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(wàn)臺增加到2001年的1349萬(wàn)臺,平均年增長(cháng)11.1%[1]。而電冰箱的耗電量占家用電器總耗電量的32%[2],所以,節能降耗和環(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、軟冷凍及變溫技術(shù)優(yōu)化設計則是關(guān)鍵因素。

　　2蒸發(fā)器的優(yōu)化設計

　　研制采取了以下措施。第一,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,采用大內徑蒸發(fā)管、增加蒸發(fā)管長(cháng)度及雙管并行排列結構等,保證在低溫或高溫環(huán)境下有z*佳的開(kāi)停比,從而保證在一定環(huán)境溫度下耗電z*少。第二,設計高效蒸發(fā)器。冷凍室蒸發(fā)器是由從上到下依次排列多個(gè)換熱層片和連接所有換熱層片的連接管組成的復合立體式結構[3],換熱層片由多個(gè)并列S型制冷盤(pán)管構成,且在其盤(pán)管壁外側固定套裝翅片,大大增加了制冷盤(pán)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構情況下,大幅度增加冷凍室蒸發(fā)面積,增加冷凍室頂部和低部?jì)蓚€(gè)高溫區制冷量,使其快速達到規定要求,縮短壓縮機工作時(shí)間,大幅降低能耗。冷藏室采用導熱粘接膠膜將壓扁銅管緊緊粘在傳熱鋁板上,并通過(guò)高粘合雙面膠粘貼在冷藏室內膽上,增強傳熱效果。第三,合理安排蒸發(fā)器位置和制冷劑走向。據箱內自然對流情況,制冷劑流向采用逆流式換熱,毛細管和回氣管采用較長(cháng)的并行錫焊或熱塑工藝等,以提高換熱效果。第四,通過(guò)理論計算和試驗相結合方法,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,避免過(guò)低蒸發(fā)壓力和過(guò)高冷凝壓力,達節能目的。

　　3冷凝器優(yōu)化設計

　　在優(yōu)化冷凝器設計中除合理增大冷凝面積外,還應充分考慮以下幾點(diǎn):

　　3.1設計橫、豎盤(pán)管混排結構冷凝器:在冷凝器內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、外部換熱條件,橫排管冷凝器的換熱系數比豎排管冷凝器增加3倍以上,為加強流體擾動(dòng),破壞流動(dòng)邊界層,采用橫、豎盤(pán)管相結合走向的冷凝器將會(huì )提高冷凝器換熱效果,同時(shí)也可降低制冷劑流動(dòng)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,對應的制冷循環(huán)效率提高,能耗減小。

　　3.3改內藏式冷凝器為外掛式:外掛式冷凝器散熱條件比內藏式冷凝器好得多,對降低冷凝溫度和過(guò)冷溫度十分有利,可有效節能降耗。

　　3.4防凝露管節能設計:從壓縮機排氣管至干燥過(guò)濾器出口整個(gè)高壓區域皆為冷凝器負荷對應區域,包括制冷劑蒸汽的冷卻、冷凝及再冷(過(guò)冷)三個(gè)過(guò)程,對應設備包括付冷凝器、主冷凝器及門(mén)邊防露管。由于排氣溫度的不同,采用不同制冷劑時(shí)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55℃左右,故將壓縮機排出的高壓氣體先進(jìn)門(mén)邊防露管,再進(jìn)主、副冷凝器,這樣即使條件變化,門(mén)邊防露管末端對應溫度也高于z*高環(huán)境溫度,既可保證加熱門(mén)框、提高防露效果,同時(shí),在管路布置時(shí)盡量使防露管遠離箱體內腔,又可減小熱量向箱內傳遞,實(shí)現節能之目的,系統圖如圖2示。

　　4軟冷凍及變溫技術(shù)設計

　　過(guò)高的環(huán)境溫度或過(guò)低的箱內溫度對電冰箱的能耗均有直接影響。環(huán)境溫度過(guò)高,冷凝器散熱受到影響,而冰箱內溫度過(guò)低,一方面增加傳熱溫差,另一方面需較低的蒸發(fā)溫度從而降低制冷系統循環(huán)效率,甚至延長(cháng)壓縮機開(kāi)機時(shí)間,造成能耗上升。過(guò)低的、不必要的冷凍室溫度設計會(huì )加劇冰箱能耗上升。為滿(mǎn)足消費者需要,又使冰箱降耗節能,軟冷凍及變溫設計就顯得十分重要。

　　目前,傳統冰箱的兩個(gè)溫區,R室5℃,F室為-18℃,而且F室相對較大。將F室劃分兩區域,其一溫度仍保持-18℃,其二溫度為-10℃。F室內凍結物很難在短時(shí)間內用刀進(jìn)行切削處理,在食用前必須解凍,此舉一耗費時(shí)間,二造成營(yíng)養成分流失。將F室分離出一個(gè)-10℃溫區,既可使魚(yú)、肉等食品在-7～-10℃低溫下凍結,又能達到短時(shí)間內用刀進(jìn)行切削處理的目的,同時(shí),據使用冰箱需要,也可將此溫區溫度設定為R室溫度5℃或F室溫度-18℃,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)設計制冷系統示意圖[4]。從圖中可以看出制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮,在冷凝器中冷凝后流經(jīng)干燥過(guò)濾器和毛細管,系統分為兩個(gè)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)雙穩態(tài)電磁閥1、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。

　　在結構設計中,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)器設計時(shí)較大,滿(mǎn)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(shí),可以通過(guò)設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,控制裝置據溫度設定值對雙穩態(tài)電磁閥的通路進(jìn)行切換實(shí)現。當電冰箱啟動(dòng)運行時(shí),電磁閥1、2處于通電狀態(tài),系統按照支路二形成的循環(huán)回路運行,同時(shí)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定溫度范圍內,系統按照支路二形成的循環(huán)回路繼續運行。若檢測到溫度高于變溫室設定值上限,電冰箱的控制裝置使雙穩態(tài)電磁閥1處于斷電狀態(tài),而雙穩態(tài)電磁閥2仍通電,系統按照支路一形成的循環(huán)回路運行,直到溫度傳感器感應到溫度低于變溫室的溫度設定值下限時(shí),雙穩態(tài)電磁閥1執行通電操作,而雙穩態(tài)電磁閥2斷電,系統又按支路二循環(huán)回路運行。此時(shí)冷凍室和冷藏室溫度繼續下降,直到冷藏室溫度達到標準后,壓縮機停機,系統如此往復循環(huán)。這種設計,控制壓縮機啟停的是冷藏室溫度,而變溫室溫度的設定及變化僅控制雙穩態(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)系統存在的頻繁開(kāi)、停機現象,既使壓縮機及其附件壽命延長(cháng),又減少啟動(dòng)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℃)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(lái),通過(guò)溫度設定控制雙穩態(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(-7～-10℃)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(mǎn)足消費者對冰箱溫區的多方需求,又節能降耗。表1為能耗實(shí)測數據,可以看出,單獨調高變溫室溫度(將變溫室作為軟冷凍室或冷藏室)可以節能,單獨關(guān)閉變溫室更加節能。

　　5制冷系統優(yōu)化匹配及管路走向節能設計

　　5.1制冷系統優(yōu)化匹配

　　項目綜合考慮箱體熱負荷、系統制冷量、壓縮機效率、電冰箱工作周期等相關(guān)參數,使之達z*佳匹配狀態(tài)。

　　5.1.1設計中的氣候類(lèi)型應與使用地區的氣候匹配,否則耗電增加,甚至出現不停機現象,同時(shí),根據產(chǎn)品的氣候類(lèi)型(項目研制中設計為亞熱帶型)確定冷凍室、冷藏室的熱負荷匹配關(guān)系。在產(chǎn)品設計和樣機試驗中,反復調節系統回路各有關(guān)參數,使冷凍、冷藏室之間以及蒸發(fā)器與冷凝器之間,壓縮機排氣量與蒸發(fā)器蒸發(fā)能力之間以及毛細管節流與蒸發(fā)溫度之間達到z*佳的節能匹配關(guān)系。表2是調整過(guò)程必須控制的系統關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)和相應的調整措施[5]。

　　5.1.2在設計冰箱系統時(shí),工作時(shí)間系數的選配非常重要。壓縮機工作時(shí)間太短,啟動(dòng)頻繁,則因啟動(dòng)功率大,會(huì )帶來(lái)能耗的升高;如果工作時(shí)間太長(cháng),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,能耗也將上升。在選配壓縮機時(shí),應滿(mǎn)足冰箱z*大熱負荷要求,在滿(mǎn)足負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90W,經(jīng)測定,冰箱工作時(shí)間系數適當,能耗較少,見(jiàn)表1。

　　5.1.3制冷系統的優(yōu)化匹配也包括制冷系統中制冷劑量的匹配,制冷劑量偏多或偏少都會(huì )影響制冷系統制冷效果,造成耗電增加。因此,系統的性能在其結構決定后,還必須對它的制冷劑量進(jìn)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(shí)使用高精度充注系統確保z*佳充注量,使系統在高效下進(jìn)行工作,達到節能降耗目的。

　　5.1.4改進(jìn)節流系統,正確選擇毛細管長(cháng)度和管徑以確定z*佳毛細管流量是重要問(wèn)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。若毛細管長(cháng)度較長(cháng)或管徑較小,節流時(shí)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,使制冷系統制冷能力減小。在設計中z*初的理論計算往往只具指導意義,必須經(jīng)多次試驗調試才能確定。項目在調試過(guò)程中,將制冷系統各主要部件的主要狀態(tài)參數點(diǎn)處分布感溫電偶,在壓縮機高、低壓端安裝壓力表,通過(guò)各種工況的試驗曲線(xiàn)及試驗數據,借助壓焓圖,尋找優(yōu)化制冷循環(huán)工況,確定z*佳的流量和充注量。

　　5.2制冷系統管路走向節能設計

　　5.2.1防凝露管節能設計,文中3.4已介紹。

　　5.2.2回氣換熱器節能設計。采用環(huán)保型制冷劑如R600a、R134a等與R12一樣,在系統中設置回氣換熱器,采用回熱循環(huán)是提高制冷系數和單位容積制冷量的有效措施。

　　從以下三個(gè)方面對換熱效率進(jìn)行了強化:(1)毛細管與回氣管中的制冷劑采用逆流換熱;(2)毛細管和回氣管采用并行錫焊(或熱塑工藝)的方式;(3)盡可能增加毛細管與回氣管的錫焊長(cháng)度使之z*終換熱效率達到98%,這樣可明顯提高系統制冷量。

　　5.2.3兩大換熱設備(蒸發(fā)器和冷凝器)中制冷劑管道的合理布置。兩大換熱設備換熱能力的提高對提高系統制冷量,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關(guān)。項目研制中,冷藏室蒸發(fā)器雙排并行盤(pán)管緊貼于內膽之上,冷凍室蒸發(fā)器采用分層立體結構。冷凝器設計為橫、豎盤(pán)管混排結構,并采用外掛式。通過(guò)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(shí)測,電冰箱z*大負荷時(shí)日耗電僅0.39度,而在節能狀態(tài)下耗電在0.35度以下。

　　5.2.4在制冷系統管路走向節能設計中注意降低冰箱噪聲,保證冰箱在節能的同時(shí)將噪聲控制在合理范圍內。

　　6結語(yǔ)

　　通過(guò)改進(jìn)換熱器結構,采用多層排列的復合立體式蒸發(fā)器設計,改單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)器及毛細管的優(yōu)化匹配,并且借助于制冷劑管路走向節能設計等措施,通過(guò)變溫控制技術(shù)的優(yōu)化設計,研制的BCD-186CHS直冷電冰箱z*大負荷時(shí)日耗電0.39度,而在節能狀態(tài)下耗電在0.35度以下,z*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(mǎn)足消費者對溫區的多方需求,又顯著(zhù)節能降耗。