節(jié)能冰箱及其冷凝器設(shè)計?

邵秀利，趙小月，王世峰，張德海

（1.河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002；2.新鄉(xiāng)工神鍋爐有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002；3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

節(jié)能冰箱及其冷凝器設(shè)計?

邵秀利1，趙小月2，王世峰2，張德海3

（1.河南新飛電器有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002；2.新鄉(xiāng)工神鍋爐有限公司，河南新鄉(xiāng) 453002；3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南鄭州 450002）

針對冰箱行業(yè)大力推廣節(jié)能冰箱，系統(tǒng)介紹了常用的節(jié)能方法。以冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計和箱體冷藏室、冷凍室防凝露設(shè)計為例，分析存在的關(guān)鍵問題，進行了理論上的計算。該研究為相關(guān)行業(yè)進行節(jié)能設(shè)計提供了參考依據(jù)。

冰箱；節(jié)能；冷凝器

1 前 言

近年來，全球“油荒”、“電荒”問題日益嚴(yán)重，美歐等發(fā)達國家對家電能耗要求也越加嚴(yán)格，不僅在全球范圍內(nèi)積極擴大能源產(chǎn)地，而且利用能耗標(biāo)準(zhǔn)作為衡量手段來制約包括中國在內(nèi)的國家出口產(chǎn)品；在國內(nèi)市場，冰箱節(jié)能已成為制冷裝備產(chǎn)業(yè)的一個新的賣點和競爭點，冰箱是否節(jié)能及其節(jié)能等級的高低直接關(guān)系到產(chǎn)品銷售的市場占有量。

1994年歐盟規(guī)定電冰箱（柜）上必須加貼能耗標(biāo)簽才能銷售。2001年已有37個國家和地區(qū)實施了能源效率新標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲的節(jié)能計劃、美國能源部、環(huán)保署發(fā)起的能源之星計劃等。這些標(biāo)準(zhǔn)的實施有效地推動了冰箱節(jié)能的進程。我國冰箱生產(chǎn)在2003年全面實施強制性節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，在市場上銷售的電冰箱都必須貼上＂能效標(biāo)識＂標(biāo)簽。通過政府的行政措施使我國冰箱行業(yè)繼續(xù)高走節(jié)能主義道路。

節(jié)能是冰箱業(yè)永恒的主題。家電下鄉(xiāng)產(chǎn)品要節(jié)能冰箱，城鎮(zhèn)居民購買冰箱不再僅僅看重價格，滿足消費者需求才是決定是否購買冰箱的單一因素，從低價惡性競爭回歸到良性競爭，是未來家電市場洗牌和進一步健康發(fā)展的良好途徑。節(jié)能技術(shù)的研究日益成為國內(nèi)冰箱行業(yè)的研究熱點［1］。

2 常用節(jié)能方法

目前國內(nèi)冰箱生產(chǎn)廠家普遍采用的節(jié)能方法主要有以下幾種。

2.1 減少冰箱保護殼體漏熱

冰箱殼體一般指冰箱箱體和門體［2］，能夠儲存食物的空間容積。

減少漏熱的方法主要有：①增加箱體和門體的發(fā)泡層厚度；②使用高性能微孔發(fā)泡技術(shù)，提高發(fā)泡性能；③在箱體和門體內(nèi)部增加真空VIP絕熱材料板；④在箱體和門體內(nèi)殼上粘貼鋁箔膠帶、牛皮膠帶等物質(zhì)，降低隔熱層的傳熱系數(shù)。

箱體與門體發(fā)泡層厚度的設(shè)計是直接影響冰箱節(jié)能。發(fā)泡層厚度的增加和冰箱能耗等級的升高呈反比關(guān)系，箱體發(fā)泡層厚度設(shè)計原理和門體一樣。一般來講，發(fā)泡層厚度增加，冰箱能耗等級降低，發(fā)泡層厚度增加到一定數(shù)值后，其節(jié)能效果已不明顯；隨著發(fā)泡層厚度的進一步增加，耗費的發(fā)泡層增加使材料成本增加、冰箱室內(nèi)的有效容積反而下降。所以，在產(chǎn)品開發(fā)時，需要統(tǒng)籌考慮冰箱能耗等級、生產(chǎn)成本和實際容積等，以選擇最優(yōu)化的發(fā)泡層厚度。

2.2 改進冰箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

改進門封結(jié)構(gòu)設(shè)計，比如增加門封氣囊數(shù)、減低門封條閉合高度，采用一體門發(fā)泡技術(shù)和雙門封、使用強力磁條等。

改進蒸發(fā)器、冷凝器的制冷性能，增大能效比，如增加蒸發(fā)器面積，換用熱傳感更好的材料等。

2.3 使用高效壓縮機

最直接的節(jié)能手段是提高壓縮機的能效比。目前市場上最高效的壓縮機COP值可達到2.1左右。

選擇壓縮機主要根據(jù)壓縮機的排氣量、輸入功率及運行時的制冷量來確定，即冰箱制冷系統(tǒng)對壓縮抽的性能要求。將設(shè)計工況（冷凝溫度、蒸發(fā)溫度）代入壓縮機性能曲線，在壓縮機排氣量、制冷量符合要求的前提下，選用軸功率最小且滿足性能要求的壓機型號。

影響冰箱能耗等級的主要因素是壓縮機的能效比COP，任何1臺節(jié)能冰箱的使用，都配備了1臺高效壓縮機。根據(jù)高效壓縮機COP數(shù)值的大小，一般可以分為兩種：一種是COP值為1.3～1.5，主要由國內(nèi)生產(chǎn)，價格較低，大量使用在普通節(jié)能冰箱上；第二種COP值為1.6～1.8，主要由國內(nèi)合資公司生產(chǎn)或直接進口，價格較高，僅應(yīng)用在超級節(jié)能冰箱上。

近年來變頻節(jié)能技術(shù)開始使用在壓縮機上。國內(nèi)冰箱行業(yè)從1999年開始應(yīng)用變頻技術(shù)，冰箱四大家族海爾、容聲、新飛、美菱等多家企業(yè)的變頻冰箱均有生產(chǎn)，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速為3 000 r／min的壓縮機相比較，變頻壓縮機具有低噪音、高速制冷能力、軟啟動、高效率等優(yōu)點，轉(zhuǎn)速范圍可調(diào)從1 800～4 300 r／min。實驗室測試數(shù)據(jù)顯示采用變頻技術(shù)的冰箱與相同的普通冰箱相比可以提高能耗等級［3］。

2.4 優(yōu)化制冷系統(tǒng)

筆者對制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計對象僅限于冷凝器。通過系統(tǒng)的整體匹配，計算出最佳的毛細(xì)管內(nèi)徑和長度、冷凝器換熱面積、蒸發(fā)器的換熱面積以及制冷劑充注量等。

冰箱常用的絲管冷凝器圖1所示。在絲管式冷凝器中，制冷劑均在管內(nèi)自上而下逐漸冷凝，為便于制冷劑液體的順暢流出，在制造冷凝器時，蛇管中每一水平方向的傳熱管均勻地將制冷劑的排出端向下稍傾斜一定角度。在相同傳熱溫差條件下，絲管式冷凝器的空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較內(nèi)藏式冷凝器的空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)約高30%。

此外，還有很多技術(shù)難度較大的節(jié)能方法逐漸被運用，比如利用冷藏－冷凍多循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計、單冷藏制冷技術(shù)、三通節(jié)流閥非線性變頻技術(shù)等。

圖1 絲管冷凝器

3 節(jié)能冰箱冷凝器的設(shè)計

3.1 絲管式冷凝器設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題

（1）結(jié)構(gòu)用管型式、參數(shù)、排列 絲管式冷凝器冷凝管采用復(fù)合鋼管（鋼管外鍍銅或鋅，俗稱邦迪管），鋼管外徑db＝4.5～7 mm，鋼絲直徑dw＝1.2～2.0 mm，鋼絲間距sw＝5～7 mm，蛇管管節(jié)距sb＝35～50 mm，且sw／dw＝4.0～4.2，sb／db＝9.1～9.4。

（2）必須考慮自然對流換熱及輻射換熱 在產(chǎn)品設(shè)計及實際使用環(huán)境下，自然對流換熱系數(shù)數(shù)值不大，因此輻射換熱必須考慮。同時，由于管內(nèi)制冷劑的凝結(jié)換熱系數(shù)數(shù)值要比大氣側(cè)換熱系數(shù)大很多，因此，冷凝器的換熱熱阻主要是外側(cè)壁面與空氣之間的換熱熱阻，在計算中，僅計算大氣側(cè)的換熱系數(shù)而不計算管內(nèi)制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)是合理的。

（3）制冷劑過熱蒸汽溫度對空氣側(cè)換熱強度的影響 系統(tǒng)設(shè)計中制冷劑蒸汽進入冷凝器時狀態(tài)為過熱蒸汽，而大氣側(cè)自然對流換熱強度及輻射換熱強度都和傳熱溫差有密切關(guān)系；因此，冷凝器中制冷劑換熱的初始階段稱為過熱段，其傳熱溫差比后一階段稱為飽和段。在計算冷凝器時，要根據(jù)過熱段及飽和段的傳熱溫差分別計算各自的換熱系數(shù)。

（4）大氣與壁面之間的自然對流換熱關(guān)系 冰箱絲管式冷凝器空氣側(cè)自然對流換熱系數(shù)計算的關(guān)系式并不多見，下列關(guān)系式用于絲管式冷凝器自然對流換熱系數(shù)計算具有普遍意義，

式中：λf為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W／m·℃；db為管外徑，m；sb為蛇管上下相鄰管中心距，m；dw為鋼絲外徑，m；sw為鋼絲節(jié)距，m；Prf為空氣的普朗特準(zhǔn)數(shù)；Grf為空氣的葛拉曉夫準(zhǔn)數(shù)。

3.2 絲管冷凝器的計算

冷凝器過熱段和飽和段的傳熱溫度需要分別進行計算，步驟如下：

（1）確定冷凝器過熱段的傳熱溫差。

（2）確定冷凝器的飽和段傳熱溫差。

考慮制冷系統(tǒng)效率時，管壁溫度與空氣溫度之差可定義為傳熱溫差，為方便工程應(yīng)用，計算時忽略管壁熱阻，則管內(nèi)制冷劑的溫度與空氣溫度之差就可定義為傳熱溫差。而在冷凝器過熱段，制冷劑蒸汽進口溫度較高，在換熱過程中由于交換熱量導(dǎo)致溫度逐漸下降至冷凝壓力下的飽和蒸汽溫度即冷凝溫度。因此過熱段的傳熱溫差取為對數(shù)平均溫差比較合理。飽和段傳熱溫差：冷凝器出口處的制冷劑一般尚未達到過冷狀態(tài)，即出口制冷劑溫度仍為冷凝溫度，飽和段管內(nèi)制冷劑溫度不變，得出飽和段的傳熱溫差。

（3）分別計算過熱段和飽和段自然對流換熱系數(shù)及輻射換熱系數(shù)。

（4）計算冷凝器各管段的傳熱面積。

（5）確定冷凝器整體尺寸。

4 節(jié)能冰箱箱體防凝露設(shè)計

節(jié)能冰箱因為發(fā)泡層厚度增加很多，需要進行防凝露設(shè)計。校核計算首先計算出箱體表面溫度。如果箱體外表面溫度tw低于露點溫度，則會在箱表面上發(fā)生凝露現(xiàn)象，因此箱體表面溫度tw必須高于露點溫度td，最低限度tw＞0.2℃＋td。

達到穩(wěn)定傳熱狀態(tài)后的表面溫度tw可以由下式計算：

式中：tw為箱體外表面溫度，℃；tl為箱外空氣溫度，℃；t2為箱內(nèi)空氣溫度，℃；α1為箱外空氣對箱體外表面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W／（m2·K）；k為傳熱系數(shù)，W／（m2·K）。

箱體外表面凝露校核分冷凍室和冷藏室進行。

4.1 冷凍室凝露校核

冷凍室絕熱層厚度最薄處在壓縮機室和門側(cè)，由于壓縮機散熱導(dǎo)致壓縮機室內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度一般不會出現(xiàn)凝露，因此，凝露校核計算時選取厚度最小的門側(cè)。

凝露校核依據(jù)式（2），因此先要確定相關(guān)參數(shù)：環(huán)境溫度t1為32℃，箱內(nèi)空氣溫度t2為－18℃。

當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速為0.1～0.15 m／s時，α1可取3.5～11.6 W／（m2·K）；箱內(nèi)空氣為自然對流（直冷式）時，α2可取 0.6～1.2 W／（m2·K）；雙門雙溫間冷式電冰箱，由于箱內(nèi)風(fēng)速較大，其α2可取17～23W／（m2·K）。這里選取室內(nèi)α2＝0.8 W／（m2·K），隔熱層絕熱系數(shù)0.02 W／（m·K），室外對流換熱系數(shù)α1取11W／（m2·K），則：

運算結(jié)果高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB8059.1規(guī)定的凝露溫度。

4.2 冷藏室凝露校核

冷藏室最薄的地方仍然是門側(cè)，因此，計算方法同冷凍室，可計算出外表面溫度：

運算結(jié)果同樣高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的凝露溫度。

實際上，發(fā)泡層厚度的選擇還與發(fā)泡劑性能有關(guān)，發(fā)泡劑的導(dǎo)熱系數(shù)越低，保溫效果越好，所需發(fā)泡層越薄。當(dāng)前市場上有部分發(fā)泡層非常薄的節(jié)能冰箱銷售，這類冰箱都采用了一種新型材料真空絕熱板（VIP板）。該材料利用板內(nèi)真空環(huán)境消除了空氣對流和熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱系數(shù)極低，只有2～5 W／m·K，大約是普通發(fā)泡劑的1／10～1／4。因此，采用VIP板的冰箱，在大大減薄發(fā)泡層厚度的條件下依然能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能。

5 結(jié) 論

對節(jié)能冰箱的常用節(jié)能方法進行了詳細(xì)的總結(jié)，對在冰箱制冷中的重要零件冷凝器進行了分析、設(shè)計和傳熱計算，對箱體的冷藏室、冷凍室發(fā)泡層厚度進行了防凝露設(shè)計和計算，為相關(guān)行業(yè)進行節(jié)能設(shè)計提供了參考依據(jù)。

［1］ 李艷芹，張德海.一種節(jié)能低噪臥式冷柜的設(shè)計［J］.家電科技，2008（3）：58－59.

［2］ 趙小月，張德海，劉慧靜.某冰箱門體端部翹曲的有限元分析及改進設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，2011（5）：78－79.

［3］ 李成武.變頻壓縮機對冰箱節(jié)能的影響［J］.家電科技，2010（9）：78－80.

Study on Condenser Design of Energy－saving Refrigerator

SHAO Xiu－li1，ZHAO Xiao－yue2，WANG Shi－feng2，ZHANG De－h(huán)ai3

（1.Henan Xinfei Electraical Co.，Ltd，Xinxiang Henan 453002，China；2.Xinxiang Gongsheng Boiler Co.，Ltd，Xinxiang Henan 453002，China；3.Zhengzhou University of Light Industry，Mechanical and Electrical Engineering Institute，Zhengzhou Henan，450002，China）

Facing to promoting energy－saving refrigerator in the refrigerator industry，the commonly energy saving methods are systematic studied.The key problems exposed in the structure design of condenser，preventing ingcondensation design of freezer and refrigerator are analyzed，and the theoretical calculation are conducted.The related industries for designing of energy sav?ing are provided with reference by means of this paper.

refrigerator；energy－saving；condenser

TK124；TK172

A

1007－4414（2013）04－0141－03

2013－06－05

國家自然科學(xué)基金資助項目（21206152），鄭州市科技攻關(guān)項目（10PTGG339－8）；鄭州輕工業(yè)學(xué)院博士科研基金資助項目；鄭州輕工業(yè)學(xué)院一般項目科研基金（2012XJJ012）

邵秀利（1971－），女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，主要從事冰箱制造工藝設(shè)計方面的工作。

張德海（1973－），男，河南新鄉(xiāng)人，博士，副教授，高級工程師，主要從事機電工程學(xué)方面的教學(xué)工作。