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        輕商冷柜壓縮機(jī)由定頻切換變頻時的系統(tǒng)匹配實(shí)驗(yàn)研究

        2021-11-09 11:17:40宋雪娜李鶴王雙飛
        家電科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        宋雪娜 李鶴 王雙飛

        思科普壓縮機(jī)(天津)有限公司 天津 301700

        1 引言

        目前,我國正在積極加快生態(tài)文明建設(shè),促進(jìn)綠色消費(fèi),推動高質(zhì)量發(fā)展,努力參與全球環(huán)境治理,這對制冷行業(yè)的發(fā)展也提出了新的要求。根據(jù)多部委聯(lián)合頒發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》要求,到2022年,商用冷柜、冷藏陳列柜的能效準(zhǔn)入水平要提高20%,綠色高效產(chǎn)品市場占有率要提高20%;到2030年,能效準(zhǔn)入水平要再提高15%,綠色高效產(chǎn)品的市場占有率提高40%[1]。對于輕商冷柜來說,能效的提升已是迫在眉睫的需求。

        變頻壓縮機(jī)因?yàn)榫哂懈吣苄?、低功耗、寬冷力覆蓋范圍,低噪音、低震動,柜內(nèi)溫度波動小,高可靠性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn),成為輕商冷柜提高能效時首先考慮選用的壓縮機(jī)類型。變頻壓縮機(jī)可以根據(jù)柜體的熱負(fù)荷調(diào)整轉(zhuǎn)速,熱負(fù)荷大時以高轉(zhuǎn)速大冷量快速將柜內(nèi)溫度拉到設(shè)定溫度,熱負(fù)荷低時以低轉(zhuǎn)速低功率保持冷柜以低能耗的狀態(tài)運(yùn)行。與定頻壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)相比較,變頻壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)具有制冷量可變、制冷劑流量可變、運(yùn)轉(zhuǎn)率高等特點(diǎn)。在制冷系統(tǒng)匹配上,變頻壓機(jī)系統(tǒng)的節(jié)流裝置和換熱器需要兼顧高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速時的制冷要求。在冷柜溫控和輔助耗能部件如風(fēng)扇、除霜加熱器、防凝露加熱器的控制上,需要根據(jù)變頻壓縮機(jī)高運(yùn)轉(zhuǎn)率的特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)改善,以進(jìn)一步減少柜體的能耗。

        本文以一臺高端不銹鋼廚房柜為對象,匹配Secop R290變頻壓縮機(jī)SLVE18CN進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),研究了制冷系統(tǒng)從定頻壓縮機(jī)改為變頻壓縮機(jī)時需要對制冷系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行的優(yōu)化,并通過能耗實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了優(yōu)化措施對能耗的影響。

        2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

        本文所研究的冷柜為立式三門不銹鋼冷凍柜,如圖1所示,外尺寸為2050 mm×830 mm×1630 mm,毛容積2000 L,設(shè)計適用環(huán)境為氣候類型4(30℃/55%RH)。柜內(nèi)采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流換熱,翅片式蒸發(fā)器位于柜內(nèi)頂部,壓縮機(jī)和冷凝器位于冷柜底部。節(jié)流原件采用毛細(xì)管,蒸發(fā)器的化霜采用電加熱方式。

        圖1 不銹鋼廚房冷凍柜實(shí)物圖

        冷柜的制冷系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)在制冷系統(tǒng)各部位布置傳感器,以監(jiān)測系統(tǒng)各部位的溫度和壓力變化。系統(tǒng)優(yōu)化時需要參考的指標(biāo)一般有:壓縮機(jī)的吸排氣壓力和溫度,換熱器進(jìn)口、中間和出口的溫度,冷柜內(nèi)部的溫度,壓縮機(jī)負(fù)荷率,系統(tǒng)運(yùn)行的功率等等。

        圖2 冷柜制冷系統(tǒng)圖

        3 系統(tǒng)優(yōu)化分析

        3.1 變頻壓縮機(jī)的選型

        定頻壓縮機(jī)系統(tǒng)切換變頻壓縮機(jī)時,通常選用最高轉(zhuǎn)速的制冷量與原來的定頻壓縮機(jī)相近的變頻壓縮機(jī),以滿足冷柜的最大制冷量需求。本文研究的冷柜原裝壓縮機(jī)為某型號排量為27.8 cc的R290定頻壓縮機(jī),選型時挑選了最高轉(zhuǎn)速制冷量與原裝壓機(jī)相近,但COP更高的變頻壓縮機(jī)SLVE18CN。兩臺壓縮機(jī)的冷量對比如表1所示。

        表1 壓縮機(jī)制冷量(ASHRAE LBP)

        3.2 毛細(xì)管和制冷劑充注量的優(yōu)化

        定頻制冷系統(tǒng)更換變頻壓縮機(jī)時,需要對毛細(xì)管和制冷劑充注量進(jìn)行優(yōu)化。變頻制冷系統(tǒng)因?yàn)閴嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速可變,工況的變化比定頻壓縮機(jī)系統(tǒng)更為復(fù)雜。毛細(xì)管和制冷劑充注量的選擇不但要考慮環(huán)境因素,還要考慮不同轉(zhuǎn)速的影響。

        因?yàn)椴煌?xì)管規(guī)格對應(yīng)的制冷劑最佳充注量也不同,通常先確定毛細(xì)管的規(guī)格,然后再進(jìn)行制冷劑充注量優(yōu)化。變頻壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)的毛細(xì)管流量和制冷劑充注量確定通常采用以下流程:

        (1)計算壓縮機(jī)在冷柜常用工況下中高轉(zhuǎn)速的制冷量和所需毛細(xì)管流量,一般選擇轉(zhuǎn)速范圍2/3處對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

        (2)用毛細(xì)管流量計測量系統(tǒng)原始毛細(xì)管的流量,調(diào)整毛細(xì)管的長度,使其滿足所需的流量。

        (3)確認(rèn)冷凝器出口液體溫度過冷度,合適的毛細(xì)管過冷度一般為1~2℃。

        (4)在壓縮機(jī)最大轉(zhuǎn)速、持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下調(diào)整充注量,由少到多。記錄并繪制制冷系統(tǒng)各部位的溫度、壓縮機(jī)吸排氣壓力和系統(tǒng)功率的變化曲線。合適的充注量既能滿足蒸發(fā)器出口過熱度小的要求,又能使系統(tǒng)功率較低。

        (5)確認(rèn)當(dāng)前毛細(xì)管和充注量是否滿足高環(huán)溫高轉(zhuǎn)速、低環(huán)溫低轉(zhuǎn)速和常用運(yùn)行環(huán)境的運(yùn)行要求。

        本實(shí)驗(yàn)所研究的冷柜常用的運(yùn)行環(huán)境溫度和濕度是氣候類型4(30℃/55%RH),柜內(nèi)溫度控制在-18℃±2℃。SLVE18CN變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為4500 r/min~2200 r/min,據(jù)此選定了用于計算毛細(xì)管流量的運(yùn)行工況和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,并用Secop毛細(xì)管流量計算工具計算了相應(yīng)的毛細(xì)管流量,見表2。

        表2 毛細(xì)管流量計算

        隨后的毛細(xì)管流量測試結(jié)果顯示,系統(tǒng)的原始毛細(xì)管在10 bar壓差下的流量為25.8 L/min,截短20 cm后流量達(dá)到26.2 L/min,達(dá)到了計算出的流量范圍。經(jīng)運(yùn)行測試確認(rèn),冷凝器出口的過冷度在1~2℃范圍內(nèi),毛細(xì)管的流量是合適的。

        最佳制冷劑充注量是通過實(shí)驗(yàn)所測得的制冷劑充注量-溫度/功率曲線來選擇。如圖3所示,在4500 r/min轉(zhuǎn)速下,系統(tǒng)蒸發(fā)壓力對應(yīng)的溫度和系統(tǒng)功率隨充注量的變化不顯著,但蒸發(fā)器出口過熱度變化明顯。當(dāng)制冷劑充注量小于180 g時,蒸發(fā)器出口溫度明顯高于蒸發(fā)器入口和中部。當(dāng)制冷劑充注量到180 g及以上時,蒸發(fā)器中部及出口溫度曲線基本重合,出口過熱度在1℃以下。如圖4所示,在2200 r/min轉(zhuǎn)速下,蒸發(fā)壓力對應(yīng)溫度、功率和蒸發(fā)器溫度都隨制冷劑增加有明顯變化。雖然制冷劑充注量在大于200 g時,蒸發(fā)器出口過熱度較小。但制冷劑充注量大于180 g時,蒸發(fā)壓力對應(yīng)溫度和系統(tǒng)功率明顯上升。考慮到這臺冷柜在穩(wěn)定運(yùn)行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2200 r/min,充注量的選擇應(yīng)保證2200 r/min時的功率較低。因此最佳充注量確定為180 g。之后進(jìn)行的高轉(zhuǎn)速拉溫和穩(wěn)定運(yùn)行測試也顯示180 g充注量可以滿足高負(fù)荷和低負(fù)荷時的要求。

        圖3 充注量-溫度/功率曲線[4500 RPM]

        圖4 充注量-溫度/功率曲線[2200 RPM]

        3.3 化霜控制的優(yōu)化

        電加熱化霜控制參數(shù)包括化霜周期、化霜加熱時間、化霜加熱停止條件、滴水時間、化霜滴水后蒸發(fā)風(fēng)扇的開啟條件等。電加熱化霜方式用于化霜的熱量中僅15%有效,其余85%用于加熱蒸發(fā)器盤管[2]?;訜徇^程中,蒸發(fā)器上的溫度分布是不均勻的,蒸發(fā)器下端靠近加熱管的區(qū)域溫度相對較高[3],而距離加熱管較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度較低較難清除結(jié)霜?;刂苾?yōu)化關(guān)鍵是在保證蒸發(fā)器結(jié)霜能得到及時清除的前提下,盡量減少化霜加熱引入柜內(nèi)的熱量。因?yàn)檫@部分熱量增加了柜內(nèi)熱負(fù)荷,引起柜內(nèi)溫度的波動,對冷柜能耗的優(yōu)化有負(fù)面的影響。本文研究的冷凍柜的化霜加熱管設(shè)置在蒸發(fā)器下方,功率為950 W,化霜過程采用時間和溫度參數(shù)控制,蒸發(fā)器溫度探頭設(shè)置在距離化霜加熱管較遠(yuǎn)的蒸發(fā)器入口處?;K止溫度為6℃,化霜加熱終止后2 min蒸發(fā)風(fēng)扇開啟。實(shí)際測試顯示,原始設(shè)置下能夠保證蒸發(fā)器上的結(jié)霜及時清除,但化霜后蒸發(fā)風(fēng)扇開啟時,蒸發(fā)器中部的溫度還在15℃左右,蒸發(fā)器上的熱量被風(fēng)扇吹進(jìn)了柜內(nèi),引起M包的溫度顯著上升,也使化霜后的拉溫時間較長。

        為降低化霜后卷入柜內(nèi)的熱量,對蒸發(fā)風(fēng)扇開啟條件進(jìn)行了優(yōu)化。測試發(fā)現(xiàn),當(dāng)蒸發(fā)風(fēng)扇開啟條件改為蒸發(fā)器溫度探頭達(dá)到0℃時,卷入冷柜內(nèi)的熱量大大減少。如表3所示,M包的溫升、化霜后的拉溫時間以及穩(wěn)定運(yùn)行耗電量都有明顯改善。

        表3 電加熱化霜控制參數(shù)優(yōu)化

        3.4 輔助部件的能耗優(yōu)化

        冷凍柜的一些輔助部件的能耗也對其整體能耗有顯著影響,尤其對于隨著壓縮機(jī)的開停一起開停的附件,如冷凝風(fēng)扇、防凝露加熱器等,由于變頻壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率較高,這些部件的運(yùn)轉(zhuǎn)率和耗電量也會跟著增加,這樣就會抵消一部分變頻壓縮機(jī)帶來的能效提升。

        本文將冷柜原裝的低效率冷凝風(fēng)扇電機(jī)更換為高效電機(jī)后,冷凝風(fēng)扇功率由62 W降低到25 W,下降59.7%。若按照壓縮機(jī)78%的運(yùn)轉(zhuǎn)率估計,采用高效率電機(jī)的冷凝風(fēng)扇每天可節(jié)約0.693 kW·h。

        冷柜門框的防凝露加熱絲原來的控制邏輯為跟隨壓縮機(jī)一起開停。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),運(yùn)轉(zhuǎn)過程中門框外表面的溫度上升到45℃,不但耗費(fèi)電能,而且向柜內(nèi)導(dǎo)入了額外的熱負(fù)荷。當(dāng)將防凝露加熱絲的開啟周期設(shè)定為5 min~10 min,開啟率設(shè)定為40%時,即可使冷柜門框外表面的溫度在凝露溫度以上。若按照壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)率78%估計,更改控制邏輯后,防凝露加熱絲每日的能耗可以節(jié)約1.806 kW·h。

        4 耗電量測試結(jié)果

        本文按照前述的分析對冷凍柜的系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,并按照SBT 10794.2-2012《商用冷柜 第2部分:分類、要求和試驗(yàn)條件》的規(guī)定的方法檢驗(yàn)了冷凍柜更換變頻壓縮機(jī)前后的耗電量變化,按照GB 26920.2-2015《商用制冷器具能效限定值和能效等級 第2部分:自攜冷凝機(jī)組商用冷柜》的規(guī)定進(jìn)行了能效等級計算。測試顯示,當(dāng)原來的定頻壓縮機(jī)更換為變頻壓縮機(jī),并且對毛細(xì)管和制冷劑充注量進(jìn)行了優(yōu)化后,冷凍柜的日耗電量降低了23%,能耗等級由3級上升為1級。在此基礎(chǔ)上再對化霜控制進(jìn)行了合理優(yōu)化,并且采用高效率冷凝風(fēng)扇電機(jī)和對防凝露加熱器控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化后,日耗電量降低達(dá)37%。

        5 結(jié)論

        本文以某型號不銹鋼廚房冷凍柜為載體,研究了輕商冷柜由定頻壓縮機(jī)切換為變頻壓縮機(jī)時需要對制冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助部件的優(yōu)化,并且對優(yōu)化前后進(jìn)行能耗測試對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):

        (1)匹配合適的變頻壓縮機(jī)可以顯著降低冷柜的整體能耗,使冷柜的耗電量降低23%,能效等級由3級提升到1級;

        (2)對毛細(xì)管流量和制冷劑充注量的優(yōu)化能使變頻壓縮機(jī)的運(yùn)行工況更為合理,有利于降低能耗;

        (3)對化霜控制參數(shù)的優(yōu)化可以有效減少化霜加熱后卷入柜內(nèi)的熱量,使化霜后的拉溫時間由27 min降低為18 min,穩(wěn)定運(yùn)行耗電量降低9%;

        (4)對主要耗電的輔助部件的功率和控制邏輯的優(yōu)化可以有效降低附件的耗電量,疊加變頻壓縮機(jī)的節(jié)能效果,能使冷柜整體能耗降低達(dá)37%。

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