徐 珂，冀盛亞

（1.河南工學(xué)院 工程技術(shù)教育中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學(xué)院 電纜工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

隨著國家能效標(biāo)準(zhǔn)GB12021.2—2015 的實施，消費者對家電產(chǎn)品的能耗要求也越來越高，節(jié)能環(huán)保冷柜已經(jīng)成為冷柜產(chǎn)品開發(fā)的一大趨勢。家電制造企業(yè)應(yīng)適應(yīng)消費者的需求，在降低冷柜的耗電量上下功夫。

冷柜節(jié)能一般從兩個方面考慮：一是如何有效利用冷量，減少冷量損失，即提高冷量利用率和改善冷柜箱體絕熱，包括使用高效壓縮機、加厚絕熱層或使用真空絕熱板等；二是如何進行高效能量轉(zhuǎn)換，即設(shè)計高效節(jié)能制冷回路，如合理的制冷循環(huán)形式、蒸發(fā)器及冷凝器優(yōu)化設(shè)計、合適的壓縮機開停時間等[1]。

選用高效壓縮機、加厚絕熱層會導(dǎo)致冷柜成本增加，不易被市場接受。所以研究冷柜制冷系統(tǒng)的合理布局，是降低冷柜耗電量、提高能效的首選。

冷柜的制冷裝置有兩種，一種是上供下回的供液裝置，這種裝置蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)約為5000kW/m2；另一種是下供上回的供液裝置，這種改變傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中制冷劑的流動方向，制冷劑在管路中反向流動(由下向上)，能充分地沸騰換熱，吸收更多熱量，同時使吸熱蒸發(fā)的制冷劑氣體更易于被壓縮機吸入，可增加壓縮機的制冷劑吸入量，使壓縮機實際的工作時間減少，降低了能耗，而且單位時間內(nèi)制冷劑蒸發(fā)比較充分，蒸發(fā)器管的傳熱系數(shù)提高到 8000kW/m2。[2,3]。

本文根據(jù)冷柜的兩種制冷方式設(shè)計了三種制冷系統(tǒng)管路布局方案，使制冷系統(tǒng)內(nèi)部制冷劑通過毛細管節(jié)流后所形成的低溫低壓液體分別流向冷柜的不同部位，通過對比試驗，尋找出影響冷柜能耗的因素，在滿足冷柜能耗達到新國標(biāo)能耗要求的條件下，選擇最合理的方案。

1 制冷系統(tǒng)布局方案

本文以BCD-192 臥式雙箱冷柜為例，其冷凍室有效容積為100L，冷藏室有效容積為92L，二級能效限定值為0.625kwh/24h[4]。

三種制冷系統(tǒng)管路布局方案如下：

方案一：制冷劑首先流向冷藏室上部，雙毛細管系統(tǒng)（如圖1）。

圖1 制冷系統(tǒng)流向：先走冷藏室上部

方案二：制冷劑首先流向冷凍室上部（如圖2）。

圖2 制冷系統(tǒng)流向：先走冷凍室上部

方案三：制冷劑首先流向冷凍室下部（如圖3）。

圖3 制冷系統(tǒng)流向：先走冷凍室下部

2 性能試驗及分析

2.1 試驗設(shè)備、裝置和試驗方法

試驗設(shè)備及裝置：冰箱性能試驗監(jiān)測室、計算機溫度采集及分析系統(tǒng)、M 試驗包、銅圓柱測溫點、標(biāo)準(zhǔn)測溫點等。

試驗方法：將三種制冷系統(tǒng)的試驗樣機各一臺放置于冰箱性能試驗室中，按照國標(biāo)要求在環(huán)境溫度16℃和32℃，相對濕度45%～75%條件下分別進行測試，在冷凍室布M 試驗包，冷藏室布銅圓柱測溫點（見圖4）[5]。將冷柜通上電源，調(diào)整溫控器檔位，保證冷凍室M 試驗包最高點溫度≤-18℃，冷藏室溫度在國標(biāo)規(guī)定的范圍并且≤4℃。在冷柜連續(xù)工作24 小時后并處于穩(wěn)定狀態(tài)時，通過計算機溫度采集與分析系統(tǒng)記錄三臺樣機的溫度數(shù)據(jù)及曲線，計算出耗電量。

圖4 試驗包及測溫點布點圖

2.2 耗電量測試結(jié)果

在冷凍室M 試驗包最高點溫度≤-18℃條件下，測得耗電量測試曲線如圖5、6、7 所示。計算出三種樣機耗電量，見表1。

圖5 方案一的耗電量溫度曲線（部分）

圖6 方案二的耗電量溫度曲線（部分）

圖7 方案三的耗電量溫度曲線（部分）

表1 BCD-192 冷藏冷凍箱耗電量一覽表

2.3 耗電量分析

（1）方案一：制冷劑經(jīng)壓縮機壓縮、冷凝器放熱后，經(jīng)過第一毛細管節(jié)流后形成低溫低壓液體，進入冷藏室蒸發(fā)器，吸熱后再經(jīng)第二毛細管節(jié)流進入冷凍室蒸發(fā)器。由第二毛細管節(jié)流所造成的有效能損失，在制冷劑為R12、R134a 時分別占輸入功的11.29%、12.01%[6]，使得冷凍室溫度波動較大，耗電量達不到二級能效限定值。

（2）方案二：制冷劑經(jīng)毛細管節(jié)流后，進入冷凍室蒸發(fā)器上部，再走冷藏室上部。由于制冷劑流過冷凍盤管后要反向流動(由下向上)到冷藏盤管的上部，冷藏盤管雖然可以充分利用蒸發(fā)器的末端蒸發(fā)換熱，來滿足4℃的冷藏溫度要求，但制冷劑的流動受沿程阻力影響，盤管豎向布置會使制冷劑在管路中流動阻力增大，產(chǎn)生有害壓降，使系統(tǒng)制冷量減少，換熱效率低，制冷劑蒸發(fā)不充分，節(jié)能率低。

該方案耗電量比方案一小。

（3）方案三：制冷劑經(jīng)毛細管節(jié)流后，進入冷凍室蒸發(fā)器下部，再走冷藏室上部，改變了傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中制冷劑的流動方向,制冷劑可以在管路中吸收更多熱量，充分沸騰換熱，同時冷藏盤管充分利用蒸發(fā)器的末端蒸發(fā)換熱，來滿足4℃的冷藏溫度要求，降低了耗電量，提高了能效指數(shù)。這種下供上回滿液式供液蒸發(fā)冷柜，制冷劑經(jīng)過毛細管節(jié)流后，從蒸發(fā)器下口進入蒸發(fā)器，由下向上進行蒸發(fā)，氣態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器上口進回氣管組，再回到壓縮機；沒有充分蒸發(fā)的制冷劑仍留在蒸發(fā)器下部形成滿液式蒸發(fā)，進一步沸騰蒸發(fā)，直至完全汽化。這種方案單位時間內(nèi)制冷劑蒸發(fā)比較充分，蒸發(fā)器管的傳熱系數(shù)提高到8000kW/m2，提高了單位時間制冷量，使壓縮機實際的工作時間減少，降低了能耗[7]。

相比之下，方案三的耗電量最小，達到國標(biāo)二級能效要求。

3 高溫負載試驗

3.1 32℃高溫負載試驗（冷凍室放入瓶裝水）

制冷系統(tǒng)方案在滿足國標(biāo)所要求的耗電量的同時，需考慮消費者的使用習(xí)慣。

使用冷柜銷售冰糕、瓶裝水的用戶，在夏天習(xí)慣將環(huán)境溫度下的一箱(24 瓶)或兩箱(48 瓶)瓶裝水一次性放入冷凍室。這時，冷凍室與冷藏室的熱負荷迅速發(fā)生變化，冷凍室需要大量的冷量來降低瓶裝水溫度，冷藏室溫度就會升高。

按三種方案制作試驗樣機分別進行試驗。將環(huán)境溫度調(diào)整為32℃，冷凍室放入占冷凍室容積50%的冷凍負載（試驗包），冷藏室布置銅質(zhì)圓柱。調(diào)整溫控器使冷凍室溫度達到-18℃，穩(wěn)態(tài)后運行6 個小時，在冷凍室放入40 瓶瓶裝水進行試驗。試驗結(jié)果見表2。

表2 BCD-192 冷藏冷凍箱高溫負載試驗

試驗結(jié)果表明：三種方案在放入瓶裝水后，除方案一超標(biāo)外，方案二與方案三冷藏室溫度都小于4℃，符合國標(biāo)要求。

3.2 32℃高溫負載試驗（冷藏室放入瓶裝水）

將環(huán)境溫度調(diào)整為32℃，冷凍室放入占冷凍室容積50%的冷凍負載（試驗包），調(diào)整溫控器使冷凍室溫度達到-18℃，穩(wěn)態(tài)后運行6 個小時，在冷藏室放入20 瓶瓶裝水進行試驗（冷凍室溫度穩(wěn)態(tài)后，方案一、二的冷藏室溫度變化一致，只取方案二數(shù)據(jù)即可）。試驗結(jié)果見表3。

表3 BCD-192 冷藏冷凍箱高溫負載試驗

試驗結(jié)果顯示：5 小時后方案三冷藏室水點平均溫度比方案二低0.72℃，方案三降溫速度快。

4 結(jié)論

（1）方案一耗電量最大，無法通過調(diào)整制冷方式達到國標(biāo)能耗要求。

（2）方案二耗電量居中，能耗滿足國標(biāo)要求。但能耗值與標(biāo)準(zhǔn)值接近，調(diào)整空間小，冷柜生產(chǎn)時如制冷管路與內(nèi)膽貼附不嚴(yán)，很容易出現(xiàn)制冷差等批量事故。

（3）方案三耗電量最小，能較好滿足國標(biāo)能耗要求。采用這種下供上回的供液裝置、制冷劑流向先走冷凍室下部再走冷藏室上部的制冷系統(tǒng)，避免了不能滿足能耗要求而必須開發(fā)全新產(chǎn)品的問題，可節(jié)省巨大的模具投入費用和產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)費用。