电冰箱能耗与制冷系统优化设计

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电冰箱能耗与制冷系统优化设计高永程南京林业大学机械电子工程学院110305204摘要：近年来随着科技的飞速发展，社会进步和人民生活水平的不断提高，电冰箱制冷设备的应用几乎遍及生产、生活的各个方面。同时也带动着制冷效果和冷藏技术的日益更新。纵观我国冰箱市场，尤其是从2000年之后，低碳环保的倾向也越来越明显。所有家电产品中冰箱的能效普及最到位，目前市场上冰箱产品能效等级普遍达到1级，2级能效以下的产品已经很难看到，而3级以下的产品基本已被淘汰。电冰箱的出现越来越得到商业各领域的不断需求。我国冰箱生产在２００３年全面实施强制性节能标准，在市场上销售的电冰箱都必须贴上＂能效标识＂标签。通过政府的行政措施使我国冰箱行业继续高走节能主义道路。如何不断提高电冰箱的性能,以适应这些标准,降低能耗，是家用电冰箱生产企业面临的一大问题。同时,为了满足不断提高的使用性、舒适性要求,在原有技术的基础上不断优化制冷系统的设计是非常必要的。关键词：热工学优化设计理论分析直冷电冰箱制冷系统　1前言电冰箱发展速度很快,我国电冰箱的产量由1991年的470万台增加到2001年的1349万台,再到2013年的3714万台，电冰箱使用越来越普遍，而电冰箱的耗电量占家用电器总耗电量的32%,所以,节能降耗和环保是电冰箱研发工作的重要课题,而蒸发器和冷凝器的传热能力、软冷冻及变温技术优化设计则是关键因素。2电冰箱能耗与制冷系统优化设计2.1电冰箱的发展历史1910年，世界上第1台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世；1925年，瑞典丽都公司开发制造了家用吸收式冰箱；1927年，美国通用电气公司研制成功全封闭式冰箱；1930年，采用不同加热方式（煤气、电、煤油为热源）的空气冷却连续扩散吸收式冰箱投放市场；1931年，新型制冷剂氟利昂12研制成功，并在工业上广泛使用。1983年合肥第二轻工机械厂（美菱前身）转产家用电冰箱，开始了专业制冷之路。2.2电冰箱的发展现状与面临问题第5页共5页 减少冰箱保护壳体漏热，改进蒸发器、冷凝器的制冷性能，增大能效比，如增加蒸发器面积，换用热传感更好的材料，选择压缩机主要根据压缩机的排气量、输入功率及运行时的制冷量来确定，即冰箱制冷系统对压缩抽的性能要求，在压缩机排气量、制冷量符合要求的前提下，选用轴功率最小且满足性能要求的压机型号，通过系统的整体匹配，计算出最佳的毛细管内径和长度、冷凝器换热面积、蒸发器的换热面积以及制冷剂充注量等是目前电冰箱的发展状况，而电冰箱所面临的一些主要问题则是几个全球化问题：能耗的尽可能降低，系统的优化以使电冰箱平稳工作，以及环境保护。3降低能耗的优化手段3.1常用节能方法(1)减少冰箱保护壳体漏热冰箱壳体一般指冰箱箱体和门体，能够储存食物的空间容积。减少漏热的方法主要有：①增加箱体和门体的发泡层厚度；②使用高性能微孔发泡技术，提高发泡性能；③在箱体和门体内部增加真空绝热材料板；④在箱体和门体内壳上粘贴铝箔胶带、牛皮胶带等物质，降低隔热层的传热系数。箱体与门体发泡层厚度的设计是直接影响冰箱节能。发泡层厚度的增加和冰箱能耗等级的升高呈反比关系，箱体发泡层厚度设计原理和门体一样。一般来讲，发泡层厚度增加，冰箱能耗等级降低，发泡层厚度增加到一定数值后，其节能效果已不明显；随着发泡层厚度的进一步增加，耗费的发泡层增加使材料成本增加、冰箱室内的有效容积反而下降。所以，在产品开发时，需要统筹考虑冰箱能耗等级、生产成本和实际容积等，以选择最优化的发泡层厚度。（2）改进冰箱结构设计改进门封结构设计，比如增加门封气囊数、减低门封条闭合高度，采用一体门发泡技术和双门封、使用强力磁条等。改进蒸发器、冷凝器的制冷性能，增大能效比，如增加蒸发器面积，换用热传感更好的材料等。（3）使用高效压缩机最直接的节能手段是提高压缩机的能效比目前市场上最高效的压缩机ＣＯＰ第5页共5页 值可达到２．１左右。选择压缩机主要根据压缩机的排气量、输入功率及运行时的制冷量来确定，即冰箱制冷系统对压缩抽的性能要求。将设计工况（冷凝温度、蒸发温度）代入压缩机性能曲线，在压缩机排气量、制冷量符合要求的前提下，选用轴功率最小且满足性能要求的压机型号。影响冰箱能耗等级的主要因素是压缩机的能效比ＣＯＰ，任何１台节能冰箱的使用，都配备了１台高效压缩机。实验室测试数据显示采用变频技术的冰箱与相同的普通冰箱相比可以提高能耗等级。3.2冷凝器优化设计在优化冷凝器设计中除合理增大冷凝面积外,还应充分考虑以下几点:（1）设计横、竖盘管混排结构冷凝器:在冷凝器内为制冷剂气液两相状态,分析冷凝器中制冷剂流态变化和内、外部换热条件,横排管冷凝器的换热系数比竖排管冷凝器增加3倍以上,为加强流体扰动,破坏流动边界层,采用横、竖盘管相结合走向的冷凝器将会提高冷凝器换热效果,同时也可降低制冷剂流动噪声。（2）丝管式冷凝器代替百叶窗式冷凝器:在其它条件不变情况下,丝管式冷凝器传热性能好,对应的制冷循环效率提高,能耗减小。（3）改内藏式冷凝器为外挂式:外挂式冷凝器散热条件比内藏式冷凝器好得多,对降低冷凝温度和过冷温度十分有利,可有效节能降耗。（4）防凝露管节能设计:从压缩机排气管至干燥过滤器出口整个高压区域皆为冷凝器负荷对应区域,包括制冷剂蒸汽的冷却、冷凝及再冷(过冷)三个过程,对应设备包括付冷凝器、主冷凝器及门边防露管。由于排气温度的不同,采用不同制冷剂时管路布置也不相同。项目研制中采用制冷剂Ｒ600ａ,由于采用Ｒ600ａ使压缩机排气温度降低,约55℃左右,故将压缩机排出的高压气体先进门边防露管,再进主、副冷凝器,这样即使条件变化,门边防露管末端对应温度也高于最高环境温度,既可保证加热门框、提高防露效果,同时,在管路布置时尽量使防露管远离箱体内腔,又可减小热量向箱内传递,实现节能之目的,系统图如图2示。3.3　制冷系统优化匹配及管路走向节能设计项目综合考虑箱体热负荷、系统制冷量、压缩机效率、电冰箱工作周期等相关参数,使之达最佳匹配状态。第5页共5页 设计中的气候类型应与使用地区的气候匹配,否则耗电增加,甚至出现不停机现象,同时,根据产品的气候类型(项目研制中设计为亚热带型)确定冷冻室、冷藏室的热负荷匹配关系。在产品设计和样机试验中,反复调节系统回路各有关参数,使冷冻、冷藏室之间以及蒸发器与冷凝器之间,压缩机排气量与蒸发器蒸发能力之间以及毛细管节流与蒸发温度之间达到最佳的节能匹配关系。表2是调整过程必须控制的系统关键状态点和相应的调整措施。　　在设计冰箱系统时,工作时间系数的选配非常重要。压缩机工作时间太短,启动频繁,则因启动功率大,会带来能耗的升高;如果工作时间太长,压缩机总是工作在较低蒸发温度状态,则压缩机工作效率太低,能耗也将上升。在选配压缩机时,应满足冰箱最大热负荷要求,在满足负荷要求下尽可能选用较小型号的压缩机。项目研制中选用高效压缩机,功率90Ｗ,经测定,冰箱工作时间系数适当,能耗较少,见表1。制冷系统的优化匹配也包括制冷系统中制冷剂量的匹配,制冷剂量偏多或偏少都会影响制冷系统制冷效果,造成耗电增加。因此,系统的性能在其结构决定后,还必须对它的制冷剂量进行匹配试验。项目研制中采取与普通电冰箱不同的充注量试验,同时使用高精度充注系统确保最佳充注量,使系统在高效下进行工作,达到节能降耗目的。改进节流系统,正确选择毛细管长度和管径以确定最佳毛细管流量是重要问题,与蒸发器的优化匹配、与冷凝器的优化匹配是紧密相关的。若毛细管长度较长或管径较小,节流时产生较大的压差,制冷剂流量小,蒸发温度低,压缩机排气量小,使制冷系统制冷能力减小。在设计中最初的理论计算往往只具指导意义,必须经多次试验调试才能确定。项目在调试过程中,将制冷系统各主要部件的主要状态参数点处分布感温电偶,在压缩机高、低压端安装压力表,通过各种工况的试验曲线及试验数据,借助压焓图,寻找优化制冷循环工况,确定最佳的流量和充注量。3.4蒸发器的优化设计第5页共5页 　　研制采取了以下措施。第一,减小冷藏、冷冻两蒸发器的面积比差值,在总面积一定情况下,尽量加大冷藏室蒸发器的面积,采用大内径蒸发管、增加蒸发管长度及双管并行排列结构等,保证在低温或高温环境下有最佳的开停比,从而保证在一定环境温度下耗电最少。第二,设计高效蒸发器。冷冻室蒸发器是由从上到下依次排列多个换热层片和连接所有换热层片的连接管组成的复合立体式结构[3],换热层片由多个并列Ｓ型制冷盘管构成,且在其盘管壁外侧固定套装翅片,大大增加了制冷盘管与空气间接触面积,如图1示。该蒸发器在不改变电冰箱结构情况下,大幅度增加冷冻室蒸发面积,增加冷冻室顶部和低部两个高温区制冷量,使其快速达到规定要求,缩短压缩机工作时间,大幅降低能耗。冷藏室采用导热粘接胶膜将压扁铜管紧紧粘在传热铝板上,并通过高粘合双面胶粘贴在冷藏室内胆上,增强传热效果。第三,合理安排蒸发器位置和制冷剂走向。据箱内自然对流情况,制冷剂流向采用逆流式换热,毛细管和回气管采用较长的并行锡焊或热塑工艺等,以提高换热效果。第四,通过理论计算和试验相结合方法,合理匹配蒸发器与冷凝器的传热面积,努力减小冰箱工作系数,避免过低蒸发压力和过高冷凝压力,达节能目的。4结论节能、环保是冰箱产品开发永远的主题，提高能源效率和加强环境保护，已成为世界各国政府的迫切任务，也是世界经济可持续发展的先决条件。但冰箱的节能降耗是一项长期而持久作电冰箱的节能只有从系统的高度，通过综合优化制冷循环、改善产品的结构和设计、合理使用材料和先进的控制方式等方法，找到一种经济的节能手段才是解决问题的有效途径。5参考文献[1]电冰箱空调器制冷系统冷凝器蒸发器的优化设计单彦杰[2]节能冰箱及其冷凝器设计邵秀利[3]冰箱节能技术的设计应用张献峰[4]电冰箱制冷系统优化设计探析[5]电冰箱制冷系统的优化设郭凯　陈旭峰　张波　袁秀玲[6]电冰箱能耗与制冷系统优化设计及制冷循环分析李刚张凤林[2]谈谈电冰箱的软冷冻技术胡哲［３］变频压缩机对冰箱节能的影响李成武第5页共5页