辛 鈞 崔培培

（合肥美菱物聯(lián)科技有限公司 合肥 230006）

引言

冰箱大容積趨勢下，為實(shí)現(xiàn)多種間室組合制冷方式而產(chǎn)生的多種制冷系統(tǒng)：單循環(huán)風(fēng)冷、旁通雙循環(huán)、并聯(lián)雙循環(huán)系統(tǒng)以及多循環(huán)系統(tǒng)[1]。

單循環(huán)風(fēng)冷如圖1，將蒸發(fā)器和制冷風(fēng)扇設(shè)置在冷凍室，冷藏室制冷通過設(shè)置在冷藏冷凍之間的風(fēng)門控制其關(guān)閉實(shí)現(xiàn)。此種方式在冷藏制冷期間冷藏回風(fēng)回到冷凍蒸發(fā)器，與冷凍蒸發(fā)器進(jìn)行換熱，此過程中冷藏室內(nèi)的大部分濕空氣被除去，導(dǎo)致單循環(huán)風(fēng)冷冰箱食品易風(fēng)干，不同間室食品易串味等問題。由于存在以上問題，大容積多溫區(qū)冰箱逐步向多循環(huán)系統(tǒng)發(fā)展。

如圖2(a)所示旁通雙循環(huán)系統(tǒng)，旁路中制冷劑流動分為兩路，一路是壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過濾器、三通電磁閥、主毛細(xì)管、冷藏蒸發(fā)器、冷凍蒸發(fā)器、壓縮機(jī)，另一路是壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過濾器、三通閥、次毛細(xì)管、冷凍蒸發(fā)器壓縮機(jī)。從功能上看冷藏冷凍可獨(dú)立控溫，風(fēng)循環(huán)相對獨(dú)立，解決了單循環(huán)系統(tǒng)低濕度、相互串味的缺點(diǎn)。

如圖2(b)所示并聯(lián)雙循環(huán)系統(tǒng)，通過三通電磁閥切換，分別運(yùn)行冷藏循環(huán)回路或冷凍循環(huán)回路。冷藏室在較高的蒸發(fā)溫度下運(yùn)行，減少了傳熱溫差和不可逆損失，也能降低流動壓力損失，可以實(shí)現(xiàn)對冷凍室和冷藏室溫度獨(dú)立精確控制。相比旁通雙循環(huán)，并聯(lián)雙循環(huán)理論上相對節(jié)能[5]，但由于并聯(lián)雙循環(huán)系統(tǒng)存在制冷劑遷移問題[6]，對冷藏冷凍蒸發(fā)器、箱體熱負(fù)荷和匹配要求比較苛刻，故現(xiàn)有風(fēng)冷產(chǎn)品中多采用旁通雙循環(huán)系統(tǒng)。如圖3，冰箱常見的三循環(huán)系統(tǒng)，其循環(huán)數(shù)增加，但均是在旁通雙循環(huán)和并聯(lián)雙循環(huán)系統(tǒng)組合演變而來。

圖1 單循環(huán)風(fēng)冷冰箱制冷原理圖

風(fēng)冷冰箱風(fēng)量分配的研究多集中在單循環(huán)風(fēng)冷冰箱的研究[2-3]，對于雙循環(huán)的研究多集中在制冷循環(huán)中制冷系統(tǒng)效率、制冷劑遷移和制冷控制策略的研究[4-9]，而對于雙循環(huán)的風(fēng)冷冰箱風(fēng)量的如何分配、如何與制冷系統(tǒng)匹配達(dá)到節(jié)能的效果研究涉及較少。本文即通過旁通雙循環(huán)系統(tǒng)的分析，研究風(fēng)冷冰箱冷藏冷凍同時(shí)制冷和冷凍單獨(dú)制冷時(shí)的風(fēng)量分配，達(dá)到整機(jī)節(jié)能優(yōu)化的目的。

1 循環(huán)理論分析

如圖4旁通雙循環(huán)系統(tǒng)制冷循環(huán)壓焓圖，從制冷循環(huán)分析，在冰箱整個運(yùn)行周期內(nèi)存在兩種循環(huán)效率，分別是冷藏冷凍同時(shí)制冷和冷凍單獨(dú)制冷兩種情況，其能耗計(jì)算可表示：

圖2 雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱制冷原理圖

式中：

Loadfz為冷凍熱負(fù)荷；

Loadff為冷藏?zé)嶝?fù)荷；

COPa為冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)系統(tǒng)循環(huán)COP，為冷藏冷凍同時(shí)制冷與總制冷時(shí)間占比；

COPb為冷凍制冷時(shí)系統(tǒng)循環(huán)COP，為冷凍制冷與總制冷時(shí)間占比。

圖3 三循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱制冷原理圖

假設(shè)兩種情況下的制冷循環(huán)，冷凝器溫度相同。

1）冷藏冷凍同時(shí)制冷穩(wěn)定后，如圖4所示壓焓圖，此時(shí)制冷循環(huán)按1a-2a-3a-4a-1a的循環(huán)順序運(yùn)行，蒸發(fā)溫度處于Ta溫度下運(yùn)行，其循環(huán)效率為COPa；

2）冷凍單獨(dú)制冷穩(wěn)定后，如圖4所示壓焓圖，此時(shí)制冷循環(huán)按1b-2b-3b-4b-1b的循環(huán)順序運(yùn)行，蒸發(fā)溫度處于Tb溫度下運(yùn)行，其循環(huán)效率為COPb；

3）由壓焓圖可知，Ta＞Tb，故制冷循環(huán)效率COPa大于COPb，理論上冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)間越長，整個制冷循環(huán)周期制冷效率越高。

4）實(shí)際運(yùn)行過程中，如圖5旁通雙循環(huán)完整周期制冷運(yùn)行圖，對于旁通雙循環(huán)系統(tǒng)，為減小停機(jī)到開機(jī)過程中制冷劑遷移影響，根據(jù)雙循環(huán)系統(tǒng)控制邏輯，采用冷藏冷凍同時(shí)制冷的優(yōu)先級控制[4][7]。

5）冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度Ta可能高于冷凍間室溫度TD，則此時(shí)制冷循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器無法向冷凍室提供冷量，反而通過制冷系統(tǒng)向冷凍室增加熱負(fù)荷，使上述公式中Loadfz增大。

6）若冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)，制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度Ta低于冷凍間室溫度TD，則此時(shí)制冷循環(huán)COPa可能過低，影響整個循環(huán)制冷效率。

故如何尋求二者平衡關(guān)系，需通過實(shí)驗(yàn)研究制冷循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)效率耦合，達(dá)到優(yōu)化旁通雙循環(huán)效率降低整機(jī)能耗的目的。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測試條件

2.1 樣機(jī)配置

選取公司一臺旁通雙循環(huán)系統(tǒng)多門風(fēng)冷變頻冰箱，冷藏、冷凍間室分別設(shè)置獨(dú)立的蒸發(fā)器，制冷風(fēng)扇和對應(yīng)的風(fēng)道，且載體樣機(jī)的冷藏、冷凍制冷風(fēng)扇為PWM控制可變轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，間室制冷通過三通電磁閥控制切換。其主要部件參數(shù)如表1。

2.2 試驗(yàn)工況及測試布置

依據(jù)GB 12021.2-2015家用電冰箱耗電量限定值及能效等級國家標(biāo)準(zhǔn)測試耗電量，要求環(huán)境溫度為（32±0.5）℃和（16±0.5）℃，相對濕度為45 %～75 %，本文選取對能效影響最大的32 ℃進(jìn)行測試。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)能耗測試要求，在樣機(jī)冷藏冷凍間室內(nèi)布置銅制圓柱，同時(shí)，分別在冷凍蒸發(fā)器、冷藏蒸發(fā)器的進(jìn)口、出口，過濾器以及壓縮機(jī)的吸氣管等位置布置熱電偶，用于檢測制冷系統(tǒng)循環(huán)效率。采用合肥科峰型式試驗(yàn)控制系統(tǒng)、8720數(shù)字電參數(shù)測試儀測量采集冰箱的運(yùn)行電參數(shù)，并通過電能累計(jì)儀測得一定時(shí)間內(nèi)的耗電量。

圖4 旁通雙循環(huán)系統(tǒng)制冷壓焓圖

圖5 旁通雙循環(huán)完整周期制冷運(yùn)行圖

表1 載體冰箱主要配置參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)分析

根據(jù)上文理論分析，本文采用可調(diào)轉(zhuǎn)速變頻壓縮機(jī)、寬幅可調(diào)轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，利用雙變頻技術(shù)調(diào)整制冷系統(tǒng)工況，分別匹配旁通雙循環(huán)系統(tǒng)冷藏冷凍同時(shí)制冷和冷凍單獨(dú)制冷時(shí)的風(fēng)道風(fēng)量和制冷系統(tǒng)，進(jìn)行整機(jī)冷量耦合優(yōu)化，試驗(yàn)測試方法按本文2.2試驗(yàn)工況及測試布置進(jìn)行布置測試。

如圖6載體樣機(jī)原匹配狀態(tài)下，旁通雙循環(huán)穩(wěn)定運(yùn)行后，一個溫度控制運(yùn)行周期內(nèi)，冷藏冷凍先開啟制冷，運(yùn)行16 min后切換至冷凍單獨(dú)制冷，冷藏冷凍剛開機(jī)運(yùn)行的3 min之內(nèi)，是系統(tǒng)建立平衡的過程，制冷劑逐漸向兩蒸發(fā)器內(nèi)遷移，此階段兩蒸發(fā)器內(nèi)處于過熱階段，對于冷藏冷凍間室的制冷效果均較差。3 min后，系統(tǒng)壓力及制冷劑遷移穩(wěn)定，此狀態(tài)下，冷藏冷凍同時(shí)制冷冷藏平均蒸發(fā)溫度約-15.3 ℃，冷凍平均蒸發(fā)溫度-16.8℃，而此時(shí)冷凍間室平均溫度-17.2 ℃，冷凍蒸發(fā)溫度高于冷凍間室溫度，作為冷凍間室冷源的蒸發(fā)器反而為無法提供冷量，而增加了冷凍間室的熱負(fù)荷。

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)及結(jié)果分析

樣機(jī)原匹配狀態(tài)設(shè)定為壓縮機(jī)效率匹配相對較優(yōu)，優(yōu)化試驗(yàn)通過分別匹配調(diào)整冷藏風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，冷凍風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，改變制冷循環(huán)系統(tǒng)與風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)冷量耦合效率。

根據(jù)原狀態(tài)測試結(jié)果，結(jié)合本文第一部分理論分析，嘗試通過降低冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低冷藏制冷循環(huán)風(fēng)量，達(dá)到冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)的系統(tǒng)蒸發(fā)溫度，消除此時(shí)冷凍蒸發(fā)器對冷凍室的傳熱熱負(fù)荷。原型機(jī)風(fēng)量與制冷系統(tǒng)配置具體結(jié)果及優(yōu)化的方案配置如表2。

如圖7，方案一制冷循環(huán)與風(fēng)量配比變化后單個溫度控制周期運(yùn)行曲線，冷藏冷凍同時(shí)制冷制冷劑遷移建立平衡時(shí)間與原型機(jī)相當(dāng)，均約3 min。穩(wěn)定制冷后，冷藏蒸發(fā)溫度約-17.7 ℃，冷凍蒸發(fā)溫度-18.8 ℃，而此時(shí)冷凍間室內(nèi)溫度約-17.4 ℃，冷凍蒸發(fā)器可為冷凍間室提供冷量，沒有額外熱負(fù)荷的增加。

圖6 原狀態(tài)樣機(jī)狀態(tài)制冷循環(huán)周期

表2 載體冰箱試驗(yàn)方案設(shè)置參數(shù)變化

圖7 方案一樣機(jī)狀態(tài)制冷循環(huán)周期

為進(jìn)一步研究旁通雙循環(huán)制冷制冷系統(tǒng)和風(fēng)道冷量耦合效率，在方案一的基礎(chǔ)上，降低冷凍單獨(dú)制冷風(fēng)道循環(huán)效率。其運(yùn)行曲線如圖8，相比方案一和原狀態(tài)，冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)間相當(dāng)，冷凍平均蒸發(fā)溫度降低，冷凍制冷實(shí)際加長。

如表3不同方案配置冰箱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，對比三種不同配置狀態(tài)下，冰箱樣機(jī)效果，方案一相比原型機(jī)，冷藏蒸發(fā)溫度降低，冷藏制冷時(shí)間基本未變化，冷凍單獨(dú)制冷時(shí)間減小，整機(jī)能耗降低3%。方案一相比方案二，冷凍制冷時(shí)間延長，冷凍單獨(dú)制冷效率降低，整機(jī)能耗與原型機(jī)相當(dāng)。

4 小結(jié)

本文通過對旁通雙循環(huán)制冷系統(tǒng)和風(fēng)道系統(tǒng)冷量耦合理論分析，并通過驗(yàn)證驗(yàn)證表明：

1）對于旁通雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱風(fēng)量分配，與單循環(huán)風(fēng)冷冰箱有一定差異，單系統(tǒng)風(fēng)量優(yōu)化方向，風(fēng)道循環(huán)效率越高越好，風(fēng)量分配接近冷藏冷凍同時(shí)開停比較好[2][3]。但在雙循環(huán)系統(tǒng)中，如果冷藏風(fēng)量過大，會使蒸發(fā)溫度提高，冷藏制冷效率提高，但此時(shí)冷凍室回溫升高，當(dāng)切換至冷凍制冷時(shí)，冷凍制冷時(shí)間加長，冷凍制冷效率降低。

圖8 方案二樣機(jī)狀態(tài)制冷循環(huán)周期

表3 不同方案配置冰箱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)

2）根據(jù)本文選擇的載體測試情況看，32 ℃能耗狀態(tài)下，適當(dāng)?shù)慕档屠洳剞D(zhuǎn)速來達(dá)到較低的冷藏蒸發(fā)溫度，以避免冷凍較快升溫，對系統(tǒng)能耗是有好處的。

3）冷藏制冷時(shí)，將風(fēng)量調(diào)節(jié)至滿足蒸發(fā)溫度略低于冷凍間室溫度，保證冷凍蒸發(fā)器盡量不通過制冷系統(tǒng)再次向冷凍室傳熱，且制冷時(shí)保證冷凍有一定的出風(fēng)溫差，可使旁通雙循環(huán)系統(tǒng)在冷藏冷凍同時(shí)制冷時(shí)保持較高的制冷效率。