（制冷及低温工程专业论文）直冷式多路循环冰箱特性研究.pdf

申请上海交通大学博士学位论文 直冷式多路循环冰箱的仿真与实验研究 摘要 冰箱的安全性、保鲜性能、耗电量、噪声及价格已成为人们购买冰 箱的主要指标和依据。安全可靠、保鲜性能好、低耗电量、低噪声、价 格便宜的冰箱才会成为消费者的首选。中国加入w t o 后，冰箱的进出口 贸易大大增加。由于欧美国家对进口家电产品的安全性和耗电量有着更 严格的要求，因此，提高冰箱的安全性和节能性对提高冰箱出口量、增 强我国冰箱在国外市场的竞争力具有重要的意义。另一方面，中国目前 的冰箱保有量已达1 3 亿台，冰箱用电目前已占居民全部用电的5 0 。未 来十五年内中国冰箱平均每年耗电将达到4 0 0 亿度以上，相当于三峡水 电站年最高发电量的一半，如果全部采用节能冰箱，每年可节约的电力 相当于葛洲坝水电站发电量的一半以上。因此，开发节能、安全冰箱势 在必行。同时，随着人们生活习惯的改变，对冰箱提出了一些新的要求， 诸如多温区、各温区温度控制准确等。 对于冰箱生产厂家来说，不仅要能够设计出低能耗冰箱，而且要能 够迅速设计出低能耗冰箱。传统的冰箱设计方法以经验与试验为主。虽 然试验研究能真实地反映实际系统，是人们深入了解装置性能不可缺少 的手段，然而样机的反复制作与测试不仅要消耗大量的财力物力，大大 延长了产品的开发周期，而且难以得到装置的最优结构。 本文对冰箱仿真模型进行了改进及对多循环冰箱的特性进行了仿真 与实验研究及应用，取得了以下几方面的成果： 1 建立了冰箱蒸发器的自然对流与辐射换热模型。把辐射换热简化 为两凸面封闭的模型，大大简化了辐射的计算过程，使得辐射换热模型 能应用于仿真实际。通过计算及实验发现，冷藏室辐射制冷量占冷藏室 总制冷量的4 1 8 、冷冻室辐射制冷量占冷冻室总制冷量的3 3 2 之多， 因此辐射制冷量与自然对流制冷量一样是冰箱蒸发器的主要换热型式。 2 对旁通双循环冰箱进行了比较系统的研究。建立了旁通双循环冰 箱的仿真程序，并在海尔集团应用。通过仿真与实验研究发现，当冷藏蒸 发器面积在5 范围内变化时，旁通双循环冰箱对冷冻室温度基本没有 摘要 影响，对耗电量的影响较小，在o 5 以内；而单循环冰箱对冷冻室温度 的影响较大，在o 8 0 c 左右，耗电量影响在1 5 以内。 3 对蒸发器并联双循环冰箱进行了详细的实验研究。提出了“基于 温度与分时运行的联合控制策略”和“优先权可选择的控制策略”，解决 了蒸发器并联双循环冰箱在动态运行下温度控制不准确的缺点。 4 提出了冷藏蒸发器面积可变的旁通双循环冰箱结构，并申请了国 家发明专利。该循环结构是对旁通双循环冰箱与蒸发器并联双循环冰箱 的一种良好的折中方案。 最后，作者简要阐述了本文研究工作存在的一些不足点和进一步的 研究方向。 关键字：冰箱，直冷式，辐射，动态，仿真，双循环，扰流风扇，模型， 蒸发器 中图法分类号：t b 6 5 申请上海交通大学博士学位论文 s t u d yo nm u l t i c i r c u i tc y c l er e f r i g e r a t o r - f r e e z e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so nt h es e c u r i t y , t h ea n t i s t a l e n e s s ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o n , t h e n o i s ea n dt h ep r i c eo f t h er e f r i g e r a t o r - f r e e z e r ( r f ) a r et h em a i ni t e r n st ob ec o n s i d e r e db y t h eb u y e m n 坞r fw h i c hi sv e r ys e c u r e 。m dw h o s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n t i - s t a l e n e s s i se x c e l l e n t , a n dw h o s ep o w e rc o n s u m p t i o n , n o i s ea n dp r i c ea 腭v e r yl o w ：i sv e r ys a l a b l e s i n c ec h i n a j o i n e di nw t o t h ee x p o r tc a p a c i t yo f l t fh a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y b e c a u s e e u r o p e a na n da m e d c a na l ev e r ys t r i c to nt h es e c u r i t ya n dp o w e rc o n s u m p t i o n , i ti sv e r y i m p o r t a n tt oi n c r e a s et h es e c u r i t ya n dr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no f t h er ft op r o m o t e i t sc o m p e t i t i v ep o w e ri nt h ee u r o p e a na n da m e r i c a nm a r k e t s o n eh u n d r e da n dt h i r t y m i l l i o nr f sa r eu s e di nc h i n an o w , a n dt h e i rp o w e rc o n s u m p t i o ni sa b o u th a l fo ft h e r e s i d e n tp o w e rc o n s u m p t i o n i nt h ec o m i n g1 5y e a r s ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o no fr f si n c h i n aw i l lb ef o r t yb i l l i o n sl d l o w a t t - h o l l re v e r yy e a r i fa l lt h el 强sa r ee n e r g y s a v i n g m o d e l s ，t h ee n e r g y s a v i n g sw i l lb et h eh a l fo ft h eg e n e r a t i n gc a p a c i t yo fg e z h o ud a m g e n e r a t i n gp l a n t a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e a s o n s i ti sn e c e s s a r ya n di s t h et r e n dt o d e v e l o pt h ee n e r g y - s a v i n ga n dh i g h - s e c u r i t yr f s a st h eh a b i t sa n dc u s t o m sc h a n g e ，t h e n e wr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r do nr f s , s u c h 觞m u l t i - t e m p e r a t u r ez o n e sa n da c c u r a t e t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 f o rt h em a n u f a c t u r e r so f t h er f , i tn o to n l yc a nd e s i g nt h es a y i n g - e n e r g yr f s ，b u tc a n q u i c k l yf i n i s ht h ed e s i g n i n go f t h es a v i n g - e n e r g yr f s t h et r a d i t i o n a ld e s i g n i n gm e t h o di s b a s e do nt h ee x p e r i e n c ea n dt h ee x p e r i m e n t s a l t h o u g ht h ee x p e r i m e n t sc a nr e f l e c t st h e a c t u a ls y s t e m a n di sn e c e s s a r yt od i s c l o s u r et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e r n ，t h e r e p e a t e d - m a d em e d e lm a c h i n e sa n dt h e i rt e s t sn o to n l yc o n s a m em u c h c o s tb u tp r o l o n gt h e d e v e l o p m e n tc y c l e 。a n de x p e r i m e n t a lm e t h o d i sd i f f e r e n tt or e a c ht h eo p t i r e a lr e s u l t s t h i sd i s s e r t a t i o ni m p r o v e st h es i m u l a t i n gm o d e l so ft h er f , a n dt a k e st h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no nt h em u l t i c i r c u i tc y c l er fb ye x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i n gm e t h o d s t h e w o r k sa n da c h i e v e m e n t sa r e 船f o l l o w s 1 t h en a t u r a l - c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o nm o d e lo ft h er fe v a p o r a t o ri sd e v e l o p e d t h e t w o - c l o s e dc o n v e xs u r f a c em o d e li sa d o p t e df o rt h ec a l c u l a t i o no ft h er a d i a t i o nh e a t t r a n s f e ro ft h ee v a p o r a t o r t h i sm o d e ls i m p l i f i e st h ec a l c u l a t i o no ft h er a d i a t i o nh e a t t r a n s f e rg r e a t l y , a n dc a nb eu s e di n t ot h es i m u l a t i n gp r o g r a mi np r a c t i c e a b s t r a c t t h ec a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er a t i ob e t w e e nt h er a d i a t i o nh e a t t r a n s f e ra n dt h et o t a lh e a tt r a n s f e ri nf r e s hf o o dc o m p a r t m e n t ( f f c ) a n di nf r e e z e r c o m p a r t m e n t ( f z c ) a r e4 1 8 a n d3 3 2 r e s p e c t i v e l y s ot h er a d i a t i o nh e a tt r a n s f e ri st h e s a m ei m p o r t a n tf o rt h er fe v a p o r a t o ra st h en a t u r a l c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r 2 n ed e t a i l e ds t u d yo nt h eb y p a s st w o - c i r c u i tc y c l er fh a sb e e nc o n d u c t e d n 蟛 s i m u l a t i n gp r o g r a mo f t h eb y p a s st w o c i r c u i tc y c l er fi sd e v e l o p e da n dh a sb e e nu s e di n i - i a i e rc 姐o u p b yt h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lm e t h o d t h e 5 c h a n g eo ft h ef f c e v a p o r a t o ra l e ah a sl i t t l ei n f l u c n c oo nt h ef z ct e m p e r a t u r ea n dh a ss i n a i l i n f l u e n c cw i t h i n o 5 o nt h ep o w e re o n s a m p t i o nf o rt h eb y p a s st w o - c i r c u i tc y c l er f w l l i l ei th a sg r e a t i n f l u e n c eo nt h ef z ct e m p e r a t u r e a b o u t0 8 。ca n do nt h ep o w e rc o n s u m p t i o nw i t h i n1 5 f o rt h es i n g l e - l o o pc y c l e 陋 3 t h ed e t a i l e ds t u d yo nt h et w o - c i r c u i tc y c l er fw i t i lp a r a l l e le v a p o r a t o r sh a sb e e n c o n d u c t e d t e m p e r a t u r ea n dt i m e - s h a r i n gr u n n i n gc o m b i n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h e c o n t r o ls t r a t e g yw i t ht h eo p t i o n a lr u n n i n gp r i o r i t yf o rt h ef f cc i r c u i ta n dt h ef z cc i r c u i t a r ep u tf o r w a r d t h e s et w os t r a t e g i e ss o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ec o m p a r t m e n tt e m p e r a t u r e s a r ed i f f i c u l tt oc o n t r o la c c u r a t e l yf o rt h et w o - c i r c u i tc y c l er e f r i g e r a t o r - f r e e z e r 、析t hp a r a l l e l 4 an e wc y c l et e r m e db y p a s st w o c i r c u i tc y c l er fw i t ha l t e r n a t i v ea r e a so ff o o d c o m p a r t m e n te v a p o r a t o ri sp r e s e n t e d a n di sp a t e n t e di nc k n 乱s u c hc y c l ei sav e r yg o o d s u b s t i t u t ef o r t h es i n g l e l o o pc y c l er fa n dt h et w o - c i r c u i tc y c l er fw i t t ip a r a l l e l a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o re x p l a i n st h em a i ns h o r t c o m i n g sa n dt h e f b r t h e rr e s e a r c hi d c a si nt h ef i e l d k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t o r f r e e z e r , c o l d - w a l l ，r a d i a t i o n , d y n a m i c ，s i m u l a t i o n ；t w o - c i r c u i t c y c l e ，m o d e l ，c i r c u l a t i o nf a n , e v a p o r a t o r 申请上海交通大学博士学位论文 变量： 热力学温度，k 或o c 时间，s 或h r e y n o l d s 数 n u s i t 数 f r a n d t i 数 格拉晓夫准则 热阻，m 2 k w 传热速率，w 质量流率，k g s 比焓，j k g 或 肋片高度，m 上标： 一平均值 空气 环境 冷凝；冷凝器 压缩机 蒸发；蒸发器 毛细管 符号表 口 对流换热系数，w ( m 2 厨 丑 导热系数，w ( m 鼢 艿 厚度，n l 卢容积膨胀系数，1 k v 运动粘度，m z s 动力粘度，k g ( m 曲 玩黑体热辐射力，w m 2 占 黑度 p 密霞，k g 甜 ( o )上一时刻 m a x m l n m i d c h a r g e e a l i n o u t 缩写： f z c 冷冻室( f r e e z e rc o m p a r t m e n t ) f f c 冷藏室( f l e s hf o o dc o m p a r t m e n t ) r f 冰箱( r e f r i g e r a t o r - f r e e z e r ) 最大 最小 中间 制冷剂充注量 计算值 进口 出口 r ，髓m n函，q辨厅 标血曲m m m 啦确圳砒咖咖m唧 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 务 j 怄 日 卜p 孚 月 名 签 e 懿 年 作 歹 文 一 黼 耐 削 彤 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密旺 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者答名。手引 日期：) 硌f f 月踟 指导教师签名。砂 日期：一彳年f f 月9 日 申请上海交通大学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着中国经济的迅速发展和人民生活水平的快速提高，在过去十年中，中国家用 冰箱的年产量大幅度增加，从1 9 9 0 年的4 6 3 万台增长到近年的1 4 0 0 万台以上。当前 的冰箱产量和能耗水平，在这些冰箱的寿命期内，预计在今后的十年里将消耗6 0 1 0 亿度电能，相当于年平均6 0 0 0 万吨额外的c 0 2 排放。如果产量按照预计的那样继续 增长，所需的新增发电容量将会更大，造成更多的c 0 2 排放。由于低效率所造成的 巨大的环境与经济代价，中国政府与企业非常重视提高家用冰箱的能效 近几年，特别是中国加入w t o 后，冰箱的进出口贸易在大大增加。冰箱的出口 额已成为国家外汇收入的重要的一部分。2 0 0 0 年全国冰箱出口量为3 7 8 万台，出口 额为2 7 9 0 0 万美元；2 0 0 1 年，冰箱出口量比2 0 0 0 年增加1 0 0 多万台( 中国家用电器协 会统计数据，h t t p ：w w w c h c a a o r g p u b l i c t o n g i i i n d c x a s p ) 。由于欧美国家对进口家电 产品的耗电量和安全性有着更严格的要求，因此，提高冰箱的节能性和安全性对提高 冰箱出口量、增强我国冰箱在国外市场的竞争力具有重要的意义。因此，急需从整体 上提高中国企业生产高效节能冰箱的能力。同时，随着生活习惯的改变，人们对冰箱 提出了一些新的要求，诸如多温区、各温区温度控制准确等。 家用电冰箱耗电量是广大消费者购买电冰箱时最关心的主要参数之一。美国能源 部颁布的电冰箱电耗限定值，几乎是每三年就提高一次标准要求。1 9 9 0 年实施的电 耗限定值比1 9 8 7 年低2 0 ，1 9 9 3 年实施的电耗限定值比1 9 9 0 年低2 5 3 5 ( 如表 1 1 所示) ，目前已实施的1 9 9 8 年电耗限定值比1 9 9 3 年低3 0 4 0 ( 赵先美，1 9 9 9 ) ， 现已制订的2 0 0 1 年实施的新标准，比目前电耗限定值降幅为3 0 。 表1 1 美国能源部颁布的电冰箱电耗限定值 t a b l ei - 1r e f r i g e r a t o r - f r e e z e rp o w e rc o n s u m p t i o nl i m i t so f u s ae n e r g yc o m p a q m e n t 冰箱有效容积1 9 9 0 年标准规定电耗1 9 9 3 年标准规定电耗降低电耗幅度 序号 ( 升) ( k w h 2 4 h )( k w w 2 4 h ) ( ) l 3 6 21 4 40 9 73 2 6 24 3 02 0 81 5 22 6 9 35 7 82 6 01 8 72 8 1 4 7 0 2 3 2 2 2 0 8 3 5 4 5 7 3 03 3 32 3 23 0 3 68 0 43 9 02 7 l3 0 5 为了和国际接轨，扩大冰箱出口，我国也已制订了新的国家标准家用电冰箱电 耗限定值及能耗等级( g b l 2 0 2 1 2 2 0 0 3 ) ，该标准比原国家标准家用电冰箱电耗限 第一章绪论 定值及测试方法( g b l 2 0 2 1 2 - 8 9 ) 对耗电量的要求更高。新标准已接近欧美相应标准 要求表1 2 列出了几种型号冰箱分别用新、旧标准计算出的能耗等级限定值。而且， 自2 0 0 4 年起，在国内上市的冰箱，全部要求贴有能效标签，使购买者能清楚的知道 自己所购买的冰箱处于哪一等级的能耗水平 表1 2 新旧国家标准能耗等级限定值 冰箱型号 g b l 2 0 2 1 2 2 0 0 3g b l2 0 2 1 2 8 9 ( 新标准)(目标准) ( 括号内为f z c 室，f f c 室有效容积l ) abcde ab c b c d - 1 8 2 w ( f z c ：4 5 l ，f f c ：1 3 7 l ) 0 9 61 1 01 3 31 4 81 7 01 2 71 3 51 5 0 b c d - 2 0 8 ( f z c ：9 7 l 。f f c ：1 1 l l ) 0 9 81 1 31 3 61 5 l1 7 41 3 81 4 41 6 0 b c d - 2 1 6 ( f z c ：9 5 l ，f f c l 3 l l ) 0 9 71 1 21 3 51 5 0 1 7 2 1 3 21 4 0l 5 5 b c d - 2 3 8 w ( f z c ：9 9 l f f c ：1 4 0 l ) 1 1 11 2 81 5 41 7 11 9 71 5 41 6 3j 8 1 b c d - 2 5 1 w ( f z c 9 6 l ，f f c ：1 5 5 l ) 1 1 91 3 71 6 51 8 32 1 l1 5 91 6 91 8 8 b c d - 2 6 8 ( f z c ：i o s l ，f f c ：1 6 0 l ) 1 0 71 2 3 1 4 81 6 41 8 91 4 5】5 31 7 0 注：f z c ( 9 e e z e rc o m p a r t m e n t ) 表示冷冻室；f f c ( f r e s hf o o dc o m p a r t m e n t ) 表示冷藏室 家用电器节能技术也是“九五”国家重点技术开发指南中重大关键技术之一， 而且国家经贸委已正式确定：“九五”期问，节能与c f c s 替代技术的开发将作为家 用电器行业参与国际竞争，赶超国际水平的重点项目。因此，节能技术的开发已成为 冰箱行业的重要课题。 对于冰箱生产厂家来说，不仅要能够设计出低能耗冰箱，而且要能够迅速设计出 低能耗冰箱传统的冰箱设计方法以经验与试验为主。虽然试验研究能真实地反映实 际系统，是人们深入了解装置性能不可缺少的手段，然而样机的反复制作与测试不仅 要消耗大量的财力物力，大大延长了产品的开发周期，而且难以得到装置的最优结构。 对市场竞争激烈的今天来说，质量、速度就是效益，因此，厂家希望掌握商效节能冰 箱的快速设计方法。冰箱的仿真设计及数值计算即是满足厂家这一需求而渐渐发展起 来的。目前，政府及国内各个冰箱生产厂家，对此事都非常重视。在中国政府和联合 国开发计划署6 m d p ) 签订的全球环境基金( g e f ) 冰箱项目“中国无氟节能冰箱商 业化推广障碍清除”中，有一项就是给国内1 6 个冰箱厂家的主要设计人员提供“e r a ” ( e p ar e f i i g e r a t o ra n a l y s i s ) 和“e e s ”等节能冰箱设计软件的专项培训( 该软件由 美国专家马利安博士为美国环境保护署开发的一种电冰箱能耗设计分析软件) 。青岛 海尔集团早在1 9 9 9 年就意识到冰箱设计采用计算机仿真的重要性。并在当年与上海 交通大学签订了海尔直冷式绿色制冷装置动态制冷性能预测软件开发合同。 过去的2 0 年中，结合计算机仿真技术的产品设计方法在制冷领域逐渐受到重视， 并已成为制冷装置产品设计方法现代化的发展方向。在这期间，随着高速计算机的发 展、测试技术的提高和研究者观念的更新，制冷装置仿真理论经历了从集总参数到分 申请上海交通大学| 霹士学位论文 布参数，从稳态分析到动态分析，从部件仿真到系统仿真，从传统仿真到智能仿真的 发展历程，并已获得许多公认的成果。但研究中的困难也是显而易见的，制冷装置仿 真技术至今停留在科研单位，没有成为企业产品设计的主要手段就在一定程度上说明 了问题。一方面是对象非常复杂而理论相对薄弱造成的，另一方面却是理论研究与实 际应用脱节的缘故。作为应用型学科，制冷装置仿真技术的理论成果只有被实际应用 才能体现经济价值，才能正常发展；因此，切实有效地用仿真理论解决企业实际困难 成为企业界和理论界的迫切需求。 1 2 研究现状和文献综述 从上面的研究背景可以知道，保鲜、节能及多功能电冰箱的新技术开发及电冰箱 设计的快速化是目前冰箱研究的两个重要方面。 i 2 1 保鲜、节能及多功能电冰箱的新技术开发 近年来，随着人民生活水平的提高，人们对电冰箱的要求不再仅仅停留在低温制 冷储藏上，而从食品的保鲜角度向厂家提出了更高的要求。于是保湿保鲜概念，抗茵 除臭材料、电脑控制、电子温度显示等新技术在电冰箱中应运而生。 但是除真空保鲜储藏技术外，其他所有保鲜储存技术无一例外地要在合适的温度 下才能达到预期目的。每一种食品都有一个最佳的保存温度，温度过高或过低都有可 能造成食品的提前变质。因此设计出多温区电冰箱对于改善人们的生活水平意义重 大。 风冷电冰箱比直冷式电冰箱能更方便的设计出多功能、多温区电冰箱，而且箱内 温度场也比直冷式电冰箱均匀，因此目前大容量、多温区电冰箱基本上是风冷无霜电 冰箱。然而，风冷无霜电冰箱存在耗电量大、噪声大、保湿性能差、容易串味等缺点， 这一直制约着风冷无霜电冰箱的发展。近几年，随着直冷式冰箱技术上的进步，特别 是多循环技术、电脑温控技术在直冷式冰箱上的使用，使得直冷式冰箱也能够方便的 设计出多温区电冰箱。因此，在国内及欧洲销售的电冰箱，仍然以直冷式电冰箱为主。 同时，随着多循环技术在冰箱上的应用，针对风冷无霜电冰箱耗电量大、噪声大、保 湿性能差、容易串味等缺点，一些研究者把风冷无霜电冰箱的冷藏室改为直冷式，使 之成为风直冷混合型电冰箱。风直冷混合型电冰箱具有风冷无霜电冰箱及直冷式电冰 箱的优点，将成为未来几年电冰箱发展的一个方向。 由于风冷无霜电冰箱不是本文的研究范围，因此，本文不对风冷无霜冰箱做任何 介绍。本文的多循环电冰箱均以直冷式电冰箱为研究对象。 ( a ) 单循环回路电冰箱 最早的直冷式电冰箱基本上采用单循环制冷系统( 图l - 1 ) ，而且现在仍旧是市场 的主流产品。在单循环电冰箱中，冷藏、冷冻蒸发器采用串联连接方式，各室温度是 通过压缩机开停来控制的。由于冷藏室温度要求较严格，故温度控制器一般置于冷藏 室内。而冷冻室温度的控制，则是通过冷藏、冷冻蒸发器的面积匹配来实现的。直冷 式单循环冰箱的系统结构决定了该冰箱具有如下缺点： 第一章绪论 ( 1 ) 只在冷藏室内有一个温控器，冷藏室与冷冻室蒸发面积又是在某一特定环境温 度下匹配的，因此冷冻室温度控制不准确。会出现低温环境时冷冻室温度偏高、 高温环境时冷冻室温度过低现象。难以满足宽气候环境。 ( 2 ) 在环境温度低时，冷藏室需要电加热补偿，增加了冰箱实际能耗。 ( 3 ) 只有一个蒸发温度，蒸发温度由冷冻室温度确定，对于冷藏室来说，箱内温度 与蒸发温度的温差过大，增大了温差不可逆损失，增大了冰箱的能耗 ( 4 ) 难以设计成更多温区的冰箱。 图1 - ! 单循环冰箱制冷系统流程图 f i g 1 - ls c h e m a t i cd i a g r a mo f s i n g l e - l o o pr e f r i g e r a t o r - f r e e z e 幅r r f s ) 为了减小冷藏室的换热温差，减小温差不可逆损失，不少学者尝试了在单循环冰 箱中使用非共沸制冷剂。 l o r e n z 和m e u t z n e r 于1 9 7 5 年首先对单循环冰箱采用非共沸制冷剂进行了研究， 设计了如图1 2 所示的循环结构，该循环称为l o r e n z - m e u 也z n e r 循环。l o r e n z 和 m e u t z n e r 利用该循环对r 2 2 r l l ( 5 0 ：5 0 ，质量百分比) 进行实验研究，发现使用 r 2 2 r 1 l ( 5 0 ：5 0 ，质量百分比) 制冷剂比使用r 1 2 节能2 0 以上( l o r e n z a ，m e u t z n e rk ， 1 9 7 5 ) 。s t o e c k e r ( s t o e c k e r wf ，w a l u k a s dj 。1 9 8 1 ) 及美国国家橡树岭实验室( dsj u n g , r r a d e r m a c h e r ，1 9 9 1 ；肖建军，华泽钊。2 0 0 2 ) 对r 2 2 瓜1 1 4 混合制冷剂进行了实验，发现 系统的c o p 没有得到任何的提高。k r u s e ( dsj u n g ，rr a d e r m a c h e r ，1 9 9 1 ；肖建军。华泽 钊。2 0 0 2 ) 对r 2 2 r 1 4 2 b 混合制冷剂进行实验研究时发现，在冷却速度试验和稳态试 验时系统的c 0 p 分别提高l o 和1 5 。n a e h i k e t ( n a e h i k e t c h u r l 。l u k e e k a c h e n i e ，1 9 9 7 ) 对l o r e n z m e u t z n e r 循环进行了混合工质的优化设计研究，得到了一些性能较好的混 合工质，如r 1 2 3 a r 1 2 7 0 ( o 9 3 l ：o 0 6 9 ，摩尔百分比) ，而且这些优良工质中都含有 r 1 2 3 a 或r 1 2 7 0 。国内不少专家冰箱采用混合对非共沸制冷剂进行了大量研究。西 安交通大学刘志刚、何茂刚等于1 9 9 2 1 9 9 6 年期间在国内首先开发了用于冰箱的非 共沸制冷剂h f c l 5 2 a 王c f 0 2 2 ，并在长岭冰箱上首先实现了批量使用。清华大学朱明 善等开发的t h r 0 1 ( 清华l 号) 制冷剂也是由h c f c 2 2 与h f c l 5 2 a 组成的二元非共沸 4 申请上海交通大学博士学位论文 混合物，由于其具有优良的环保性能及高效的制冷效果，于2 0 0 1 年2 月获得国家技 术发明奖。 虽然在单循环电冰箱中使用非共沸工质是一个非常不错的方法，然而要成功的使 用非共沸工质并非易事，它与电冰箱的运行工况、控制策略及所用混合制冷剂工质对 的热力学性质有密切的关联。而且，非共沸工质压缩机的开发又非常困难，这都使得 目前极少数电冰箱灌注非共沸制冷剂。 冷凝器 毛细管 图1 - 2l o r c n z - m c u t z n c r 循环流程图 f i g i - 2l o r e n z - m e u t z n e rc y c l e ( b ) 双循环回路冰箱 。 由于单循环回路系统在设计多温区冰箱存在很大的难度，难以实现各温区温度的 精确控制，而且存在耗电量大的缺点，因此许多厂家及科研院所都在研究多路循环系 统的冰箱( 苏跃红，葛新石1 9 9 6 a ，1 9 9 6 b ；博西文2 0 0 2 ；朱日昭1 9 9 5 ，1 9 9 9 ；k e v i n e s i m m o n s 。k i mk w m a g i l 等1 9 9 6 ；l i uz ，ih a i d e r 等1 9 9 5 ；m a h e s hl a v a n i s ， i m a m h a i d e r 等1 9 9 8 ；e v e l y nb a s k i n ，f r a n c i srd e l a f i e l d l 9 9 9 ：b a r cj a n e l 9 9 2 a ，1 9 9 2 b ；w o n s ，j u n gd 1 9 9 4 ；a n d r eic r a n ，s a n _ c o r da k l e i n 2 0 0 0 ) 。多路循环冰箱有双循环冰箱、 三路循环冰箱，更多循环回路的冰箱有待于进一步研究。在多路循环中，目前仍然以 双循环为主。 采用多循环系统后，冷藏、冷冻室可以单独控制，因此，各室温度、湿度在不同 环境温度下都能得到准确控制，使得冰箱能适应宽气候环境。对于速冻及冰箱冷冻能 醺轼杈壤瘸懂 稚璐杈赠塔 第一章绪论 力来说，多循环系统可以实现压缩机不停机运行，把冷量尽可能集中在冷冻室，因此 速冻速度比单循环系统快，速冻效果好，冷冻能力比单循环冰箱大。 在双循环冰箱中，又分为旁通双循环( 图1 3 ) 与分立双循环( 1 - 4 ) 圈l o 旁通双循环冰箱制冷系统示意图图l - 4 分立双循环冰箱制冷系统示意图 f i g 1 - 3b y p a s s t w o - c i r c u i tc y c l e f i g 1 - 4t w o - c i r c u i tc y c l ew i t hi n - p a r a l l e le v a p o r a t o r s 1 压缩机。2 - 冷凝器，3 干燥过滤器。抛。位3 通电磁婀，孓冷藏毛细管，每冷冻毛细管，7 冷藏 蒸发器，8 冷冻蒸发器，9 储液包 图1 5 所示的旁通双循环是k e v i ne s i m m o n s 等人( 1 9 9 6 ) 在l o r e n z - m e u t z n e r 循环中加入电磁阀实现的同时k e v i ne 。s i m m o n s 等人( 1 9 9 6 ) 对图1 5 所示循环进 行了改进( 压缩机出来的过热制冷剂先与回气管进行热交换，然后经过冷藏室内进行 再冷却，最后与冷冻室出口制冷剂进行热交换后进入毛细管节流) ，改进后的循环见 图1 - 6 。k e v i ne s i m m o n s 对这两种循环制造了样机，并使用非共沸制冷剂r 2 9 0 r 6 0 0 ( 7 0 ：3 0 ，质量百分比) 对这两种循环进行实验研究。首先k e v i ne s i m m o n s 对两个 原始单循环样机进行基准实验( b a s e l i n et e s t ) ，然后把冰箱修改为图1 5 、图l _ 6 循环 形式，并对制冷剂充注量进行优化试验实验表明，在最佳充注量附近，采用图1 5 循环方式的冰箱耗电量比基准实验降低1 0 4 ，采用图1 6 循环方式的冰箱耗电量比 基准实验降低5 6 。l i u z 等( 1 9 9 5 ) 采用改进的循环方式发现耗电量节约1 2 i ， 这主要是由于工质对1 1 2 2 9 0 r 6 0 0 的优良热力性能造成的。k e v i ne s i m m o n s 等人 ( 1 9 9 6 ) 指出，采用图1 5 、图1 6 循环方式的冰箱使用不含氟利昂制冷剂比常规单 循环冰箱使用氟利昂制冷剂时性能平均提高6 5 以上。 图1 5 、1 6 所示的双循环冰箱效率虽然得到了一定的提高，而且各室温度也能 独立控制，但冷藏室、冷冻室并没有完全分开，效率也并没有达到最佳程度，而且控 制复杂，成本较高。为此，s a n d 、v m e y a r d 等人( 1 9 9 3 ) 等人采用电磁阀构成了“交 替式蒸发循环”冰箱：对冷藏室、冷冻室交替进行制冷( 见图1 7 ) 。采用该循环的冰 申请上海交通大学博士学位论文 箱由两个蒸发器( 冷藏室和冷冻室各一个) 、两个膨胀阀、一台压缩机、一个冷凝器、 一个吸气管换热器和一个电磁阀组成循环系统。所用电磁阀是两位三通电磁阀。由图 1 7 可知，冷藏室制冷回路为：压缩机冷凝器吸气管热交换器电磁阀毛细管b 冷 藏蒸发器吸气管热交换器- 压缩机；冷冻室制冷回路为：压缩机冷凝器吸气管热交 换器电磁阀毛细管a - 中间冷却器冷冻蒸发器中间冷却器吸气管热交换器压缩 机。 对于一台容积为2 0 0 l ，其中冷冻室为7 5 l 的冰箱，m a h e s hl a v a n i s 等( 1 9 9 8 ) 分别比较了单回路l o r e n z - m e u t z n e r 循环( 图1 - 2 ) 和交替循环( 图l - 7 ) 的计算和实 验结果。计算结果表明，交替蒸发制冷循环的日耗电量比单循环l o r e n z - m e u t z n e r 循 环减少了1 2 3 。实验测试表明，交替蒸发制冷循环的日耗电量为o 9 8 度天， l o r e n z - m e u t z n e r 循环的日耗电量为1 0 7 度天，交替蒸发制冷循环的节能达8 4 1 交替蒸发制冷循环能量的节省主要是冷藏循环运行时，蒸发压力和温度都较高，减少 了温差不可逆损失。实际上交替双循环冰箱的节能效果不仅与制冷系统的本身有关， 而且与控制方式有很大的关系。 冷凝器 图1 5 电磁阀l o r c n z - m e u t z n e r 双循环冰箱 f i g i - 5 l o r e n z - m e u t z n c rt w o - c i r c u i tc y c l e r fc , o n 仃o l l e c lb ys o l e n o i dv a l v e ) 机 巾 l ) 雎鳙帆 牙 史 重 壬 d 图l _ 6 改进的l o r e n z - m e u t z n e r 双循环结构 f i g 1 - 6l m p m v