直冷电冰箱制冷循环分析

PAGE8-直冷电冰箱制冷循环分析*段焕林陈爱东苗翠平（河南纺织高等专科学校郑州450007）张凤林（河南新飞电器有限公司新乡453000）摘要：分析了直冷电冰箱单路、双路、多路循环及双机、双级制冷循环，进行了系统匹配性、市场占有率、成本及其cop值比较。针对双路循环存在的濒繁开停机现象，提出了完善控制方式及采用双稳态电磁阀的变温技术。变温室蒸发器与冷冻室蒸发器串联，其前串联双稳态电磁阀2，并在变温室蒸发器上并联双稳态电磁阀1，据变温室温度设定改变双稳态电磁阀通断实现两个循环支路交替制冷。冷藏室温度控制压缩机启停，变温室温度仅控制双稳态电磁阀通断，实现切换制冷剂流向目的。应用该循环方式及相关措施研制的BCD-188CH直冷电冰箱最大负荷日耗电0.38度，变温情况下耗电在0.35度以下，最低达0.31度。关键词：制冷循环；理论分析；电冰箱；变温技术AnalyzingonRefrigerationCycleandSavingEnergyofdirect-coolingrefrigeratorRefrigeratorLiGang☆,ZhengFenglinandWangYinghui☆HenanTextileCollege,ChinaAbstract:Thispapercontrastedthesinglepath,doublepath,multi-pathandthetwo-compressoranddouble-stagecompressorrefrigerationcycle.Analyzingoncost,matchingproperty,prospectofmarketandCoefficientofPerformance(COP)wascompleted.Inregardtothephenomenonoffrequentcompressor’son-offondoublepathrefrigerationthepaperfindedoutthesolvingmethodswhichincludedtheperfectingthecontrolwayandusingthevariabletemperaturetechnologyofelectro-magneticvalvewithdoublesteadystate.Evaporatorinvariabletemperatureareacontactedevaporatorinfreezingchamberandelectro-magneticvalveⅡwithdoublesteadystatewhiletheelectro-magneticvalveⅠwasparallelconnectionwithevaporatorinvariabletemperaturearea.Bydesigningthetemperatureofvariabletemperatureareatheelectro-magneticvalvewithdoublesteadystatewasonoroffsothatthetwocycleoperatedalternatelyTemperatureofcoldstoragechambercontroledtheopeningandshuttingofcompressorandtemperatureofvariabletemperaturechamberonlycontroledtheon-offofelectro-magneticvalvewithdoublesteadystatewhilethedirectionofrefrigerantflowingwascontrolledbyusingthiscyclewayBCD-188CHdirectcoolingrefrigeratorwasmunufactured.Itconsumes0.38KWhelectric-energydailyunderthemaximumload.Itconsumeslessthan0.35KWhevenattaining0.31KWhdailyifvariabletemperaturechamberisoperatingundereconomycondition.Keyword:Refrigerationcycle,theoreticalanalysis,refrigerator,variabletemperaturetechnology1、前言随着科学技术进步及人们生活水平的提高，电冰箱已成为不可缺少的生活必需品。世界电冰箱产量约80×106台/年，其中APEC国家达45×106台/年[1]。进10年来，我国电冰箱产量呈迅猛增长之势，年均增长11.1%[2]，其耗电量占民用总用电量的比例越来越大。电冰箱节能已成为能源工作的重要组成部分，也是电冰箱行业发展的永恒主题及热点。而电冰箱制冷循环形式是其节能降耗的重要环节，不同制冷循环其能耗差别很大。2、电冰箱典型制冷循环2.1单路循环制冷系统：也称双温单控系统，两种典型系统如图1、图2示。图1为普通电冰箱经常采用的单路循环制冷系统，仅具有单一的一套运转系统。一般冷藏室温度靠机械温控调节，而冷冻室温度则据系统的匹配随冷藏室温控器的挡位及环境温度变化而变化，无法单独受控。图2为L-M循环系统图。是Lorenz和Meutzner提出的用于冷冻、冷藏箱的循环，应用非共沸混合工质的蒸发过程中，由于各组分的相变温度不同而使整个混合物的饱和温度不断变化，从而导致温度滑移效应，据所需温度滑移温差大小，适当选择混合工质以满足不同温度的冷量供应。从图中可知，节流后的制冷工质先进入冷冻室蒸发器，再进入冷藏室蒸发器，在两个蒸发器之间引入了一个中间热交换器，利用非共沸混合工质所特有的温度滑移效应，使其在低温蒸发器中部分蒸发，再进入中间换热器，一方面进一步降低节流阀前工质温度，另一方面提高高温蒸发器前工质的进口温度，以弥补非共沸混合工质滑移温差较小的不足，从而减小了高温蒸发器的传热温差，降低了用损失，提高了系统的COP值。图1图2 图1图22.2双路循环制冷系统：也称双温双控系统，较典型的有图3、图4、图5、图7等四种。图3示系统，可据冷藏或冷冻室对制冷量的不同需求，通过电磁阀控制分配流向冷藏室或冷冻室的循环制冷剂，冷冻室和冷藏室温度分别可以由温控器独立控制。图4示系统为冷藏蒸发器与冷冻蒸发器并列制冷，相互间不受影响。冷藏蒸发器和冷冻蒸发器分别受两室的温度控制，两室的制冷是轮流进行，当冷藏室要求制冷时，三通电磁阀会接通冷藏室蒸发器，使制冷系统只对冷藏室制冷，当温度达到要求后，会自动停止冷藏室制冷；当冷冻室要求制冷时，三通电磁阀会接通冷冻室蒸发器，制冷系统只对冷冻室制冷。由于两室的制冷过程互不关联，因此两室的温度也相互不影响，从而保证两室的温度相对稳定，也由于两室的制冷相对独立，可以分别作不同的温度调节或停止制冷运转，从而可以实现对各种使用环境和温度环境的适应要求。图4图3图4图3图5为双温冰箱冷藏室和冷冻室蒸发器并联的压缩/喷射混合制冷循环系统，图6为其循环压焓图。压缩机CP出口的过热汽2经过冷凝器C变成冷凝液3，然后，一路通过冷藏室节流机构Th形成湿蒸汽4，另一路通过冷冻室节流机构Tl形成湿蒸汽6；冷藏室蒸发器出口的饱和蒸汽5经喷嘴降压加速达到状态8，与被引射的冷冻室蒸发器出口蒸汽7混合成蒸汽9，再经喷射器的扩压段降速升压形成过热蒸汽1进入压缩机，从而构成了这种理论的混合制冷循环。与简单循环情况下的压缩机气体进口状态7相比，状态1的压力高，比容小，因而压缩机的耗功减少，排汽量增加；同时，混合制冷循环的节流损失减小，单位质量制冷量增大，因而混合制冷循环的性能系数和容积制冷量都将显著提高。图6图5图6图5图7为另一种压缩/喷射混合制冷循环，简称CJM循环。它采用两次节流，两个蒸发器，并增加了一个喷射器和气液分离器。该循环因为减少了高温蒸发器的传热温差，降低了高温蒸发器的火用损失，同时，由于喷射器的作用提高了压缩机吸气压力，减少了压缩机耗功，从而使系统的COP值和制冷量均有明显提高。显然，CJM循环无论采用纯工质或非共沸混合工质时，都会有节能效果。理论研究表明[3]，当喷射器喷嘴和扩压管的效率均为0.8时，这一循环同CFC-12简单循环相比，在使用非共沸混合工质时，COP值可提高20%，使用R134a时，COP值约提高12.4%。图7图8图7图82.3多路循环制冷系统：典型的有三路循环制冷系统，如图8示。该系统有3个独立的制冷回路，2个电磁阀及先进的智能控制器。该系统可将制冷剂按需供给冷藏室、冷冻室以及生物保鲜室内的三个独立蒸发器，从而实现三个间室内温度的精确控制。当三个室同时需要冷量时，智能控制器将根据生物保鲜室及冷藏室优先分配原则配给冷量。2.4双机制冷循环系统：即为冷藏室和冷冻室分别提供一套独立的包含各自的压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器的制冷循环，以满足冷冻室、冷藏室不同的温度要求。经理论分析并经实验证明，双机循环在同等条件下比简单循环节能12%[4]。2.5双级制冷循环系统：为降低电冰箱能耗，已有多种双级制冷系统冰箱问世，这些冰箱高、低压级的两个压缩机均工作于较低的压力比之下，大大减小了耗功率，其压焓图如图9所示。有文献指出，在相同总制冷量情况下，该系统比单级制冷系统节能48.6%[5]。图9图93、电冰箱制冷循环比较分析研究3.1电冰箱能耗与制冷循环对比分析对图1示单路循环制冷系统，在实际运转过程中，由于环境温度变化、开门次数多少及放置食品状况等影响，使冷冻、冷藏间室的冷量负荷比不可能保持在设计值。夏天，往往因为环温较高，造成压缩机频繁启动，使冷冻室温度偏低，浪费了电能。冬天，经常需要打开温度补偿开关，以帮助压缩机启动，也造成电能的浪费。而图2的L-M循环必须采用非共沸混合工质，这种循环的应用必须以制冷剂研究成果为前提，对纯工质及近共沸混合工质没有温度滑移特性，采用L-M循环不会有节能效果。对双路循环制冷系统，如图3示，由于引入了电磁阀和电子温控装置，所以其成本相对于单路循环制冷系统有所增加，但系统的匹配性能却比单路循环系统好，对大容积冷冻室电冰箱节能效果明显。而图4的两只蒸发器并列制冷且都控制压缩机运行，极易造成开机频繁现象。图5示制冷循环虽然比简单循环性能系数高，容积制冷量大，但其主要解决因冷藏室传热温差太大而造成可观的可用能损失问题，即火用损失。对小冷藏室冰箱应用节能效果不明显，而且喷射器合理设计及与毛细管合理匹配是两个重要问题。而图7的CJM循环采用两次节流，并增加了喷射器及气液分离器，两个蒸发过程均需单独的温度控制装置，且冷冻室冷却速度缓慢。对多路循环制冷系统（如图8），需通过多个电磁阀、多个独立的蒸发器及先进的智能控制系统才能使各室温得到精确控制。双机制冷循环系统虽然节能显著，但冰箱的制冷系统复杂，成本增加，且会使压缩机容积效率变小，对欧美等国家普遍使用的500L以上冰箱才是经济合理的，对我国广泛使用的200L左右冰箱并不合理。而双级制冷循环系统由于成本及系统复杂性等原因目前未能推广，国外市场占有率也很低。3.2电冰箱制冷循环主要特点的定性分析电冰箱五种典型制冷循环主要特点的定性比较见表1。表1直冷式冰箱5种典型制冷循环主要特点的定性比较状态单路循环制冷系统双路循环制冷系统三路循环制冷系统双机制冷循环系统双级制冷循环系统间室内温度分布均匀性－+++++++食品保鲜－++++++冷冻能力－+++++++++年均能耗－++++++实现宽气候带的难易难容易容易容易容易噪声－++－－成本+－－－－－－－－系统匹配性能－+++++系统复杂性+－－－－－－－－目前市场占有率++++－－市场占有率变化趋势－++++－COP值－++++从表1分析，单路循环制冷系统采用一个蒸发器同时对冷冻室和冷藏室降温，系统的匹配性差，两室的蒸发温度基本一样，冷藏室与冷冻室相比，传热温差甚大，从而导致冷藏室十分明显的火用损失，致使制冷系数下降。多路循环与双机和双级制冷循环虽然可使各室温度得到准确控制，节能效果明显，但是，设备增加，制冷系统复杂，成本增大，市场占有率不大。双路循环制冷系统既使各室温得到较好控制又节能降耗且系统简单、成本较低。但它也存在一定问题。项目研制过程中综合各种因素，完善双路循环制冷系统，并且改进控制方式，既解决目前应用较多的双路循环制冷系统存在的问题，又达冰箱节能降耗之目的。4、双路循环制冷系统存在问题及解决方案4.1双路循环制冷系统存在问题对双路循环制冷系统，合理的温控方式是各间室独立控温，使每个间室的温度控制在规定的温度范围内，但是在实际生产和使用中，这种双温双控方式因冷冻、冷藏两个温控器都控制压缩机，有时一个温控器刚关机，另一个又马上要求开机，因制冷系统未平衡造成压缩机启动功率增大，启动困难以及热保护器动作等，影响压缩机及其附件的使用寿命，频繁开、停机，耗电量也因此增加。4.2解决方案项目提出的解决方案有两种，其一，完善电路或采用电脑智能控制的方式解决，其二，采用双稳态电磁阀的变温控制技术。如图10示[6]，双稳态电磁阀1与变温室蒸发器并联，据变温室温度设定控制两个双稳态电磁阀的通、断特性，实现两个支路的运行。支路一：制冷剂由压缩机、门边除漏管、主副冷凝器、干燥过滤器、毛细管经变温室蒸发器、冷冻室蒸发器、冷藏室蒸发器、贮液器和回气换热器后回到压缩机形成循环回路。支路二：制冷剂由压缩机、门边除漏管、主副冷凝器、干燥过滤器、毛细管经双稳态电磁阀1、冷冻室蒸发器、冷藏室蒸发器、贮液器和回气换热器后回到压缩机形成循环回路。图10图10在结构设计中，电冰箱由上而下分为冷冻室、变温室和冷藏室（变温室由冷冻室按1：1分割形成），各间室都有相对独立的蒸发器。变温室蒸发器设计时较大，满足变温室作为三星冷冻室的匹配。而该间室作为其他功能间室（如冷藏、软冷冻等）使用时，可以通过设在变温室的温度传感器将温度信号送至电冰箱的控制装置中，控制装置据温度设定值对双稳态电磁阀的通路进行切换实现。当电冰箱启动运行时，电磁阀1、2处于通电状态，系统按照支路二形成的循环回路运行，同时变温室的温度传感器检测变温室的温度。变温室温度若在变温室的设定温度范围内，系统按照支路二形成的循环回路继续运行。若检测到温度高于变温室设定值上限，电冰箱的控制装置使双稳态电磁阀1处于断电状态，而双稳态电磁阀2仍通电，系统按照支路一形成的循环回路运行，直到温度传感器感应到温度低于变温室的温度设定值下限时，双稳态电磁阀1执行通电操作，而双稳态电磁阀2断电，系统又按支路二循环回路运行。此时冷冻室和冷藏室温度继续下降，直到冷藏室温度达到标准后，压缩机停机，系统如此往复循环。这种设计，控制压缩机启停的是冷藏室温度，而变温室温度的设定及变化仅控制双稳态电磁阀的通断，以切换制冷剂流向，并不直接控制压缩机的运行，故可较好解决双路循环系统存在的频繁开、停机现象，既使压缩机及其附件寿命延长，又减少启动功率，耗电量也随之降低。需要指出，变温室蒸发器按三星级冷冻室要求（-18℃）与冷冻、冷藏室蒸发器匹配，制冷剂充注量也按变温室为冷冻室制冷能力充注，通过温度设定控制双稳态电磁阀以切换制冷剂流向，可将变温室按冷冻室或软冷冻（-7～-10℃）或冷藏室使用，也可关闭，与同样大小固定冷冻室容积的电冰箱相比，此变温技术既满足消费者对冰箱温区的多方需求，又节能降耗，表2为能耗实测数据。可以看出，单独调高变温室温度（将变温室作为软冷冻室或冷藏室）可以节能，单独关闭变温室更加节能。表2直冷电冰箱BCD-188CH的能耗实测数据（环境温度25℃）冰箱状态耗电量(kWh/24h)冷藏室温度（℃）变温室温度（℃）国家标准测试改变变温室温度改变变温室温度关闭变温室0.380.350.330.31+5.0+5.0+5.0+5.0-18-10+5+4(室内无负荷)-18-18-18-1830.221.817.314.110089.784.679.45、结语综合分析电冰箱的典型制冷循环，对比了单路、双路、多路循环及双机、双级制冷循环能耗、成本、系统匹配性、市场占有率及cop值。项目研究并采用了双路循环制冷系统，针对双路循环制冷系统在应用中存在的问题，改进控制方式，完善制冷循环，应用变温技术，研制的BCD-188CH直冷电冰箱既满足消费者对冰箱温区的多方需求，又显著节能降耗，在最大负荷时日耗电0.38度，在变温情况下耗电在0.35度以下，最低达0.31度。参考文献：*河南省科技攻关项目：电冰箱节能技术研究（编号0324220006）。基金：2万元，配套经费6万元。由河南纺织高等专科学校、河南新飞电器有限公司及河南冰熊保鲜设备股份有限公司等单位共同完成。经河南省科技厅组织专家鉴定，该项目整体水平居国际先进水平。1HYPERLINK"/download/Energy·Testing/2000/117/Proc