(1 浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027； 2 杭州華日家電有限公司 杭州 311411)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，冰箱早已成為人們生活中不可或缺的電器，而冰箱的耗電量在居民用電中的占比超過(guò)10%[1-2]，因此提高冰箱性能、減少冰箱能耗對(duì)緩解當(dāng)前能源危機(jī)具有重要意義。

許多學(xué)者在傳統(tǒng)冰箱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一些更加高效的改進(jìn)型系統(tǒng)。1975年，A. Lorenz等[3]將R22/R11混合制冷劑用于串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)，利用混合工質(zhì)兩相區(qū)的溫度滑移特性，減小傳熱過(guò)程的不可逆損失，使系統(tǒng)性能提升20%。目前研究較多的冰箱用混合制冷劑為R290/R600a混合物[4-7]。Lu Zhili等[8-10]提出一種蒸發(fā)器交替工作的旁通雙循環(huán)系統(tǒng)，研究表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)節(jié)能13%。張成全等[11]利用微通道冷凝器使冰箱耗電量降低2.6%。Liu Xiaoqin等[12-15]將噴射器用于冰箱系統(tǒng)以減小節(jié)流過(guò)程的不可逆損失，研究表明噴射器的引入能使系統(tǒng)性能提高10%以上。A. C. Marques等[16-17]從冰箱的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程入手，提出將相變材料用于冰箱系統(tǒng)來(lái)減小壓縮機(jī)的啟停頻率，結(jié)果表明改進(jìn)后的系統(tǒng)可比原系統(tǒng)節(jié)能8%。

唐黎明等[18-21]將冷變換器原理運(yùn)用于雙壓縮機(jī)雙循環(huán)系統(tǒng)，提出了耦合雙循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)理論及穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，證明該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。此后，又通過(guò)一種新的控制策略，使該系統(tǒng)能更好地適應(yīng)實(shí)際冰箱的運(yùn)行過(guò)程。雖然新的控制策略可使冰箱盡可能的耦合運(yùn)行，但在實(shí)際工作過(guò)程中，仍會(huì)出現(xiàn)冷藏循環(huán)單獨(dú)運(yùn)行、冷凍循環(huán)單獨(dú)運(yùn)行和循環(huán)耦合運(yùn)行3種不同的狀態(tài)。耦合運(yùn)行給系統(tǒng)帶來(lái)的影響及實(shí)際冰箱的耗電量情況在之前研究中均未涉及。

本研究在傳統(tǒng)BCD-580冰箱的基礎(chǔ)上搭建了耦合雙循環(huán)冰箱樣機(jī)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了樣機(jī)在不同工作狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化，同時(shí)測(cè)試了樣機(jī)的耗電量，并與現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比。

1 耦合雙循環(huán)冰箱的基本原理

圖1所示為耦合雙循環(huán)冰箱的系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)雙循環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)耦合過(guò)冷器，將冷藏循環(huán)的一部分制冷量用于對(duì)冷凍循環(huán)冷凝器出口的制冷劑進(jìn)行過(guò)冷，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)系統(tǒng)的能量耦合。

圖1 耦合雙循環(huán)冰箱系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of coupled dual-loop refrigerator system

圖2 耦合雙循環(huán)冰箱系統(tǒng)p-h圖Fig.2 p-h diagram of coupled dual-loop refrigerator system

2 樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所用的樣機(jī)在BCD-580冰箱的基礎(chǔ)上改造完成?？紤]到今后冰箱的產(chǎn)品化及能夠與現(xiàn)有冰箱效果進(jìn)行對(duì)比，樣機(jī)的設(shè)計(jì)完全參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8059.2—1995進(jìn)行[22]。設(shè)計(jì)完成的樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。制冷系統(tǒng)由冷藏循環(huán)和冷凍循環(huán)構(gòu)成，冷藏循環(huán)和冷凍循環(huán)均采用R600a作為制冷劑，保溫材料采用硬質(zhì)聚氨酯。

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，本文共搭建兩臺(tái)冰箱樣機(jī)，記為樣機(jī)Ⅰ和樣機(jī)Ⅱ。樣機(jī)Ⅰ的設(shè)計(jì)主要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，且要求運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)基本合理。樣機(jī)Ⅱ是在樣機(jī)Ⅰ的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造優(yōu)化，通過(guò)將獨(dú)立冷凝器的形式從旋翅式改為微通道式，同時(shí)縮短毛細(xì)管長(zhǎng)度來(lái)減少制冷劑充注量，降低冷凝壓力。此外，樣機(jī)Ⅱ還選用了效率更高的壓縮機(jī)來(lái)提升系統(tǒng)綜合性能。表1所示為兩臺(tái)樣機(jī)的具體部件參數(shù)。

冰箱樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試在電冰箱有限公司的冰箱性能實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫、濕度和氣流組織的控制和調(diào)節(jié)。測(cè)試過(guò)程按照冰箱測(cè)試相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)完成[22]。若無(wú)特殊說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為25 ℃，相對(duì)濕度為70%。

實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集裝置包括：1)溫度測(cè)量裝置選用T型熱電偶，由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻標(biāo)定，精度為±0.5 ℃；2)壓力測(cè)量裝置選用PTX5072壓力變送器，量程為0～1 MPa，精度為0.2 % FS；3)功率測(cè)量裝置選用HB404P智能功率表，精度等級(jí)為0.5級(jí)；4)數(shù)據(jù)采集采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集器，溫度信號(hào)、壓力信號(hào)、功率信號(hào)均轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸入采集器并輸出在計(jì)算機(jī)端。

T溫度測(cè)點(diǎn)；P壓力測(cè)點(diǎn)。圖3 冰箱樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the refrigerator/freezer prototype

參數(shù)壓縮機(jī)型號(hào)冷凝器形式蒸發(fā)器形式毛細(xì)管長(zhǎng)度/mm毛細(xì)管內(nèi)徑/mm充注量/g樣機(jī)Ⅰ冷藏循環(huán)MH1060Y鍍鋅管壁式+旋翅式翅片管式2 9400.6545冷凍循環(huán)NX1112Y3 25090樣機(jī)Ⅱ冷藏循環(huán)ND1070Y鍍鋅管壁式+微通道翅片管式2 5000.6555冷凍循環(huán)ND1112Y3 00060

3 運(yùn)行參數(shù)實(shí)驗(yàn)

為獲得不同工作狀態(tài)下系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)了順序?yàn)槔鋬鲅h(huán)獨(dú)立運(yùn)行、耦合運(yùn)行、冷藏循環(huán)獨(dú)立運(yùn)行的開停機(jī)過(guò)程。文中出現(xiàn)的飽和狀態(tài)參數(shù)均通過(guò)REFPROP v9.0獲得。

3.1 冷凝蒸發(fā)壓力分析

圖4所示為樣機(jī)Ⅰ冷藏循環(huán)的冷凝、蒸發(fā)壓力隨時(shí)間的變化。由于樣機(jī)Ⅱ冷藏循環(huán)的壓力變化趨勢(shì)與樣機(jī)Ⅰ幾乎相同，因此此處沒有給出其壓力變化曲線。圖4～圖10中，運(yùn)行參數(shù)曲線下方的功率曲線用于辨別系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，即冷藏單獨(dú)運(yùn)行、冷凍單獨(dú)運(yùn)行及耦合運(yùn)行。

由圖4可知，系統(tǒng)耦合運(yùn)行時(shí)，冷藏循環(huán)的冷凝、蒸發(fā)壓力均高于系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，原因是耦合過(guò)冷器的工作增大了冷藏系統(tǒng)的蒸發(fā)負(fù)荷，導(dǎo)致冷藏蒸發(fā)壓力升高[23]，系統(tǒng)流量增大，冷凝負(fù)荷增大，最終引起冷凝壓力的增大。

圖5所示為樣機(jī)Ⅰ和樣機(jī)Ⅱ冷凍循環(huán)壓力隨時(shí)間的變化。由圖5可知，在耦合運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種狀態(tài)下，樣機(jī)Ⅰ冷凍循環(huán)的冷凝壓力略有下降，而蒸發(fā)壓力幾乎不變；樣機(jī)Ⅱ的蒸發(fā)壓力也幾乎不變，但樣機(jī)Ⅱ的冷凝壓力在耦合運(yùn)行后突然下降，降幅超過(guò)160 kPa，偏離了設(shè)計(jì)工況。冷凝壓力的降低表面上可以減小壓比，降低冷凍循環(huán)的功耗，但事實(shí)上，壓力的降低對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響是不利的，具體原因會(huì)在后文中結(jié)合溫度參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

圖4 樣機(jī)Ⅰ冷藏循環(huán)冷凝、蒸發(fā)壓力隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of condensing and evaporating pressure of refrigerator(Prototype I) with time

圖5 樣機(jī)冷凍循環(huán)冷凝、蒸發(fā)壓力隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of condensing and evaporating pressure of freezer with time

兩臺(tái)樣機(jī)冷凍循環(huán)的冷凝壓力在兩種運(yùn)行狀態(tài)下的變化規(guī)律不同，這是因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致。過(guò)冷需要在遠(yuǎn)離冷凝過(guò)程相變界面處進(jìn)行[24]，若過(guò)冷靠近相變界面將引起冷凝壓力的降低。樣機(jī)Ⅱ在設(shè)計(jì)過(guò)程中縮短了毛細(xì)管長(zhǎng)度，減少了制冷劑充注量，這導(dǎo)致冷凍循環(huán)冷凝器出口的過(guò)冷度減小，過(guò)冷靠近相變界面。當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生一定擾動(dòng)界面移動(dòng)到過(guò)冷段時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)冷凝壓力降低的現(xiàn)象。

3.2 冷凝過(guò)程溫度分析

圖6所示為樣機(jī) Ⅰ和樣機(jī) Ⅱ在不同運(yùn)行狀態(tài)下冷凝器出口溫度隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 樣機(jī)冷凝器出口溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of condenser outlet temperature of prototype with time

樣機(jī)Ⅰ冷藏循環(huán)在耦合運(yùn)行時(shí)，冷凝器出口溫度升高，這與之前描述的壓力變化相匹配，主要由于冷凝負(fù)荷增大導(dǎo)致。而冷凍循環(huán)在過(guò)冷運(yùn)行后，由于節(jié)流后制冷劑干度減小，導(dǎo)致蒸發(fā)器中制冷劑平均密度變大，蒸發(fā)器需液量增大，冷凝器中的過(guò)冷段液體減少，過(guò)冷度下降，冷凝器出口溫度升高。

樣機(jī)Ⅱ的冷藏循環(huán)溫度變化與樣機(jī)Ⅰ類似，但樣機(jī)Ⅱ冷凍循環(huán)冷凝器出口溫度有約10 ℃的過(guò)熱度，說(shuō)明冷凍冷凝器并未起到冷凝的作用。這是由于冷凍循環(huán)的冷凝壓力在耦合運(yùn)行時(shí)大幅度降低所致。由圖6可知，在耦合運(yùn)行后冷凍循環(huán)冷凝壓力低于300 kPa，此壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度低于環(huán)境溫度。此時(shí)冷凝器的作用只是將制冷劑溫度降至環(huán)境溫度，不能起到冷凝的作用。實(shí)際的冷凝過(guò)程靠消耗大量冷藏循環(huán)的制冷量來(lái)實(shí)現(xiàn)。該現(xiàn)象使系統(tǒng)從設(shè)計(jì)的過(guò)冷循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)疊循環(huán)，而復(fù)疊循環(huán)的整體效率低于過(guò)冷循環(huán)，因此，此處的壓力降低不利于系統(tǒng)的整體性能。

表2 樣機(jī)冷凝過(guò)程溫度參數(shù)Tab.2 Temperature parameters of condensing process

注：Tcond,sat表示冷凝壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，ΔTsc表示冷凝器出口過(guò)冷度。

3.3 蒸發(fā)過(guò)程溫度分析

樣機(jī)Ⅰ和樣機(jī)Ⅱ不同運(yùn)行狀態(tài)下蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化如圖7所示，Tevap,in和Tevap,out分別表示蒸發(fā)器進(jìn)、出口溫度。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 樣機(jī)蒸發(fā)過(guò)程溫度參數(shù)Tab.3 Temperature parameters of evaporating process

注：Tevap,sat表示蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，ΔTin&out表示蒸發(fā)器進(jìn)出口溫差，ΔTsh表示蒸發(fā)器出口過(guò)熱度。

圖7 樣機(jī)蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of evaporator inlet and outlet temperature of prototype with time

對(duì)比圖7(a)和圖7(b)可知，冷藏蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度在由耦合運(yùn)行變?yōu)楠?dú)立運(yùn)行過(guò)程中有明顯的下降，這與前文中所描述的壓力變化規(guī)律一致。由圖7可知，樣機(jī)Ⅰ冷凍蒸發(fā)器的進(jìn)出口溫度在耦合運(yùn)行后有一定的下降，其原因也與負(fù)荷相關(guān)。即當(dāng)系統(tǒng)耦合運(yùn)行后，冷凍循環(huán)的制冷量增大，但由于間室溫度不變，此時(shí)的冷凍負(fù)荷不變，因此系統(tǒng)將通過(guò)降低蒸發(fā)溫度來(lái)減小制冷量，使其與負(fù)荷相匹配。樣機(jī)Ⅱ的冷凍蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度變化較為紊亂，由獨(dú)立運(yùn)行變?yōu)轳詈线\(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度突然上升，原因是過(guò)冷后，毛細(xì)管中液體段增加，流動(dòng)阻力下降，流量增大導(dǎo)致。此后進(jìn)口溫度逐漸下降。

4 耗電量實(shí)驗(yàn)

考慮到標(biāo)準(zhǔn)耗電量實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，操作較為繁瑣，本文首先對(duì)兩臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)耗電量實(shí)驗(yàn)，然后選取其中一臺(tái)性能較為出色的樣機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)耗電量實(shí)驗(yàn)。

4.1 非標(biāo)準(zhǔn)條件實(shí)驗(yàn)

非標(biāo)準(zhǔn)條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制環(huán)境溫度為25 ℃，冷藏室和冷凍室設(shè)定溫度分別為5 ℃和-18 ℃。統(tǒng)計(jì)樣機(jī)在一個(gè)化霜周期內(nèi)的耗電量，然后將其轉(zhuǎn)化為24小時(shí)耗電量進(jìn)行對(duì)比。圖8所示為樣機(jī)在一個(gè)化霜周期內(nèi)的運(yùn)行曲線。

圖8 一個(gè)化霜周期內(nèi)樣機(jī)的運(yùn)行曲線Fig.8 Operating curve of the prototype in a deforest period

兩臺(tái)樣機(jī)非標(biāo)準(zhǔn)條件下耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示?？芍獦訖C(jī)Ⅱ的耗電量相比樣機(jī)Ⅰ大幅減少，這是對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果。通過(guò)分別對(duì)比兩臺(tái)樣機(jī)冷凍和冷藏循環(huán)的耗電量，可知樣機(jī)Ⅰ冷藏循環(huán)耗電量低于樣機(jī)Ⅱ，原因是樣機(jī)Ⅱ在耦合運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的壓力降低導(dǎo)致，該變化導(dǎo)致冷藏循環(huán)制冷量的大量浪費(fèi)，樣機(jī)Ⅱ冷藏壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)間增加。而樣機(jī)Ⅱ的冷凍循環(huán)耗電量相比樣機(jī)Ⅰ大幅減少，原因是減小系統(tǒng)高壓側(cè)容積減少制冷劑充注量，從而減小了壓縮機(jī)功耗，同時(shí)耦合運(yùn)行時(shí)冷凝壓力的大幅下降也有一定的影響，但這種影響不利于系統(tǒng)的綜合性能，在后期改進(jìn)中應(yīng)避免。

表4 樣機(jī)耗電量測(cè)試結(jié)果Tab.4 The results of energy-consumption test

4.2 標(biāo)準(zhǔn)條件實(shí)驗(yàn)

非標(biāo)準(zhǔn)條件下的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明樣機(jī)Ⅱ的性能優(yōu)于樣機(jī)Ⅰ，因此對(duì)樣機(jī)Ⅱ按照冷藏冷凍箱耗電量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了耗電量實(shí)驗(yàn)[22]。實(shí)驗(yàn)中，首先完成一次強(qiáng)制化霜過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)兩次壓縮機(jī)啟停，進(jìn)入73 h的耗電量測(cè)試過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)得到樣機(jī)Ⅱ的標(biāo)準(zhǔn)耗電量為1.15 kW·h/24 h。而改造前，該BCD-580冰箱的標(biāo)準(zhǔn)耗電量為1.57 kW·h/24 h，考慮到樣機(jī)選用了性能較好的壓縮機(jī)(樣機(jī)Ⅱ壓縮機(jī)COP≈1.96，而原產(chǎn)品壓縮機(jī)COP=1.73)以及壓縮機(jī)小型化帶來(lái)的性能下降(制冷量減少50%，COP下降約10%[16])，本文將原產(chǎn)品壓縮機(jī)COP用2.18進(jìn)行折算，此時(shí)的耗電量約為1.25 kW·h/24 h，樣機(jī)Ⅱ節(jié)能約8%，耦合運(yùn)行時(shí)冷凝壓力的降低一定程度上限制了樣機(jī)Ⅱ節(jié)能潛力的發(fā)揮。

5 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了兩臺(tái)耦合雙循環(huán)冰箱樣機(jī)的運(yùn)行參數(shù),同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量了其中一臺(tái)冰箱的耗電量，并與市場(chǎng)上現(xiàn)有冰箱進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)在耦合運(yùn)行狀態(tài)下，冷藏循環(huán)相比獨(dú)立運(yùn)行時(shí)具有更高的冷凝、蒸發(fā)壓力，冷凝蒸發(fā)溫度也更高。冷凍循環(huán)在耦合運(yùn)行后，冷凝壓力降低，冷凝器出口過(guò)冷度減小，當(dāng)系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行時(shí)過(guò)冷度較小的情況下，耦合運(yùn)行將導(dǎo)致冷凝壓力大幅降低。冷凝和過(guò)冷均在過(guò)冷器中發(fā)生，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)能潛力。

2)非標(biāo)準(zhǔn)條件下的耗電量實(shí)驗(yàn)表明：經(jīng)過(guò)優(yōu)化，樣機(jī)Ⅱ比樣機(jī)Ⅰ節(jié)能16%。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，測(cè)得樣機(jī)Ⅱ的日耗電量為1.15 kW·h，比改造前的系統(tǒng)節(jié)能8%，證明耦合雙循環(huán)冰箱具有一定的節(jié)能潛力。

因當(dāng)前冰箱節(jié)能效果一定程度上受冷凝壓力降低的影響，下一步研究需在穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)的前提下優(yōu)化系統(tǒng)，進(jìn)一步提升冰箱的性能。

符號(hào)說(shuō)明

p——壓力，kPa

P——功率，W

T——溫度，℃

E——耗電量，kW·h/24 h

下標(biāo)

cond——冷凝

evap——蒸發(fā)

R——冷藏循環(huán)

F——冷凍循環(huán)

in——進(jìn)口

out——出口

sc——過(guò)冷

sh——過(guò)熱

sat——飽和

ext——環(huán)境