直冷電冰箱制冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計探析47

1、盍冷電冰箱制冷務(wù)俛優(yōu)億後皆採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兩個高溫區(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， 借助制冷系統(tǒng)壓縮機、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、蒸發(fā)器管 道位置及走向布置和回氣換熱器設(shè)計,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)時耗電

2、在0. 35度以兀最低達0. 31度。關(guān)鍵詞：熱工學(xué)優(yōu) 化設(shè)計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,我國電冰箱的產(chǎn)量由1991年的470萬臺增加到2001年 的1349萬臺,平均年增長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)計則是關(guān)鍵因素。2蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計研制采 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 部兩個高溫區(qū)制冷量，使其快速達到規(guī)定要求,縮短壓縮機工 作時間，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，通過理論計算和試驗相結(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，達節(jié)能目的。3冷凝器優(yōu)化設(shè)計在 優(yōu)化冷凝器設(shè)計中除合理增大冷凝面積外,還應(yīng)充分考慮以 下幾點:3. 1設(shè)計橫、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,為加強流體擾動，破壞流動邊界層,采用橫、豎盤管相 結(jié)合走向的冷凝器將會提高冷凝器換熱效果,同時也可降低 制冷劑流

5、動噪聲。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:從壓縮機排氣管至干燥過濾器出口整個高壓區(qū)域 皆為冷凝器負(fù)荷對應(yīng)區(qū)域，包括制冷劑蒸汽的冷卻、冷凝及再 冷（過冷）三個過程，對應(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，采用不同制冷劑時管路布置也 不相同。項目研制中采用制冷劑r600a,由于采用r600a使 壓縮機排氣溫度降低，約55c左右,故將壓

6、縮機排出的高壓氣 體先進門邊防露管，再進主、副冷凝器,這樣即使條件變化,/7 邊防露管末端對應(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,在管路布置時盡量使防露管遠(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)計過高的環(huán)境溫度或過 低的箱內(nèi)溫度對電泳箱制能耗揚有直接影響。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, 甚至延長壓縮機開機時間，造成能耗上升。過低的、不必要的 冷凍室溫度設(shè)計會加劇冰箱能耗上升。為滿足消費者需要，又 使冰箱降耗節(jié)能，軟冷凍及

7、變溫設(shè)計就顯得十分重要。目前， 傳統(tǒng)冰箱的兩個溫區(qū),r室5°c，f室為-18°c,而且f室相對 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)物很難在短時間內(nèi)用刀進行切削處理，在 食用前必須解凍，此舉一耗費時間，二造成營養(yǎng)成分流失。將 f室分離出一個-10°c溫區(qū)，既可使魚、肉等食品在-7-1（tc 低溫下凍結(jié)，又能達到短時間內(nèi)用刀進行切削處理的目的，同 時,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 回到壓縮機形成循環(huán)回路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,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）, 各間室都有相對獨立的蒸發(fā)器。變溫室蒸發(fā)器設(shè)計時較大，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，可以通過設(shè)在變溫室的溫度傳 感器將溫度信號送至電冰箱的控制裝置中,控制裝置

9、據(jù)溫度 設(shè)定值對雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通路進行切換實現(xiàn)。當(dāng)電冰箱啟動 運行時,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)回路運行,同時變溫室的溫度傳感器檢測變溫室的溫度。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)運行。若檢測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, 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)回路運行。此時冷凍室和冷藏室溫度繼續(xù)下 降,直到冷藏室溫度達到標(biāo)準(zhǔn)后,壓縮機停機

10、,系統(tǒng)如此往復(fù) 循環(huán)。這種設(shè)計,控制壓縮機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的運行,故可較好解決雙路循環(huán) 系統(tǒng)存在的頻繁開、停機現(xiàn)象,既使壓縮機及其附件壽命延長, 又減少啟動功率，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、費者對冰箱溫區(qū)的多方需求,戈節(jié)能降耗。表1為能耗實 測數(shù)據(jù),可以看岀，單獨調(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5. 1制冷系統(tǒng)優(yōu)化匹配 項目綜合考慮箱體熱負(fù)荷、系統(tǒng)制冷量、壓縮機效率、電冰 箱工作周期等相關(guān)參數(shù)，使之達最佳匹配狀態(tài)。5. 1. 1設(shè)計 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)不停機現(xiàn)象,同時,根據(jù)產(chǎn)品的氣候類型(項目研制中設(shè) 計為亞熱帶型)確定冷凍室、冷藏室的熱負(fù)荷匹配關(guān)系。在產(chǎn) 品設(shè)計和樣機試驗中，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) 點和相應(yīng)的調(diào)整措施5。5. 1. 2在設(shè)計冰箱系統(tǒng)時，工作時 間系數(shù)的選配非常重要。壓縮機工作時間太短，啟動頻繁,則 因啟動功率大,會帶來能耗的升高；如果工作時間太長，壓縮 機總是工作在較低蒸發(fā)溫度狀態(tài)，則壓縮機工作效率太低,能 耗也蔣上升。在選配壓縮機時，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的壓縮機。項目研制 中選用高效壓縮機,功率90叱經(jīng)測定,冰箱工作時間系數(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，還必須對它的制冷劑量進行匹配試驗。項目研制中采 取與普通電冰箱不同的充注量試驗,同時使用高精度充注系 統(tǒng)確保最佳充注量，使系統(tǒng)在高效下進行工作，達到節(jié)能降耗 目的。5.1.4改進節(jié)流系統(tǒng)，正確選擇毛細(xì)管長度和管徑以 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)管長度較長或管徑較 小,節(jié)流時產(chǎn)生較大的壓差,制冷劑流量小,蒸發(fā)溫度低，壓縮 機排氣量小,使制冷系統(tǒng)制冷能力減小。在設(shè)計中最初的理論 計算往往只具指導(dǎo)意義，必須經(jīng)多次試驗調(diào)試才能確定。項目 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)點處 分布感溫電偶，在壓縮機高、低壓端安裝壓力表，通過各種工 況的試驗曲線及試驗數(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5.2.1防凝露管節(jié)能設(shè)計，文中3. 4已介紹。522回 氣換熱器節(jié)能設(shè)計。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。從以下三個方面 對換熱效率進行了強化:(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、管的錫焊長度使之最終換 熱效率達到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，大大增強了蒸發(fā)器 與冷凝器的換熱能力,經(jīng)實測,電冰箱最大負(fù)荷時日耗電僅 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)計中注意降低冰箱噪聲,保證冰箱在節(jié) 能的同時將

16、噪聲控制在合理范圍內(nèi)。6結(jié)語通過改進換熱器 結(jié)崗，采用多層排列的復(fù)合立體式蒸發(fā)器設(shè)計，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、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)計等措施，通過變溫控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè) 計，研制的e cd-186ch s直冷電冰箱最大負(fù)荷時日耗電 0. 39度，而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0. 35度以下，最低達0. 31度。 與同樣大小固定冷凍室容積的直冷電冰箱相比,項目研制的 電冰箱,既滿足消費者對溫區(qū)的多方需求，又顯著節(jié)能降耗。參考文獻1方言.電冰箱市場需求的大趨勢.家用電器科 技,2002, (7): 34 352 w w w clasp