冰箱制冷循环的节能分析

张宣枞 李建周 李弢

（1、中国质量认证中心上海分中心 上海 200135；2、合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601）

1 前言

随着新的能耗标准GB12021.2-2008在2009年5月1日正式执行，家用电冰箱行业以及类似制冷器具制造迎来了新的一轮能耗升级高峰，同时在上海广州等大城市制定了相关地方法规节能产品的准入制度，对制造厂提出了能耗升级的客观硬性要求。根据已经全面展开的国家财政补贴的家电下乡计划，要求进入农村市场的冰箱产品能效等级要达到新版2级以上，而只有节能系数≦50%的冰箱才能称之为节能冰箱，这样就形成了全国城乡市场齐步能效升级的局面。按照目前冰箱技术的发展，采用R600a制冷系统并改善发泡层密度和厚度以及使用强化换热的立体蒸发器结构等技术，达到2级节能等级较为容易；现阶段将节能系数进一步降低达到30%甚至更低就变得的尤为突出，而目前大部分技术研发还主要关注发泡层厚度或者加装真空绝热板以及使用高COP值的压缩机上（目前节能冰箱使用的压缩机COP值已经达到2.0左右），受材料本身特性影响，发泡层厚度增加造成冰箱箱体重量增加以及容积率下降，高效压缩机设计中增加的消音器和机壳内降低吸气焓降的装置又让运行存在不一致性的几率增加。

本文首先回顾并对典型的冰箱制冷系统类型和特征进行分析，找出其中采用的节能措施和方法；然后分析增加了冷凝保压技术的冰箱制冷系统。采以容积分别为186、206L两款直冷冷藏冷冻箱产品设计为例，在循环回路中采用了冷凝保压技术，冰箱热负荷减少约12%，这两款直冷冰箱样机能耗实测值分别达到0.25kWh/24h和0.27kWh/24h。

2 典型制冷系统循环分析

目前家用冰箱制冷系统多数采用的为单级蒸气压缩制冷系统，系统流程图为见图1所示。

这种典型制冷系统为单路循环，依靠布置在冷藏室内机械温控装置调节储藏温度，冷冻室或者类似间室粗藏温度是依靠系统设计

压缩机吸气缸容积决定每次循环压入系统的制冷剂蒸气的量（容积流量v1或者质量流量），受制冷剂类型影响，提高容积流量或者质量流量要求提高焓差h1-h4和降低v1。在实际操作中，依据v1的参数是我们选择制冷剂的参照。

通过对压缩机理论比功分析得出降低冷凝压力或者减少冷凝和蒸发的压差可以实现。

由冷凝热负荷qk=（h2-h2′）+（h2′-h3）以及qk=q0+w0关系，冷凝器采用强化换热或者增大冷凝面积可以降低h2-h3，在系统设计的时候保证5℃左右的过冷度，减少毛细管节流后闪发蒸汽比例，增大毛细管流量。整体匹配减少制冷剂灌注量也可以实现减少冷凝器热负荷的目的。

2.1 典型制冷系统循环模式

典型制冷循环能够帮助我们发现该类型循环的规律，本文所描述的几种节能冰箱制冷循环系统技术发展比较成熟，所以综合分析下该类型制冷循环模式以及循环点，有助于我们找到解决问题的突破点。该类型制冷循环共同特点为：专注于单级典型蒸汽压缩循环，降低能耗的根本是制冷功能的变化，比如多温区室的转换或者关停；使用高效压缩机，提高蒸发温度，降低冷凝压力；加厚发泡层厚度以及加装真空绝热板等来将少箱体结构的漏热。

2.1.1 双循环制冷系统

双循环制冷系统引入一个分流电磁换向阀或者稳态电磁阀，主要功能为实现冷藏或者冷冻功能从制冷循环中断开，单个冷藏冷冻箱可以实现冷藏冷藏功能和单纯冷藏或者单纯冷冻功能，选择控制的转换简单通过换向阀的开闭来实现。制冷剂流程图可简述为以下三种情况：

① 压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀→冷藏毛细管→冷藏蒸发器→冷冻蒸发器→压缩机

②压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀→冷冻毛细管→冷冻蒸发器→压缩机

③压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀→冷藏毛细管→冷藏蒸发器→压缩机

分析：冷藏蒸发器蒸发温度tol由冷藏毛细管节流产生，冷冻蒸发器蒸发温度由冷冻毛细管节流产生，冷藏功能和冷冻功能的转换所带来的冷量负荷是不一样的，单位容积制冷量qv下降，总的制冷剂加入量下降， 理论比功降低，压缩机轴功率降低。

2.1.2 三循环制冷系统

三循环制冷系统中引入变温室储温功能单元，可实现储温功能变温功能转换。三循环制冷系统引入两个个分流电磁换向阀或者双稳态电磁阀，主要功能为实现冷藏以及变温功能从制冷循环中断开，可以单独实现冷冻功能以及冷藏冷冻功能匹配和变温和冷冻功能匹配组合。选择控制的转换简单通过换向阀组合的开闭换向接通变温毛细管1、冷藏毛细管2、冷冻毛细管3来实现。制冷剂流程图可简述为以下三种情况：

第一种情况：电磁阀(Ⅱ)常闭关闭，电磁阀(Ⅰ)常闭关闭。

◆压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀组合→变温室毛细管→变温室蒸发器→冷冻室蒸发器→压缩机

第二种情况：电磁阀(Ⅱ)常闭打开，电磁阀(Ⅰ)常闭关闭。

◆压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀组合→冷藏毛细管→冷藏蒸发器→冷冻蒸发器→压缩机

第三种情况：电磁阀(Ⅱ)常闭打开，电磁阀(Ⅰ)常闭打开。

◆压缩机→冷凝器+过滤装置→换向阀组合→冷冻毛细管→冷冻蒸发器→压缩机

分析：三循环制冷系统提供了多于双循环制冷系统的储藏温度功能，引导高档冰箱多样化储藏功能设计，控制方式由于引入了双稳态电磁阀结构和主控程序控制面板方式，使得操作界面更容易人性化和智能化。双稳态电磁阀结构由主控程序的脉冲发生器发射脉冲实现通断，基本无电能消耗。回气管组成换热器结构需要依据不同节流方式的毛细管的匹配粘贴长度（换热面积），可实现回气换热器末端多余过冷液态制冷剂换热，满足回气管末端温度高于环境相对湿度的露点温度，避免回气管末端裸露部分不凝露。

2.1.3 冷凝器保压循环制冷系统

在2.1.1和2.1.2的分析中所涉及到得制冷循环均为经典卡诺循环，制冷循环中由节流装置产生的压差保持蒸发压力和冷凝压力，在压缩机由于控制器控温要求下停机过程，蒸发器与冷凝器在压缩机部位进行换热。冷凝器保压循环制冷系统是目前运用于186L能耗实测达到0.25kwh/24h（标称能耗为0.22kwh/24h）,为目前国内单级蒸气压缩制冷中所能到达到的最低能耗冰箱。

表1 常规循环和冷凝保压循环制冷系统部件热损失比较

制冷系统循环系统流程简图见图5所示。

该系统将一泄压毛细管并联于冷凝器结构流程，端口由单向阀和三通阀组成制冷剂换向控制器接入循环。由制冷剂循环流程简图可归纳出循环模式如下：

压缩机开机工作状态：脉冲单向阀打开

◆压缩机→冷凝器+过滤装置→脉冲单+三通阀→蒸发器毛细管→冷冻蒸发器→冷藏蒸发器→压缩机

压缩机停机工作状态：脉冲单向阀断开

◆冷凝器+过滤装置反方向→泄压毛细管→脉冲单+三通阀→冷冻蒸发器→冷藏蒸发器→压力平衡

冷凝器保压循环制冷系统和以上传统循环比较，突破了在节能冰箱设计中单纯依靠增加发泡层厚度改善导热系数以及使用高效压缩机提高系统COP值的做法。从图6显示，t2点位压缩机停机点，从该时刻开始，系统高低压区失去压差动力，自动开始平衡，受到蒸发器低压区影响，吸气管温度从t2时刻到t3时刻位于环境温度t(25℃)以下，该部分冷量Q§由于不属于有效制冷区域，属于无效,同时由于回气管与蒸发器末端相通，回气管的温度波动进一步影响蒸发器，直接结果就是造成蒸发器温度快速回升。

图7所示为采用冷凝保压制冷循环后系统冷凝器开停机时刻高压部分温度分布曲线。从图中可明显看到冷凝器温度在系统停机后依然保持在28℃到30℃之间，由于高于环境温度（25℃），此期间依然可以与环境进行热交换，吸气管由于没有了从低压部分过来的低温蒸气交换热从而温度快速受压缩机温度影响而上升，该部分热量为压缩机有效散热。高低压部分由于截至阀的存在无法通过原回路平衡，只能从泄压毛细管位置贯通气，由于压差存在会有以下两种情况并存：

情况一：压缩机停机后，冷凝器和蒸发器压差通过泄压毛细管形成旁路节流，蒸发器内继续获取节流后制冷剂气化潜热；

情况二：在高低压区通过泄压毛细管的节流时间内，冷凝器部分继续保持高于环境温度的状态，与环境传热温差依然存在，换热保持动态进行。该段换热为有效换热。

分析一：常规蒸汽压缩式电冰箱冷凝过程

静态热负荷为Q0；实际热负荷为Q0+Qx；压缩机消耗功P；

系统循环效率COP;

Qk=Q0+Qx+P。

假定系统循环效率为1.70，根据测试数据计算，Qx约为Qk的5%，则计算结果为:

Qx=Q0×0.09，即冰箱热负荷增加约9%。

从图7冷凝器温度和吸气管温度分布曲线可知，压缩机开机区间的无效吸热量由于泄压毛细管的节流作用维持高压高温状态而再次利用，

静态热负荷为Q0；实际热负荷为Q0-Qx1；压缩机消耗功P；

Qk=Q0-Qx1+P

假定原系统循环效率为1.70，采用冷凝器保压制冷循环的系统循环效率为1.75，根据测试数据计算，Qx约为Qk的8%，则计算结果为：

Qx1=Q0×0.12

即冰箱热负荷减少约12%。

可知：采用冷凝保压技术后系统节能效果提高为10%。

根据节能型冰箱经常型试验优化结合软件模拟所建立起来的数学模型，数学模型的数据输入点为蒸发温度，蒸发器进口中间和出口点温度和温差（高温条件下，满负荷运行），冷凝器的进口中间和出口点的温度和温差(工况条件同蒸发器工况)，蒸发器蒸发温度和传热温差。节能型冰箱根据测试温度点动态匹配要求如下：

蒸发器蒸发温度：在25℃环境温度条件下，蒸发温度在-26～28℃左右；冷凝器冷凝温度：过滤器过冷度不小于8℃；冷凝终了温度（过滤器温度）:与环境温差在8℃左右；壁面传热温差：壁面温度和最热M包温差不小于5℃。

3 结论

根据对目前传统冰箱以及0.27℃节能冰箱的分析，我们得出一些结论：首先，完善制冷系统各个部件的设计按照节能参数原则进行优化时非常有必要的，25℃环境温度条件下蒸发温度要求控制在-26℃～-28℃；过滤器的过冷度控制在8℃～10℃（设计冷凝温度为40℃）；42℃环境条件下储液罐（气液分离器）尽量保证为干蒸汽状态回压缩机；壁面和最热M包的传热温差要大于5度；其次，充分利用停机阶段的高低压部分的压差继续转化为制冷量，维持冷凝器部分的持续散热，也是提高系统效率的有效途径。

提升冰箱制冷系统的节能水平不是单纯的依靠制冷系统来实现的，是需要包括保温层设计，压缩机工况实际运行数据修正，以及结构漏热处理来综合实现的。节能设计从一开始就需要统筹全面，抓住细节，分析热损失的主要方面。

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