溫室的設(shè)定溫度范圍內(nèi),系統(tǒng)按照支路二形 成的循環(huán)回路繼續(xù)運(yùn)行。若檢測(cè)到溫度高于變溫室設(shè)定值上 限,電冰箱的控制裝置使雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1處于斷電狀態(tài)而雙 穩(wěn)態(tài)電磁閥2仍通電,系統(tǒng)按照支路一形成的循環(huán)回路運(yùn)行， 直到溫度傳感器感應(yīng)到溫度低于變溫室的溫度設(shè)定值下限時(shí), 雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1執(zhí)行通電操作,而雙穩(wěn)態(tài)電磁閥2斷電，系統(tǒng) 戈按支路二循環(huán)回路運(yùn)行。此時(shí)冷凍室和冷藏室溫度繼續(xù)下 降,直到冷藏室溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后,壓縮機(jī)停機(jī)

10、,系統(tǒng)如此往復(fù) 循環(huán)。這種設(shè)計(jì),控制壓縮機(jī)啟停的是冷藏室溫度，而變溫室 溫度的設(shè)定及變化僅控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通斷,以切換制冷 劑流向,并不直接控制壓縮機(jī)的運(yùn)行,故可較好解決雙路循環(huán) 系統(tǒng)存在的頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象,既使壓縮機(jī)及其附件壽命延長(zhǎng), 又減少啟動(dòng)功率，耗電量也隨之降低。需要指出，變溫室蒸發(fā) 器按三星級(jí)冷凍室要求（-18 °c）與冷凍、冷藏室蒸發(fā)器匹配, 制冷劑充注量也按變溫室為冷凍室制冷能力充注，這樣一來， 通過溫度設(shè)定控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥以切換制冷劑流向，可將變 溫室按冷凍室或軟冷凍（t -10。0或冷藏室使用，也可關(guān)閉， 與同樣大小固定冷凍室容積的電冰箱相比，此變溫技術(shù)既滿 足消

11、費(fèi)者對(duì)冰箱溫區(qū)的多方需求,戈節(jié)能降耗。表1為能耗實(shí) 測(cè)數(shù)據(jù),可以看岀，單獨(dú)調(diào)高變溫室溫度（將變溫室作為軟冷 凍室或冷藏室）可以節(jié)能,單獨(dú)關(guān)閉變溫室更加節(jié)能。5制冷 系統(tǒng)優(yōu)化匹配及管路走向節(jié)能設(shè)計(jì)5. 1制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配 項(xiàng)目綜合考慮箱體熱負(fù)荷、系統(tǒng)制冷量、壓縮機(jī)效率、電冰 箱工作周期等相關(guān)參數(shù)，使之達(dá)最佳匹配狀態(tài)。5. 1. 1設(shè)計(jì) 中的氣候類型應(yīng)與使用地區(qū)的氣候匹配，否則耗電增加,甚至 出現(xiàn)不停機(jī)現(xiàn)象,同時(shí),根據(jù)產(chǎn)品的氣候類型(項(xiàng)目研制中設(shè) 計(jì)為亞熱帶型)確定冷凍室、冷藏室的熱負(fù)荷匹配關(guān)系。在產(chǎn) 品設(shè)計(jì)和樣機(jī)試驗(yàn)中，反復(fù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路各有關(guān)參數(shù)，使冷 凍、冷藏室之間以及蒸發(fā)器與冷凝器之間，壓縮

12、機(jī)排氣量與蒸 發(fā)器蒸發(fā)能力之間以及毛細(xì)管節(jié)流與蒸發(fā)溫度之間達(dá)到最佳 的節(jié)能匹配關(guān)系。表2是調(diào)整過程必須控制的系統(tǒng)關(guān)鍵狀態(tài) 點(diǎn)和相應(yīng)的調(diào)整措施5。5. 1. 2在設(shè)計(jì)冰箱系統(tǒng)時(shí)，工作時(shí) 間系數(shù)的選配非常重要。壓縮機(jī)工作時(shí)間太短，啟動(dòng)頻繁,則 因啟動(dòng)功率大,會(huì)帶來能耗的升高；如果工作時(shí)間太長(zhǎng)，壓縮 機(jī)總是工作在較低蒸發(fā)溫度狀態(tài)，則壓縮機(jī)工作效率太低,能 耗也蔣上升。在選配壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)滿足冰箱最大熱負(fù)荷要求, 在滿足負(fù)荷要求下盡可能選用較小型號(hào)的壓縮機(jī)。項(xiàng)目研制 中選用高效壓縮機(jī),功率90叱經(jīng)測(cè)定,冰箱工作時(shí)間系數(shù)適 當(dāng),能耗較少,見表1。5. 1. 3制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配也包括制 冷系統(tǒng)中制冷劑量的

13、匹配,制冷劑量偏多或偏少都會(huì)影響制 冷系統(tǒng)制冷效果，造成耗電膾加。因此，系統(tǒng)的性能在其結(jié)構(gòu) 決定后，還必須對(duì)它的制冷劑量進(jìn)行匹配試驗(yàn)。項(xiàng)目研制中采 取與普通電冰箱不同的充注量試驗(yàn),同時(shí)使用高精度充注系 統(tǒng)確保最佳充注量，使系統(tǒng)在高效下進(jìn)行工作，達(dá)到節(jié)能降耗 目的。5.1.4改進(jìn)節(jié)流系統(tǒng)，正確選擇毛細(xì)管長(zhǎng)度和管徑以 確定最佳毛細(xì)管流量是重要問題,與蒸發(fā)器的優(yōu)化匹配、與冷 凝器的優(yōu)化匹配是緊密相關(guān)的。若毛細(xì)管長(zhǎng)度較長(zhǎng)或管徑較 小,節(jié)流時(shí)產(chǎn)生較大的壓差,制冷劑流量小,蒸發(fā)溫度低，壓縮 機(jī)排氣量小,使制冷系統(tǒng)制冷能力減小。在設(shè)計(jì)中最初的理論 計(jì)算往往只具指導(dǎo)意義，必須經(jīng)多次試驗(yàn)調(diào)試才能確定。項(xiàng)目 在調(diào)

14、試過程中,將制冷系統(tǒng)各主要部件的主要狀態(tài)參數(shù)點(diǎn)處 分布感溫電偶，在壓縮機(jī)高、低壓端安裝壓力表，通過各種工 況的試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助壓恰圖,尋找優(yōu)化制冷循環(huán)工 況，確定最佳鬲流量和元注量。5.2制冷系統(tǒng)管滋走向節(jié)能 設(shè)計(jì)5.2.1防凝露管節(jié)能設(shè)計(jì)，文中3. 4已介紹。522回 氣換熱器節(jié)能設(shè)計(jì)。采用環(huán)保型制冷劑如r600a、r134a 等與r12 一樣，在系統(tǒng)中設(shè)置回氣換熱器，采用回?zé)嵫h(huán)是提 高制冷系數(shù)和單位容積制冷量的有效措施。從以下三個(gè)方面 對(duì)換熱效率進(jìn)行了強(qiáng)化:(1)毛細(xì)管與回氣管中的制冷劑采用 逆流換熱;毛細(xì)管和回氣管采用并行錫焊(或熱塑工藝)的 方式;(3)盡可能增加毛細(xì)管與回氣

15、管的錫焊長(zhǎng)度使之最終換 熱效率達(dá)到98%,這樣可明顯提高系統(tǒng)制冷量。5. 2. 3兩大換 熱設(shè)備(蒸發(fā)器和冷凝器)中制冷劑管道的合理布置。兩犬換 熱設(shè)備換熱能力的提高對(duì)提高系統(tǒng)制冷量,降低能耗十分重 要，而換熱能力的提高與其中制冷劑管道的合理布置緊密相 丸項(xiàng)目研制中,冷藏室蒸發(fā)器雙排并行盤管緊貼于內(nèi)膽之上 冷凍室蒸發(fā)器采用分層立體結(jié)構(gòu)。冷凝器設(shè)計(jì)為橫、豎盤管 混排結(jié)構(gòu)，并采用外掛式。通過這些措施，大大增強(qiáng)了蒸發(fā)器 與冷凝器的換熱能力,經(jīng)實(shí)測(cè),電冰箱最大負(fù)荷時(shí)日耗電僅 039度，而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0. 35度以下。52.4在制冷 系統(tǒng)管路走向節(jié)能設(shè)計(jì)中注意降低冰箱噪聲,保證冰箱在節(jié) 能的同時(shí)將

16、噪聲控制在合理范圍內(nèi)。6結(jié)語(yǔ)通過改進(jìn)換熱器 結(jié)崗，采用多層排列的復(fù)合立體式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，改車一的豎排 管排列為橫、豎混合排列的絲管式外掛冷凝器,借助于電冰箱 壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及毛細(xì)管的優(yōu)化匹配,并且借助于制 冷劑管路走向節(jié)能設(shè)計(jì)等措施，通過變溫控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)，研制的e cd-186ch s直冷電冰箱最大負(fù)荷時(shí)日耗電 0. 39度，而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0. 35度以下，最低達(dá)0. 31度。 與同樣大小固定冷凍室容積的直冷電冰箱相比,項(xiàng)目研制的 電冰箱,既滿足消費(fèi)者對(duì)溫區(qū)的多方需求，又顯著節(jié)能降耗。參考文獻(xiàn)1方言.電冰箱市場(chǎng)需求的大趨勢(shì).家用電器科 技,2002, (7): 34 352 w w w clasp