電冰箱能耗與制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

電冰箱能耗與制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)高永程南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院110305204摘要：近年來隨著科技的飛速發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平的不斷提高，電冰箱制冷設(shè)備的應(yīng)用幾乎遍及生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面。同時(shí)也帶動(dòng)著制冷效果和冷藏技術(shù)的日益更新。縱觀我國(guó)冰箱市場(chǎng)，尤其是從2000年之后，低碳環(huán)保的傾向也越來越明顯。所有家電產(chǎn)品中冰箱的能效普及最到位，目前市場(chǎng)上冰箱產(chǎn)品能效等級(jí)普遍達(dá)到1級(jí)，2級(jí)能效以下的產(chǎn)品已經(jīng)很難看到，而3級(jí)以下的產(chǎn)品基本已被淘汰。電冰箱的出現(xiàn)越來越得到商業(yè)各領(lǐng)域的不斷需求。我國(guó)冰箱生產(chǎn)在２００３年全面實(shí)施強(qiáng)制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，在市場(chǎng)上銷售的電冰箱都必須貼上＂能效標(biāo)識(shí)＂標(biāo)簽。通過政府的行政措施使我國(guó)冰箱行業(yè)繼續(xù)高走節(jié)能主義道路。如何不斷提高電冰箱的性能,以適應(yīng)這些標(biāo)準(zhǔn),降低能耗，是家用電冰箱生產(chǎn)企業(yè)面臨的一大問題。同時(shí),為了滿足不斷提高的使用性、舒適性要求,在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常必要的。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470萬臺(tái)增加到2001年的1349萬臺(tái),再到2013年的3714萬臺(tái)，電冰箱使用越來越普遍，而電冰箱的耗電量占家用電器總耗電量的32%,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、軟冷凍及變溫技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)則是關(guān)鍵因素。2電冰箱能耗與制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)2.1電冰箱的發(fā)展歷史1910年，世界上第1臺(tái)壓縮式制冷的家用冰箱在美國(guó)問世；1925年，瑞典麗都公司開發(fā)制造了家用吸收式冰箱；1927年，美國(guó)通用電氣公司研制成功全封閉式冰箱；1930年，采用不同加熱方式（煤氣、電、煤油為熱源）的空氣冷卻連續(xù)擴(kuò)散吸收式冰箱投放市場(chǎng)；1931年，新型制冷劑氟利昂12研制成功，并在工業(yè)上廣泛使用。1983年合肥第二輕工機(jī)械廠（美菱前身）轉(zhuǎn)產(chǎn)家用電冰箱，開始了專業(yè)制冷之路。2.2電冰箱的發(fā)展現(xiàn)狀與面臨問題減少冰箱保護(hù)殼體漏熱，改進(jìn)蒸發(fā)器、冷凝器的制冷性能，增大能效比，如增加蒸發(fā)器面積，換用熱傳感更好的材料，選擇壓縮機(jī)主要根據(jù)壓縮機(jī)的排氣量、輸入功率及運(yùn)行時(shí)的制冷量來確定，即冰箱制冷系統(tǒng)對(duì)壓縮抽的性能要求，在壓縮機(jī)排氣量、制冷量符合要求的前提下，選用軸功率最小且滿足性能要求的壓機(jī)型號(hào)，通過系統(tǒng)的整體匹配，計(jì)算出最佳的毛細(xì)管內(nèi)徑和長(zhǎng)度、冷凝器換熱面積、蒸發(fā)器的換熱面積以及制冷劑充注量等是目前電冰箱的發(fā)展?fàn)顩r，而電冰箱所面臨的一些主要問題則是幾個(gè)全球化問題：能耗的盡可能降低，系統(tǒng)的優(yōu)化以使電冰箱平穩(wěn)工作，以及環(huán)境保護(hù)。3降低能耗的優(yōu)化手段3.1常用節(jié)能方法(1減少冰箱保護(hù)殼體漏熱冰箱殼體一般指冰箱箱體和門體，能夠儲(chǔ)存食物的空間容積。減少漏熱的方法主要有：①增加箱體和門體的發(fā)泡層厚度；②使用高性能微孔發(fā)泡技術(shù)，提高發(fā)泡性能；③在箱體和門體內(nèi)部增加真空絕熱材料板；④在箱體和門體內(nèi)殼上粘貼鋁箔膠帶、牛皮膠帶等物質(zhì)，降低隔熱層的傳熱系數(shù)。箱體與門體發(fā)泡層厚度的設(shè)計(jì)是直接影響冰箱節(jié)能。發(fā)泡層厚度的增加和冰箱能耗等級(jí)的升高呈反比關(guān)系，箱體發(fā)泡層厚度設(shè)計(jì)原理和門體一樣。一般來講，發(fā)泡層厚度增加，冰箱能耗等級(jí)降低，發(fā)泡層厚度增加到一定數(shù)值后，其節(jié)能效果已不明顯；隨著發(fā)泡層厚度的進(jìn)一步增加，耗費(fèi)的發(fā)泡層增加使材料成本增加、冰箱室內(nèi)的有效容積反而下降。所以，在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮冰箱能耗等級(jí)、生產(chǎn)成本和實(shí)際容積等，以選擇最優(yōu)化的發(fā)泡層厚度。（2）改進(jìn)冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)門封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，比如增加門封氣囊數(shù)、減低門封條閉合高度，采用一體門發(fā)泡技術(shù)和雙門封、使用強(qiáng)力磁條等。改進(jìn)蒸發(fā)器、冷凝器的制冷性能，增大能效比，如增加蒸發(fā)器面積，換用熱傳感更好的材料等。（3）使用高效壓縮機(jī)最直接的節(jié)能手段是提高壓縮機(jī)的能效比目前市場(chǎng)上最高效的壓縮機(jī)ＣＯＰ值可達(dá)到２．１左右。選擇壓縮機(jī)主要根據(jù)壓縮機(jī)的排氣量、輸入功率及運(yùn)行時(shí)的制冷量來確定，即冰箱制冷系統(tǒng)對(duì)壓縮抽的性能要求。將設(shè)計(jì)工況（冷凝溫度、蒸發(fā)溫度）代入壓縮機(jī)性能曲線，在壓縮機(jī)排氣量、制冷量符合要求的前提下，選用軸功率最小且滿足性能要求的壓機(jī)型號(hào)。影響冰箱能耗等級(jí)的主要因素是壓縮機(jī)的能效比ＣＯＰ，任何１臺(tái)節(jié)能冰箱的使用，都配備了１臺(tái)高效壓縮機(jī)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)顯示采用變頻技術(shù)的冰箱與相同的普通冰箱相比可以提高能耗等級(jí)。3.2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):（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)也可降低制冷劑流動(dòng)噪聲。（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）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。（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55℃左右,故將壓縮機(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,門邊防露管末端對(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,又可減小熱量向箱內(nèi)傳遞,實(shí)現(xiàn)節(jié)能之目的,系統(tǒng)圖如圖2示。3.3制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配及管路走向節(jié)能設(shè)計(jì)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)。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。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,能耗也將上升。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90Ｗ,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。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,造成耗電增加。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。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)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),借助壓焓圖,尋找優(yōu)化制冷循環(huán)工況,確定最佳的流量和充注量。3.4蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)研制采取了以下措施。第一,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)境下有最佳的開停比,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)合立體式結(jié)構(gòu)[3],換熱層片由多個(gè)并列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,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。4結(jié)論節(jié)能、環(huán)保是冰箱產(chǎn)品開發(fā)永遠(yuǎn)的主題，提高能源效率和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，已成為世界各國(guó)政府的迫切任務(wù)，也是世界經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的先決條件。但冰箱的節(jié)能降耗是一項(xiàng)長(zhǎng)期而持久作電冰箱的節(jié)能只有從系統(tǒng)的高度，通過綜合優(yōu)化制冷循環(huán)、改善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)、合理使用材料和先進(jìn)的控