基于新能耗標(biāo)準(zhǔn)的冷柜制冷系統(tǒng)優(yōu)化

徐 珂，冀盛亞

（1.河南工學(xué)院 工程技術(shù)教育中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學(xué)院 電纜工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

隨著國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)GB12021.2—2015 的實(shí)施，消費(fèi)者對(duì)家電產(chǎn)品的能耗要求也越來(lái)越高，節(jié)能環(huán)保冷柜已經(jīng)成為冷柜產(chǎn)品開發(fā)的一大趨勢(shì)。家電制造企業(yè)應(yīng)適應(yīng)消費(fèi)者的需求，在降低冷柜的耗電量上下功夫。

冷柜節(jié)能一般從兩個(gè)方面考慮：一是如何有效利用冷量，減少冷量損失，即提高冷量利用率和改善冷柜箱體絕熱，包括使用高效壓縮機(jī)、加厚絕熱層或使用真空絕熱板等；二是如何進(jìn)行高效能量轉(zhuǎn)換，即設(shè)計(jì)高效節(jié)能制冷回路，如合理的制冷循環(huán)形式、蒸發(fā)器及冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)、合適的壓縮機(jī)開停時(shí)間等[1]。

選用高效壓縮機(jī)、加厚絕熱層會(huì)導(dǎo)致冷柜成本增加，不易被市場(chǎng)接受。所以研究冷柜制冷系統(tǒng)的合理布局，是降低冷柜耗電量、提高能效的首選。

冷柜的制冷裝置有兩種，一種是上供下回的供液裝置，這種裝置蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為5000kW/m2；另一種是下供上回的供液裝置，這種改變傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)方向，制冷劑在管路中反向流動(dòng)(由下向上)，能充分地沸騰換熱，吸收更多熱量，同時(shí)使吸熱蒸發(fā)的制冷劑氣體更易于被壓縮機(jī)吸入，可增加壓縮機(jī)的制冷劑吸入量，使壓縮機(jī)實(shí)際的工作時(shí)間減少，降低了能耗，而且單位時(shí)間內(nèi)制冷劑蒸發(fā)比較充分，蒸發(fā)器管的傳熱系數(shù)提高到 8000kW/m2。[2,3]。

本文根據(jù)冷柜的兩種制冷方式設(shè)計(jì)了三種制冷系統(tǒng)管路布局方案，使制冷系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑通過(guò)毛細(xì)管節(jié)流后所形成的低溫低壓液體分別流向冷柜的不同部位，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，尋找出影響冷柜能耗的因素，在滿足冷柜能耗達(dá)到新國(guó)標(biāo)能耗要求的條件下，選擇最合理的方案。

1 制冷系統(tǒng)布局方案

本文以BCD-192 臥式雙箱冷柜為例，其冷凍室有效容積為100L，冷藏室有效容積為92L，二級(jí)能效限定值為0.625kwh/24h[4]。

三種制冷系統(tǒng)管路布局方案如下：

方案一：制冷劑首先流向冷藏室上部，雙毛細(xì)管系統(tǒng)（如圖1）。

圖1 制冷系統(tǒng)流向：先走冷藏室上部

方案二：制冷劑首先流向冷凍室上部（如圖2）。

圖2 制冷系統(tǒng)流向：先走冷凍室上部

方案三：制冷劑首先流向冷凍室下部（如圖3）。

圖3 制冷系統(tǒng)流向：先走冷凍室下部

2 性能試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備、裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備及裝置：冰箱性能試驗(yàn)監(jiān)測(cè)室、計(jì)算機(jī)溫度采集及分析系統(tǒng)、M 試驗(yàn)包、銅圓柱測(cè)溫點(diǎn)、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫點(diǎn)等。

試驗(yàn)方法：將三種制冷系統(tǒng)的試驗(yàn)樣機(jī)各一臺(tái)放置于冰箱性能試驗(yàn)室中，按照國(guó)標(biāo)要求在環(huán)境溫度16℃和32℃，相對(duì)濕度45%～75%條件下分別進(jìn)行測(cè)試，在冷凍室布M 試驗(yàn)包，冷藏室布銅圓柱測(cè)溫點(diǎn)（見圖4）[5]。將冷柜通上電源，調(diào)整溫控器檔位，保證冷凍室M 試驗(yàn)包最高點(diǎn)溫度≤-18℃，冷藏室溫度在國(guó)標(biāo)規(guī)定的范圍并且≤4℃。在冷柜連續(xù)工作24 小時(shí)后并處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過(guò)計(jì)算機(jī)溫度采集與分析系統(tǒng)記錄三臺(tái)樣機(jī)的溫度數(shù)據(jù)及曲線，計(jì)算出耗電量。

圖4 試驗(yàn)包及測(cè)溫點(diǎn)布點(diǎn)圖

2.2 耗電量測(cè)試結(jié)果

在冷凍室M 試驗(yàn)包最高點(diǎn)溫度≤-18℃條件下，測(cè)得耗電量測(cè)試曲線如圖5、6、7 所示。計(jì)算出三種樣機(jī)耗電量，見表1。

圖5 方案一的耗電量溫度曲線（部分）

圖6 方案二的耗電量溫度曲線（部分）

圖7 方案三的耗電量溫度曲線（部分）

表1 BCD-192 冷藏冷凍箱耗電量一覽表

2.3 耗電量分析

（1）方案一：制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮、冷凝器放熱后，經(jīng)過(guò)第一毛細(xì)管節(jié)流后形成低溫低壓液體，進(jìn)入冷藏室蒸發(fā)器，吸熱后再經(jīng)第二毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器。由第二毛細(xì)管節(jié)流所造成的有效能損失，在制冷劑為R12、R134a 時(shí)分別占輸入功的11.29%、12.01%[6]，使得冷凍室溫度波動(dòng)較大，耗電量達(dá)不到二級(jí)能效限定值。

（2）方案二：制冷劑經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流后，進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器上部，再走冷藏室上部。由于制冷劑流過(guò)冷凍盤管后要反向流動(dòng)(由下向上)到冷藏盤管的上部，冷藏盤管雖然可以充分利用蒸發(fā)器的末端蒸發(fā)換熱，來(lái)滿足4℃的冷藏溫度要求，但制冷劑的流動(dòng)受沿程阻力影響，盤管豎向布置會(huì)使制冷劑在管路中流動(dòng)阻力增大，產(chǎn)生有害壓降，使系統(tǒng)制冷量減少，換熱效率低，制冷劑蒸發(fā)不充分，節(jié)能率低。

該方案耗電量比方案一小。

（3）方案三：制冷劑經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流后，進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器下部，再走冷藏室上部，改變了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中制冷劑的流動(dòng)方向,制冷劑可以在管路中吸收更多熱量，充分沸騰換熱，同時(shí)冷藏盤管充分利用蒸發(fā)器的末端蒸發(fā)換熱，來(lái)滿足4℃的冷藏溫度要求，降低了耗電量，提高了能效指數(shù)。這種下供上回滿液式供液蒸發(fā)冷柜，制冷劑經(jīng)過(guò)毛細(xì)管節(jié)流后，從蒸發(fā)器下口進(jìn)入蒸發(fā)器，由下向上進(jìn)行蒸發(fā)，氣態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器上口進(jìn)回氣管組，再回到壓縮機(jī)；沒(méi)有充分蒸發(fā)的制冷劑仍留在蒸發(fā)器下部形成滿液式蒸發(fā)，進(jìn)一步沸騰蒸發(fā)，直至完全汽化。這種方案單位時(shí)間內(nèi)制冷劑蒸發(fā)比較充分，蒸發(fā)器管的傳熱系數(shù)提高到8000kW/m2，提高了單位時(shí)間制冷量，使壓縮機(jī)實(shí)際的工作時(shí)間減少，降低了能耗[7]。

相比之下，方案三的耗電量最小，達(dá)到國(guó)標(biāo)二級(jí)能效要求。

3 高溫負(fù)載試驗(yàn)

3.1 32℃高溫負(fù)載試驗(yàn)（冷凍室放入瓶裝水）

制冷系統(tǒng)方案在滿足國(guó)標(biāo)所要求的耗電量的同時(shí)，需考慮消費(fèi)者的使用習(xí)慣。

使用冷柜銷售冰糕、瓶裝水的用戶，在夏天習(xí)慣將環(huán)境溫度下的一箱(24 瓶)或兩箱(48 瓶)瓶裝水一次性放入冷凍室。這時(shí)，冷凍室與冷藏室的熱負(fù)荷迅速發(fā)生變化，冷凍室需要大量的冷量來(lái)降低瓶裝水溫度，冷藏室溫度就會(huì)升高。

按三種方案制作試驗(yàn)樣機(jī)分別進(jìn)行試驗(yàn)。將環(huán)境溫度調(diào)整為32℃，冷凍室放入占冷凍室容積50%的冷凍負(fù)載（試驗(yàn)包），冷藏室布置銅質(zhì)圓柱。調(diào)整溫控器使冷凍室溫度達(dá)到-18℃，穩(wěn)態(tài)后運(yùn)行6 個(gè)小時(shí)，在冷凍室放入40 瓶瓶裝水進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 BCD-192 冷藏冷凍箱高溫負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明：三種方案在放入瓶裝水后，除方案一超標(biāo)外，方案二與方案三冷藏室溫度都小于4℃，符合國(guó)標(biāo)要求。

3.2 32℃高溫負(fù)載試驗(yàn)（冷藏室放入瓶裝水）

將環(huán)境溫度調(diào)整為32℃，冷凍室放入占冷凍室容積50%的冷凍負(fù)載（試驗(yàn)包），調(diào)整溫控器使冷凍室溫度達(dá)到-18℃，穩(wěn)態(tài)后運(yùn)行6 個(gè)小時(shí)，在冷藏室放入20 瓶瓶裝水進(jìn)行試驗(yàn)（冷凍室溫度穩(wěn)態(tài)后，方案一、二的冷藏室溫度變化一致，只取方案二數(shù)據(jù)即可）。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 BCD-192 冷藏冷凍箱高溫負(fù)載試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：5 小時(shí)后方案三冷藏室水點(diǎn)平均溫度比方案二低0.72℃，方案三降溫速度快。

4 結(jié)論

（1）方案一耗電量最大，無(wú)法通過(guò)調(diào)整制冷方式達(dá)到國(guó)標(biāo)能耗要求。

（2）方案二耗電量居中，能耗滿足國(guó)標(biāo)要求。但能耗值與標(biāo)準(zhǔn)值接近，調(diào)整空間小，冷柜生產(chǎn)時(shí)如制冷管路與內(nèi)膽貼附不嚴(yán)，很容易出現(xiàn)制冷差等批量事故。

（3）方案三耗電量最小，能較好滿足國(guó)標(biāo)能耗要求。采用這種下供上回的供液裝置、制冷劑流向先走冷凍室下部再走冷藏室上部的制冷系統(tǒng)，避免了不能滿足能耗要求而必須開發(fā)全新產(chǎn)品的問(wèn)題，可節(jié)省巨大的模具投入費(fèi)用和產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)費(fèi)用。