丁 淼，程文龍，袁旭東(.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系，安徽 合肥 3007；.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 3007)

帶蓄冷型蒸發(fā)器節(jié)能冰箱的分析研究

丁 淼1，程文龍1，袁旭東2
(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 熱科學(xué)和能源工程系，安徽 合肥 230027；2.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230027)

蒸發(fā)器的傳熱性能對(duì)冰箱的功效有較大的影響。本文提出一種新型冰箱，該新型冰箱將蒸發(fā)器和儲(chǔ)能材料結(jié)合起來(lái)構(gòu)成蓄冷型蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器在一個(gè)完整周期內(nèi)從間歇式換熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)性換熱。為了分析新型冰箱的傳熱性能和節(jié)能效果，首先建立了冰箱循環(huán)中有蓄冷相變材料蒸發(fā)器的傳熱模型，然后建立了冰箱整體的動(dòng)態(tài)仿真模型，最后分別對(duì)帶蓄冷型蒸發(fā)器和傳統(tǒng)蒸發(fā)器的雙門三星級(jí)箱壁式冰箱進(jìn)行傳熱性能及能耗的分析。模擬分析結(jié)果顯示：相比于傳統(tǒng)冰箱，由于蒸發(fā)器的傳熱性能得到顯著提高，新型冰箱節(jié)能效果顯著，電能損耗可以降低20%左右。

家用冰箱；蓄冷型蒸發(fā)器；節(jié)能；數(shù)學(xué)模型；動(dòng)態(tài)模擬

0 引言

家用冰箱作為一種全天候的家電，在家庭用電消費(fèi)中占據(jù)相當(dāng)大的比重。在我國(guó)，隨著冰箱的普及，據(jù)預(yù)計(jì)未來(lái)15年我國(guó)冰箱每年耗電量將達(dá)400億度以上。因此，冰箱節(jié)能對(duì)于我國(guó)緩解能源短缺和減少溫室氣體排放有著重要意義。目前提高冰箱制冷系統(tǒng)性能的主要途徑有：提高壓縮機(jī)性能[1]、強(qiáng)化隔熱保溫[2]、提高換熱器性能[3-6]等方面。上述方法國(guó)內(nèi)外大量的研究者都進(jìn)行了深入探討，并且取得令人可喜的結(jié)論[7-9]。但是上述的許多技術(shù)方法發(fā)展得相對(duì)成熟，在現(xiàn)階段已遇到難以進(jìn)一步提高的瓶頸問題。因此，進(jìn)一步獲得更好的冰箱性能需要另辟蹊徑。

其中一種方法是用適當(dāng)?shù)南嘧儾牧蠈?duì)冰箱的蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)行改造。定形相變材料潛熱大，具有出色的吸熱和放熱能力，同時(shí)解決了相變材料的滲漏和變形問題，所以可以當(dāng)作儲(chǔ)能材料在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用[10-13]。我們實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)帶蓄能冷凝器冰箱進(jìn)行了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)其具有較好的節(jié)能效果[14-15]，本文進(jìn)一步對(duì)帶蓄冷蒸發(fā)器冰箱進(jìn)行分析研究。

蒸發(fā)器是冰箱的重要部件，通過蒸發(fā)器可以將制冷系統(tǒng)的冷量帶給室內(nèi)空氣，從而將室內(nèi)空氣溫度降低到設(shè)定溫度，并抵制冰箱漏熱帶來(lái)的不利影響以維持空氣處于設(shè)定溫度之下。因此蒸發(fā)器換熱性能的好壞直接影響著整個(gè)制冷系統(tǒng)的工作效率。為了提高蒸發(fā)器換熱性能，增加蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣之間的換熱系數(shù)是一個(gè)辦法，但是對(duì)于直冷式冰箱而言，蒸發(fā)器與空氣之間的換熱屬于自然對(duì)流換熱，而在自然對(duì)流換熱中很難提高換熱系數(shù)，因此改善蒸發(fā)器性能就只能選擇別的辦法。

將蓄冷型定形相變材料作為儲(chǔ)能材料，結(jié)合蒸發(fā)器和蓄冷儲(chǔ)能材料組建成蓄冷型蒸發(fā)器是本文的研究方向。蓄冷材料的相變溫度要低于冰箱室內(nèi)設(shè)定溫度。對(duì)于蓄冷型蒸發(fā)器而言，當(dāng)冰箱壓縮機(jī)開始工作后蒸發(fā)管會(huì)從蓄冷材料吸收熱量或者理解為將冷量傳遞給蓄冷材料，就會(huì)有一部分相變物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，在此期間會(huì)利用潛熱將一部分冷量存儲(chǔ)起來(lái)；當(dāng)冰箱壓縮機(jī)停止工作時(shí)，會(huì)有一部分相變物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，這時(shí)存儲(chǔ)在材料中的冷量就會(huì)釋放給室內(nèi)空氣，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器與室內(nèi)空氣的連續(xù)換熱。此外，帶有蓄冷型蒸發(fā)器的新型節(jié)能冰箱還可以在斷電后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持冰箱內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

本文對(duì)帶有蓄冷型蒸發(fā)器的新型節(jié)能冰箱進(jìn)行了研究，建立了蓄冷蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)模型和冰箱整體的動(dòng)態(tài)模型，通過模型分析和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過這種方式，可以顯著增加蒸發(fā)器整體換熱性能，延長(zhǎng)了冰箱停機(jī)時(shí)間并增加了在一個(gè)周期內(nèi)的停機(jī)開機(jī)時(shí)間比，從而實(shí)現(xiàn)冰箱耗電量的降低。為冰箱節(jié)能技術(shù)開辟新的思路。

1 蓄冷型蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型

安裝有蓄冷材料蒸發(fā)器的新型冰箱，當(dāng)冰箱壓縮機(jī)開始工作時(shí)，有一部分冷量傳遞到相變材料并存儲(chǔ)為潛熱，部分相變材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。反之，壓縮機(jī)停止工作時(shí)，相變材料將存儲(chǔ)的冷量排放到室內(nèi)，由此將冰箱蒸發(fā)器在一個(gè)完整周期內(nèi)從間歇式換熱轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)性換熱，換熱能力得到顯著提高。

蓄冷型蒸發(fā)器二維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 蓄冷型蒸發(fā)器二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于蓄冷型相變材料屬于定形儲(chǔ)能材料，因此在有機(jī)物發(fā)生相變時(shí)，熱傳導(dǎo)仍然可以認(rèn)為是儲(chǔ)能材料中唯一的傳熱模式。因?yàn)槎ㄐ蜗嘧儾牧舷嘧儠r(shí)其形狀變化不大，因此可以做“單一固相”假定[16，17]。蓄冷型相變材料的二維導(dǎo)熱微分方程表達(dá)如下：

(1)

對(duì)于上述公式，仍然采用有效熱容法來(lái)處理相變潛熱。由于不同類型烷烴的相變潛熱區(qū)別不是很大，因此通過對(duì)多種可能的儲(chǔ)能材料的綜合考慮及實(shí)驗(yàn)室的前期研究成果，本文選取相變材料的物性參數(shù)如表1所示：

表1 定形相變材料物性參數(shù)

相變溫度/℃有效熱容/kJ·kg-1熱導(dǎo)率/W·m-1·K-1密度/kg·m-3-261001.35750

儲(chǔ)能材料初始條件為：

其中Tam是環(huán)境溫度。

邊界條件為：

(2)

在邊界條件中，Si代表的是直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)方向X或Y，U代表的是平均換熱系數(shù)，Tet是蒸發(fā)器管壁溫度，Tair是冰箱內(nèi)空氣溫度，在邊界條件中下標(biāo)代表的意義是：“a”指的是儲(chǔ)能材料與蒸發(fā)管壁相接觸的邊界界面；“b”指的是蓄冷材料與室內(nèi)空氣相接觸的邊界界面。針對(duì)蓄冷材料與冷凝管壁所接觸的圓形邊界情況，使用階梯狀網(wǎng)格和網(wǎng)格局部加密技術(shù)。

由于蒸發(fā)管完全被儲(chǔ)能材料包裹住，因此單位管長(zhǎng)蒸發(fā)管壁的能量方程為：

(3)

蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑與管壁之間的換熱方程為：

(4)

蒸發(fā)器管壁與儲(chǔ)能材料之間的換熱方程為：

(5)

其中，Cet表示的是蒸發(fā)器管的單位管長(zhǎng)熱容(J·K-1)，mref表示的是蒸發(fā)器管內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量(kg·s-1)，he，in和he，out分別表示的是蒸發(fā)器入口處和出口處制冷劑比焓(J·kg-1)，A指的是換熱面積(m2)，下標(biāo)“e，i”和“e，o”分別表示的是蒸發(fā)器管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)。

在假設(shè)的蒸發(fā)壓力條件下，對(duì)公式(1)到(5)進(jìn)行離散并計(jì)算。在蓄冷型蒸發(fā)器的數(shù)值處理中，蒸發(fā)壓力采用質(zhì)量引導(dǎo)法來(lái)確定[18-20]。

由質(zhì)量守恒定律：

(6)

Me，ref=Me，SH+Me，TP

(7)

其中，Mref是冷凝器內(nèi)制冷劑總質(zhì)量；△t指時(shí)間步長(zhǎng)，上標(biāo)“0”表示上一時(shí)刻，下標(biāo)“in”和“out”分別表示冷凝器入口和出口，下標(biāo)“SH”和“TP”分別表示過熱區(qū)和兩相區(qū)。

2 模擬分析及結(jié)果

在建立蓄冷型蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型后，結(jié)合冰箱動(dòng)態(tài)模型[19-20]，以BCD 220UM型號(hào)雙門三星級(jí)箱壁式冰箱為研究對(duì)象，對(duì)有蓄冷型蒸發(fā)器(A類)的冰箱和傳統(tǒng)(B類)冰箱進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)這兩類冰箱在ISO標(biāo)準(zhǔn)工況下[21]分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，并進(jìn)行比較分析。

圖2展示了在穩(wěn)定工況階段A類冰箱和B類冰箱的壓縮機(jī)輸入功率。首先在剛開機(jī)時(shí)，兩類冰箱壓縮機(jī)功率都是最大的，隨著時(shí)間的推移，功率開始逐漸降低。B類冰箱的壓縮機(jī)功率迅速降低，隨后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值；但A類冰箱壓縮機(jī)功率的降低速度要緩慢得多，而且功率在開機(jī)階段始終下降。造成這一現(xiàn)象的原因是，由于蓄冷材料本身具有高潛熱，蒸發(fā)器狀態(tài)變化的速度也很緩慢，這也影響了整個(gè)制冷系統(tǒng)到達(dá)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的速度，在功率變化中的體現(xiàn)就表現(xiàn)為下降速度變慢。

此外，還可以看出A類冰箱壓縮機(jī)功率在開機(jī)階段最大功率、最小功率和平均功率都要高于B類冰箱，造成這種現(xiàn)象的原因是：由于蓄冷型蒸發(fā)器的整體換熱性能要好于傳統(tǒng)蒸發(fā)器，使得A類冰箱的制冷量明顯增加，這導(dǎo)致了壓縮機(jī)功率的增加。

圖2 A類冰箱與B類冰箱功率對(duì)比

A類和B類冰箱在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)行時(shí)間上也存在著明顯不同。在開機(jī)時(shí)間方面，A類冰箱為65分鐘，B類冰箱為20分鐘；在停機(jī)時(shí)間方面，A類冰箱為195分鐘，B類冰箱為40分鐘；而周期時(shí)間方面，A類冰箱為260分鐘，B類冰箱為60分鐘。A類冰箱開機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)是因?yàn)樾罾洳牧系母邼摕釋?dǎo)致了室內(nèi)空氣溫度下降速度變緩；至于A類冰箱停機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)是因?yàn)樵谕C(jī)階段蓄冷材料繼續(xù)將存儲(chǔ)在自身的冷量傳遞給室內(nèi)空氣，延緩了室內(nèi)空氣溫度上升的速度；而周期時(shí)間又等于開機(jī)時(shí)間和停機(jī)時(shí)間之和，因此A類冰箱的周期時(shí)間也要更長(zhǎng)。雖然A類冰箱的各方面運(yùn)行時(shí)間都延長(zhǎng)了，但是其停機(jī)開機(jī)時(shí)間比3.0要高于B類冰箱的2.0，表明蓄冷型蒸發(fā)器的連續(xù)性換熱延長(zhǎng)了停機(jī)時(shí)間所占周期的比例，從而實(shí)現(xiàn)冰箱的能耗大幅度將降低。

圖3展示了A類冰箱和B類冰箱的能耗在24小時(shí)中的變化對(duì)比。在開始階段，由于A類冰箱在開機(jī)期間的功率和開機(jī)時(shí)間都要大于B類冰箱，因此A類冰箱的能耗增長(zhǎng)速度要更快一些；但是隨著冰箱的不斷運(yùn)行，A類的能耗逐漸被B類冰箱的能耗所趕超，當(dāng)?shù)竭_(dá)24小時(shí)的時(shí)候，A類冰箱的能耗明顯要低于B類冰箱，這是因?yàn)樾罾湫驼舭l(fā)器更高的換熱性能以及停機(jī)開機(jī)時(shí)間比的提高，導(dǎo)致了A類冰箱的能耗累積變得越來(lái)越小。B類冰箱的24小時(shí)能耗為0.5kWh，而A類冰箱的24小時(shí)能耗和節(jié)能效果為0.41kWh和19%?？梢钥吹?，蓄冷型蒸發(fā)器的存在使得冰箱能耗大幅降低。

圖3 A類冰箱和B類冰箱的能耗對(duì)比

3 結(jié)論

為了進(jìn)一步改善冰箱整體性能，降低冰箱能耗，本文提出了蓄冷型蒸發(fā)器的概念。將低熔點(diǎn)的儲(chǔ)能材料作為蓄冷材料，相對(duì)于間斷式換熱的傳統(tǒng)蒸發(fā)器，新型蒸發(fā)器的換熱時(shí)間大幅增加，可以視為連續(xù)型換熱。同時(shí)本文建立了蓄冷蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型，結(jié)合冰箱動(dòng)態(tài)仿真模型對(duì)新型冰箱和傳統(tǒng)冰箱進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。

模擬分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)帶蓄冷材料的蒸發(fā)器在一個(gè)周期內(nèi)的換熱時(shí)間大幅增加，可以顯著提高了冰箱蒸發(fā)器的換熱性能。相比于傳統(tǒng)冰箱，蓄冷材料影響了冰箱壓縮機(jī)功率的降低速度，因此裝備有蓄冷型蒸發(fā)器的冰箱功率降低速度會(huì)變慢，并使得冰箱在一個(gè)周期內(nèi)的開機(jī)時(shí)間、停機(jī)時(shí)間和停機(jī)開機(jī)時(shí)間比都會(huì)增加。可以看出帶蓄冷蒸發(fā)器冰箱可以在斷電較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持冰箱內(nèi)溫度穩(wěn)定，同時(shí)提高蒸發(fā)器溫度、減少壓縮機(jī)啟動(dòng)次數(shù)，使得冰箱在裝備蓄冷型蒸發(fā)器之后其耗電量降低到20%左右。但是與此同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)蓄冷材料與蒸發(fā)器溫度的有效匹配，蓄冷材料性質(zhì)對(duì)冰箱的整體運(yùn)行特性有何影響，這些問題都需要展開進(jìn)一步的分析研究。

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Analysis of Energy Saving Refrigerators with Cold-storage Evaporator

DING Miao1，CHENG Wenlong1，YUAN Xudong2

( 1.Department of Thermal Science and Energy Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，Anhui，China；2.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，Anhui，230027，China )

The heat transfer performance of evaporatorsignificantly affects the efficiency of household refrigerators.A novel energy storage energy-efficient household refrigerator with heat storageevaporator combinedwithenergy storage materialsis studied.The intermittent heat dissipation of evaporator is replaced by the continuous heat dissipation of heat storage evaporator during a complete cycle.For analyzing heat transfer performance and the energy efficiency of new refrigerators，a heat transfer model for refrigerating cycle with heat storagematerialsisbuilt firstly.And then the dynamic simulation model of overall refrigerator is established，and finally the heat transfer performance and energy consumption of the cold storage evaporatorrefrigerators and traditionaldouble-door three-star refrigerator are analyzed.The results show：compared with the traditional refrigerator，as the heat transfer performance of the new evaporator has been improved significantly，theenergysavingeffect of new refrigerator is remarkable，and electrical consumption can be reduced by about 20%.

Household refrigerator；Cold storage evaporator；Energy saving；mathematical model；Dynamic simulation

2016-9-24

丁淼(1993-)，男，碩士研究生。主要從事傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化，熱控及熱分析等方面的研究。

程文龍，教授，主要從事傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化，熱控及熱分析等方面的研究。Email：wlcheng515@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-011-05

TM925.21文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.002