變頻冰箱性能影響因素的實驗研究*

王增杰，徐 鳴，黃躍進，顧江萍，沈 希

（浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014）

0 引 言

當前的冰箱市場上，直冷式單循冰箱占據(jù)了主要地位。而在單循環(huán)冰箱中，冷藏、冷凍蒸發(fā)器采用了串聯(lián)的連接方式，各室溫度則是通過壓縮機的開/停來控制的。由于冷藏室溫度的控制要求較嚴格，溫度控制器一般置于冷藏室內(nèi)。相對于冷藏室，冷凍室溫度的控制主要是通過冷藏、冷凍蒸發(fā)器的面積匹配來實現(xiàn)的［1］。而冰箱冷藏、冷凍蒸發(fā)器的面積只能在特定的條件下進行匹配，當冰箱運行工況發(fā)生改變時，兩者之間的匹配關系也會發(fā)生變化。因此對于輸氣量確定的定頻壓縮機，研究者就很難去控制冷凍室的溫度。而隨著變頻壓縮機的出現(xiàn)，研究人員通過控制壓縮機轉(zhuǎn)速的變化來改變輸氣量，使冰箱溫度控制的性能得到了改善。但要使冰箱溫度控制設計得更加合理、冰箱能耗最少，研究人員還需對變頻制冷系統(tǒng)在不同的工作環(huán)境溫度下運行的特性進行深入的研究。

文獻［2］研究了環(huán)境溫濕度對制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器熱負荷的影響；文獻［3］介紹了環(huán)境溫濕度對陳列柜制冷系統(tǒng)的運行特性影響并做了相關的研究；文獻［4］給出了不同環(huán)境溫度對直冷式冰箱結(jié)構(gòu)設計進行了影響分析；文獻［5］對制冷壓縮機變轉(zhuǎn)速工況下進行了實驗研究；文獻［6］對變頻壓縮機的變工況運行的性能曲線進行了研究。

本研究參考以上文獻的研究實驗方法，以雙溫室的變頻冰箱為研究對象，在不同的環(huán)境溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速等工況下，從冰箱制冷系統(tǒng)制冷量和熱負荷的關系角度來分析冰箱箱內(nèi)溫度變化和能耗等特性，從而為變頻冰箱的控制策略研究提供一定參考。

1 變頻冰箱性能影響因素的分析

1.1 環(huán)境溫度對普通冰箱熱負荷影響

冰箱制冷系統(tǒng)的工作過程可以簡單描述為壓縮機產(chǎn)生制冷量去克服冰箱熱負荷的過程。冰箱制冷系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，制冷系統(tǒng)的熱負荷主要是箱體的漏熱量Q漏：

式中：K—箱體傳熱系數(shù)，F(xiàn)—箱體傳熱面積，t1—環(huán)境溫度，t2—箱內(nèi)溫度。

當冰箱箱體設計完成后，K·F即確定，因此冰箱的熱負荷與環(huán)境溫度t1及箱內(nèi)溫度t2有關。冰箱的熱負荷會隨著環(huán)境溫度的改變而不同，而且制冷系統(tǒng)的制冷量也隨著環(huán)境溫度不同而異，環(huán)境溫度和冰箱性能的簡單關系如圖1所示。當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，冰箱內(nèi)兩室的漏熱比也會發(fā)生改變［7］。以國際規(guī)定的溫帶型三星級冰箱為例：環(huán)境溫度t1取32℃、16℃和5℃。當t1為32℃時，冷藏室溫度tm為5℃；t1為16℃、5℃時，tm為0℃。冷凍室溫度均取-18℃，則不同環(huán)境溫度下兩室的漏熱量及漏熱比如表1所示。

圖1 環(huán)境溫度與冰箱性能關系圖

由表1可知，隨著環(huán)境溫度的降低，冷凍室與冷藏室的漏熱量比會增大，也就是冷凍室需要的相對制冷量會相應的增加。所以環(huán)境溫度低時很難達到冷凍室和冷藏室的溫度要求，如：環(huán)境溫度為16℃時，冷藏室溫度已達到0℃時，冷凍室溫度還未達到-18℃。

表1 各環(huán)境溫度下的冰箱溫室漏熱量及漏熱比

因此，當實際工作的環(huán)境溫度不同于設計的環(huán)境溫度時，會對冰箱制冷系統(tǒng)造成一定的影響：①引起冰箱制冷系統(tǒng)熱負荷的變化，使系統(tǒng)對制冷量的需求發(fā)生改變；②引起制冷系統(tǒng)的實際制冷能力的變化；③造成冰箱兩溫室漏熱比的變化，使兩室對冷量的需求發(fā)生改變，使兩室的溫度匹配發(fā)生改變。

1.2 變頻冰箱應對環(huán)境溫度影響的優(yōu)勢

由熱負荷、制冷量與環(huán)境溫度三者的關系可知，制冷系統(tǒng)的熱負荷隨環(huán)境溫度增加而增加，系統(tǒng)的制冷量隨環(huán)境溫度增加而減小。為了能夠達到所需制冷溫度的要求，定速壓縮機制冷系統(tǒng)設計時一般要求制冷系統(tǒng)制冷量要比最大負荷略大一些。但在實際的工作中，系統(tǒng)處于最大負荷的工作時間只有10%～20%，在大多數(shù)的運轉(zhuǎn)時間內(nèi)系統(tǒng)的制冷量都大于熱負荷［8］。當制冷量遠大于熱負荷時，箱內(nèi)溫度下降就會變快，因此制冷系統(tǒng)的停開次數(shù)就會增多，這對制冷系統(tǒng)的能耗是不利的。

而變頻壓縮機可以通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)輸氣量，產(chǎn)生不同的制冷量，制冷量與變頻壓縮機轉(zhuǎn)速成正比關系。因此，變頻冰箱可以很好地適應環(huán)境溫度，通過改變壓縮機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同的制冷量來滿足冰箱熱負荷的變化，可以實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的最佳能量匹配，使得能耗得到改善。

隨著變頻壓縮機產(chǎn)生制冷量的不同，冷藏與冷凍的蒸發(fā)器面積匹配關系會發(fā)生改變［9］。當壓縮機的輸氣量增大時，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對制冷量會增大。因此，本研究可以通過改變變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速，也可以通過有效調(diào)節(jié)環(huán)境溫度因素對冷藏室和冷凍室相對冷量的影響，使冷藏室冷凍室的溫度匹配得到改善。

2 變頻冰箱性能影響的實驗分析

2.1 實驗條件與方法

該實驗的測試冰箱采用青島海信集團的變頻冰箱：該冰箱是直冷式單循環(huán)變頻冰箱，只設置冷藏室的溫度，它是“上冷藏室、下冷凍室”結(jié)構(gòu)，其中冷藏室容量為111 L，冷凍室容量為75 L，制冷劑R600a，充注量50 g，變頻壓縮機的型號為C-BHV120LH。筆者通過一套冰箱測控系統(tǒng)對冰箱進行實驗分析，測試是在能設定各種環(huán)境溫度的環(huán)境實驗房里進行的，測控系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)原理圖

實驗方法：以冷藏室溫度為控制目標，改變變頻冰箱的工作環(huán)境溫度、壓縮機轉(zhuǎn)速等因素，通過記錄冷凍室的溫度和冰箱能耗等變化分析其對性能的影響。為了研究變頻冰箱的性能影響因素，本研究進行了8個工況的測試，實驗測試工況如表2所示。

表2 實驗測試工況

2.2 實驗結(jié)果及分析

2.2.1 不同環(huán)境溫度對制冷系統(tǒng)影響的分析

首先，本研究給定冷藏室溫度控制目標在4℃～8℃，壓縮機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min工況時，在不同的環(huán)境溫度下（即工況1，2，3，4），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機運轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖3、表3所示。

由圖3和表3可知，當壓縮機工作在1 800 r/min時，隨著環(huán)境溫度的升高，冷凍室的平均溫度會相應下降。但環(huán)境溫度過高時，冷凍室平均溫度會上升，壓縮機的開停比例和耗電量會隨著環(huán)境溫度的上升而增加。

圖3 不同環(huán)境溫度下冰箱冷凍室溫度曲線

表3 不同環(huán)境溫度下冰箱制冷系統(tǒng)特性

由上一節(jié)的漏熱比分析可知，環(huán)境溫度低時，冷凍室需要的相對冷量要比環(huán)境溫度高時要多；當控制相同的冷藏室溫度，環(huán)境溫度低時，冷凍室得到的相對冷量就少。因此，冷凍室的平均溫度會相對較低。冰箱冷凍室熱負荷由環(huán)境溫度與冷凍室溫度差決定。當環(huán)境溫度較高時，隨著冷凍室溫度的下降，熱負荷會加大，壓縮機在1 800 r/min轉(zhuǎn)速工作時產(chǎn)生的制冷量難以滿足冰箱熱負荷的要求，冷凍室溫度就很難下降。因此，環(huán)境溫度過高將導致冷凍室下限溫度相對較高。

當以冷藏室溫度控制為目標且當壓縮機轉(zhuǎn)速一定時，壓縮機的制冷量與環(huán)境溫度呈非線性關系。壓縮機的制冷量隨著環(huán)境溫度的降低而增大，但當環(huán)境溫度下降到一定程度時制冷量又會下降。當環(huán)境溫度高時，熱負荷高且制冷量低，因此冰箱運行時間多；當環(huán)境溫度低時，雖然熱負荷很低，但壓縮機產(chǎn)生的制冷量也相對少，因此工作于16℃和20℃時的壓縮機運行時間的差值不是很大。

2.2.2 不同壓縮機轉(zhuǎn)速對制冷系統(tǒng)影響的分析

其次，本研究給定冷藏室溫度控制在4℃～8℃，環(huán)境溫度為25℃工況時，在不同的壓縮機轉(zhuǎn)速下，冰箱冷凍室溫度變化曲線（即工況3，5，6），壓縮機運轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖4、表4所示。

圖4 不同壓縮機轉(zhuǎn)速下冰箱冷凍室溫度曲線

表4 不同轉(zhuǎn)速下冰箱制冷系統(tǒng)特性

由圖4和表4可知，當環(huán)境溫度相同時，隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的升高，冷凍室平均溫度會相應下降，壓縮機運行的相對時間變小，耗電量增大。

變頻壓縮機工作于不同的工況下，會有不同的熱力學性能。文獻［11］已經(jīng)對型號為C-BHV120LH的變頻壓縮機進行了熱力性能分析。制冷量與變頻壓縮機轉(zhuǎn)速成正比關系，壓縮機轉(zhuǎn)速越高則產(chǎn)生的制冷量越大，溫度下降越快。因此如果壓縮機以3 900 r/min工作時，冰箱單位周期運行的時間最短。而冰箱制冷系統(tǒng)的COP（Coefficient of Performance）在一定的工況下與變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速呈非線性關系，當轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，COP最大。因此，當壓縮機以1 800 r/min工作時，冰箱日耗電量最省。

冰箱冷藏室和冷凍室得到的相對制冷量會隨著變頻壓縮機轉(zhuǎn)速的不同而改變。當壓縮機的輸氣量增大時，冷凍室與冷藏室相比，冷凍室得到的相對制冷量會增大。因此，控制相同的冷藏室溫度的情況下，冷凍室平均溫度會隨著壓縮機轉(zhuǎn)速的增大而相應降低。

2.2.3 不同冷藏控制溫度對制冷系統(tǒng)影響的分析

最后，本研究在給定壓縮機轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，環(huán)境溫度為25℃時，設定不同的冷藏室溫度（即工況3，7，8），冰箱冷凍室溫度變化曲線、壓縮機運轉(zhuǎn)情況和耗電量分別如圖5、表5所示。

圖5 不同冷藏控制溫度下冰箱冷凍室的溫度曲線

表5 不同低溫熱源制冷系統(tǒng)特性

由圖5和表5可知，在相同環(huán)境溫度和壓縮機轉(zhuǎn)速下，隨著冷藏室目標控制溫度的下降，冷凍室的平均溫度也相應下降，壓縮機的運行時間也相應的增加，耗電量也相應增大。

當冷藏室目標控制溫度下降時，冷藏室的漏熱量會相應增大，根據(jù)漏熱比分析，冷凍室的漏熱量也會增大，因此，冷凍室溫度會相應降低。當以冷藏室溫度控制為目標時，壓縮機的運行時間由制冷量和冷藏室熱負荷決定。當冷藏室目標控制溫度降低時，漏熱量相應增大，即熱負荷增大；而在相同環(huán)境溫度和轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的制冷量相同，因此壓縮機的運行時間會相應增多，能耗也會增多。

3 結(jié)束語

本研究對變頻冰箱在不同工作環(huán)境下的性能進行了實驗研究，并對實驗測得的數(shù)據(jù)進行了分析。冰箱的熱負荷會隨著環(huán)境溫度的不同而改變，其冷藏室和冷凍室的溫度匹配關系也會發(fā)生變化。在冰箱控制策略的設計中應充分考慮環(huán)境溫度的變化。研究者可以通過低溫熱源補償和改變壓縮機的制冷量的方法，來實現(xiàn)冰箱冷藏室冷凍室的匹配控制。根據(jù)熱負荷來改變壓縮機制冷量，可以實現(xiàn)能量的最佳匹配，實現(xiàn)溫度準確控制和節(jié)能的目的。

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