并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱短周期切換控制特性

張振亞， 黃 東， 冷永強(qiáng)

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

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并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱短周期切換控制特性

張振亞， 黃 東， 冷永強(qiáng)

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049)

針對(duì)并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱冷藏室、冷凍室不能同步降溫，導(dǎo)致冷凍室回溫時(shí)間長(zhǎng)的問題，實(shí)驗(yàn)研究了開機(jī)后冷藏降溫過程中兼顧冷凍降溫的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換控制特性.結(jié)果表明：開機(jī)后，停機(jī)時(shí)積聚在冷凍蒸發(fā)器中的制冷劑逐漸向冷藏蒸發(fā)器遷移，前6個(gè)短周期內(nèi)，遷移造成的冷藏蒸發(fā)器制冷量損失由33.9%降至5.2%，之后維持不變直至冷藏運(yùn)行結(jié)束.冷凍室感溫包溫度前6個(gè)短周期內(nèi)從-16.5 ℃降至-17.8 ℃，而之后5個(gè)短周期僅降低約0.3 ℃.采用短周期切換控制，冷藏降溫階段可兼顧冷凍室降溫，且在冷凍降溫時(shí)間的縮短與冷藏運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)之間存在使壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間最短的最優(yōu)值.

風(fēng)冷冰箱；并聯(lián)雙循環(huán)；短周期切換；制冷劑遷移；動(dòng)態(tài)特性

冷凍、冷藏蒸發(fā)器并聯(lián)布置的雙循環(huán)制冷系統(tǒng)風(fēng)冷冰箱，因冷藏蒸發(fā)器較高的蒸發(fā)溫度可減小其不可逆損失而具有較大的節(jié)能潛力.相關(guān)的節(jié)能技術(shù)，如制冷系統(tǒng)匹配[1-4]，制冷劑遷移[5-7]，蒸發(fā)器的結(jié)霜、除霜特性[8-13]等的研究也越來越受到關(guān)注.隨著變頻技術(shù)的廣泛運(yùn)用，冰箱制冷系統(tǒng)與運(yùn)行控制策略的匹配[14-16]也已成為影響冰箱性能的主要因素之一.并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱壓縮機(jī)的啟、停一般由冷凍室感溫包設(shè)定的溫度控制，開機(jī)后先給冷藏降溫，由冷藏室感溫包設(shè)定溫度控制冷藏/冷凍運(yùn)行的切換.由于冷藏降溫階段不能對(duì)冷凍室進(jìn)行降溫，導(dǎo)致冷凍室的回溫時(shí)間較長(zhǎng).為滿足冷凍室的溫度要求，則必須增大開機(jī)時(shí)間，進(jìn)而會(huì)增加冰箱的功耗.

針對(duì)以上問題，本文以一款并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，開機(jī)后的冷藏降溫過程中采用兼顧冷凍室降溫的“2 min冷藏運(yùn)行+1 min冷凍運(yùn)行”短周期切換控制策略，研究該控制方法下冰箱運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，主要包括短周期切換過程制冷劑遷移對(duì)冷藏蒸發(fā)器造成的冷量損失以及對(duì)冷凍室降溫的效果，為并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱節(jié)能控制研究提供理論參考.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用蒸發(fā)器并聯(lián)的雙循環(huán)制冷系統(tǒng)，圖1所示為冰箱系統(tǒng)圖共有3個(gè)存儲(chǔ)空間：冷藏室、變溫室和冷凍室.變溫室有0 ℃/3 ℃/5 ℃ 3個(gè)溫區(qū)，也是一個(gè)溫度可調(diào)節(jié)的冷藏室.冷藏室和變溫室共用一個(gè)蒸發(fā)器，冷凍室擁有單獨(dú)的蒸發(fā)器.冷藏室感溫包控制三通電磁閥在冷藏/冷凍之間的切換，冷凍室感溫包控制壓縮機(jī)啟、停.開機(jī)后穩(wěn)定運(yùn)行過程中的控制策略為：冷藏降溫-冷凍降溫-停機(jī).由冷凍室感溫包設(shè)定溫度控制壓縮機(jī)的啟/停，開機(jī)后先給冷藏室降溫，當(dāng)冷藏室感溫包溫度達(dá)到設(shè)定下限值時(shí)，切換至單獨(dú)冷凍運(yùn)行，這時(shí)僅為冷凍空間降溫.具體參數(shù)如表1.

圖1 并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱系統(tǒng)

Fig.1 System diagram of air-cooled refrigerator with two parallel-evaporators

表1 被測(cè)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用冰箱穩(wěn)定運(yùn)行過程中，冷藏運(yùn)行總時(shí)間不足30 min.該時(shí)段采用冷藏降溫為主兼顧冷凍降溫的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換控制策略.因冷藏降溫為主，則冷藏運(yùn)行時(shí)間要長(zhǎng)于冷凍運(yùn)行時(shí)間.但冷藏運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致短周期數(shù)太少，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分；太短又會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到冷藏穩(wěn)定運(yùn)行三通閥就切換給冷凍蒸發(fā)器供液.綜合考慮，選用上述控制策略進(jìn)行初步探究.

試驗(yàn)工況依據(jù)GB/T8059.4—1993《家用制冷器具——無霜冷藏箱、無霜冷藏冷凍箱、無霜冷凍食品儲(chǔ)藏箱和無霜食品冷凍箱》的規(guī)定設(shè)置.采用直徑為0.2 mm的銅-康銅熱電偶測(cè)量溫度，精度為±0.2 ℃.主要測(cè)量數(shù)據(jù)包括冷藏、冷凍蒸發(fā)器的進(jìn)口、中部和出口溫度，及蒸發(fā)器送、回風(fēng)溫度等.

2 切換過程冷藏蒸發(fā)器性能分析

2.1 冷藏蒸發(fā)器溫度變化

冰箱穩(wěn)定運(yùn)行過程中，從開機(jī)至冷藏運(yùn)行結(jié)束共11個(gè)完整的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換.如圖2所示，由于各個(gè)短周期1 min冷凍運(yùn)行時(shí)的溫度上升(冷藏回風(fēng)的影響)以及2 min冷藏運(yùn)行時(shí)的溫度下降，冷藏蒸發(fā)器各部分的溫度處于波動(dòng)狀態(tài).

兩個(gè)并聯(lián)蒸發(fā)器中的壓力相同，冷凍運(yùn)行向冷藏運(yùn)行切換瞬間，冷藏蒸發(fā)器中的壓力仍為冷凍蒸發(fā)壓力，經(jīng)過冷藏毛細(xì)管節(jié)流后的制冷劑進(jìn)入冷藏蒸發(fā)器瞬間蒸發(fā)，導(dǎo)致冷藏蒸發(fā)器進(jìn)口處溫度大幅降低.因此，冷藏蒸發(fā)器進(jìn)口溫度波動(dòng)最劇烈，但波動(dòng)幅度逐漸減小，0～3 min時(shí)間內(nèi)，波動(dòng)幅度為20.1 ℃，在33～35 min時(shí)間內(nèi)的溫度波動(dòng)僅為4.4 ℃.受蒸發(fā)器本身熱容和冷藏室回風(fēng)的影響，前24 min內(nèi)蒸發(fā)器中部制冷劑為過熱狀態(tài)，溫度波動(dòng)幅度較小，而之后逐漸變大，在27～30 min內(nèi)達(dá)到了17.6 ℃，說明此時(shí)中部測(cè)點(diǎn)處的制冷劑由過熱氣態(tài)變?yōu)闅庖簝上鄳B(tài).出口溫度波動(dòng)幅度最小，在冷藏降溫階段的35 min內(nèi)，出口溫度一直處于在小波動(dòng)中下降的趨勢(shì).以上分析說明短周期切換控制策略下，停機(jī)時(shí)積聚在冷凍蒸發(fā)器中的制冷劑，在壓機(jī)啟動(dòng)后逐漸遷移至冷藏蒸發(fā)器.

圖2 冷藏降溫階段冷藏蒸發(fā)器溫度隨時(shí)間變化

Fig.2 Variation in refrigerating-evaporator temperature during refrigeration cooling stage

2.2 冷藏蒸發(fā)器冷量損失分析

并聯(lián)雙循環(huán)制冷系統(tǒng)中冷凍/冷藏運(yùn)行切換時(shí)的制冷劑遷移會(huì)造成的蒸發(fā)器制冷能力損失.由于冷凍運(yùn)行向冷藏運(yùn)行切換存在蒸發(fā)壓力的攀升，其制冷劑遷移損失約是冷藏運(yùn)行向冷凍運(yùn)行切換時(shí)的3.4～7.2倍[17]，因此，本文章重點(diǎn)分析單個(gè)短周期內(nèi)冷凍運(yùn)行向冷藏運(yùn)行切換時(shí)的制冷劑遷移造成的冷藏蒸發(fā)器冷量損失.在2 min冷藏運(yùn)行期間，當(dāng)冷藏蒸發(fā)器進(jìn)口溫度降至最低點(diǎn)時(shí)，可認(rèn)為進(jìn)入冷藏運(yùn)行的穩(wěn)定過程.定義該點(diǎn)為2 min冷藏運(yùn)行中冷藏蒸發(fā)器開始有效制冷的時(shí)間點(diǎn)，在此之前為切換的過渡過程.

圖3所示為每一個(gè)短周期的2 min冷藏運(yùn)行期間冷藏蒸發(fā)器有效制冷時(shí)長(zhǎng)變化.由圖3可知，在11個(gè)短周期的冷藏運(yùn)行中，總體上冷藏蒸發(fā)器的有效制冷時(shí)長(zhǎng)先增加后逐漸達(dá)到平衡.在壓縮機(jī)開機(jī)后的第1個(gè)短周期內(nèi)冷藏蒸發(fā)器的有效制冷時(shí)長(zhǎng)最短，約為0.58 min，占冷藏運(yùn)行總時(shí)間(2 min)的29%.第6個(gè)短周期之后，有效制冷時(shí)長(zhǎng)在1.43 min上下波動(dòng)，約占到冷藏運(yùn)行總時(shí)間的71.5%.

圖3 冷藏蒸發(fā)器有效制冷時(shí)長(zhǎng)變化Fig.3 Variation in efficient cooling time of refrigerating-evaporator

對(duì)于冰箱的蒸發(fā)器，空氣側(cè)得到的冷量便是蒸發(fā)器的有效制冷量.因此，蒸發(fā)器在一定時(shí)間內(nèi)的有效制冷量可通過空氣側(cè)得到的冷量來進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Q為蒸發(fā)器的有效制冷量，kW；qv為蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的體積流量，m3·s-1； cp為空氣定壓比熱容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT為空氣的回風(fēng)和送風(fēng)溫差，℃； v為空氣的比體積，m3·kg-1； t為時(shí)間，s.

分析式(1)可知qv、cp、v變化較小，可看做定值，故蒸發(fā)器的有效制冷量近似正比于通過蒸發(fā)器的空氣的送、回風(fēng)溫差.冷藏蒸發(fā)器送回風(fēng)溫差平均值見表2.

表2中的第2欄表示在每1個(gè)短周期的2 min冷藏運(yùn)行內(nèi)冷藏蒸發(fā)器的送、回風(fēng)溫差平均值，第3欄表示2 min冷藏運(yùn)行內(nèi)有效制冷階段的冷藏蒸發(fā)器送回、風(fēng)溫差平均值，第4欄為二者平均值之差，可近似代表蒸發(fā)器制冷能力的損失.差值越大，說明過渡過程的制冷劑遷移對(duì)于整個(gè)2 min冷藏運(yùn)行的制冷量損失就越大.如表2所示，無論是2 min運(yùn)行過程，還是有效制冷過程，冷藏蒸發(fā)器的送、回風(fēng)溫差平均值均是先增大后不變的變化趨勢(shì)，而二者的差值則是先減小后不變.相應(yīng)的，制冷劑遷移造成的冷藏蒸發(fā)器制冷能力損失也由33.9%降至5.2%.

表2 冷藏蒸發(fā)器送回風(fēng)溫差平均值

Tab.2 Difference between air supply and return temperature of refrigerating-evaporator

短周期數(shù)2min/℃有效制冷過程/℃差值/℃能力損失/%111．717．76．033．9218．420．42．09．8319．621．11．57．1420．021．31．36．1520．121．21．15．2620．121．21．15．2

運(yùn)行切換中的制冷劑遷移損失主要是由兩個(gè)并聯(lián)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度(壓力)的不同引起的，二者差值越大，制冷劑遷移時(shí)間越長(zhǎng)，損失就越大.圖4為兩個(gè)蒸發(fā)溫度的差值與冷藏蒸發(fā)器送、回風(fēng)溫差在有效制冷過程與2 min時(shí)間內(nèi)的差值對(duì)比.兩個(gè)蒸發(fā)溫度的差值在第1個(gè)短周期最大，為7.2 ℃，第1個(gè)短周期到第2個(gè)短周期的下降幅度最大，約為1.4 ℃；第2個(gè)短周期到第5個(gè)短周期的下降幅度分別為0.2、0.5和0.4 ℃；第6個(gè)短周期之后基本維持在4.7 ℃左右.

圖4 冷藏蒸發(fā)器送回、風(fēng)溫差與冷藏、冷凍蒸發(fā)溫度差值的對(duì)比

Fig.4 Comparison of (a) and (b) value, (a) is the difference between air supply and return temperature of refrigerating-evaporator; (b) is the average temperature difference between refrigerating-evaporator and freezing-evaporator

冷藏蒸發(fā)器的送、回風(fēng)溫差平均值在有效制冷過程與2 min時(shí)間內(nèi)的差值與冷凍、冷藏蒸發(fā)溫度差值的變化趨勢(shì)一致.說明隨著切換的不斷進(jìn)行，切換的過渡過程導(dǎo)致的損失越來越小，到達(dá)第6個(gè)短周期后，差值基本不再變化，表示此時(shí)切換的損失已降至最小，可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到了穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài).

3 短周期切換控制對(duì)冷凍室降溫的影響

如圖5所示，冷藏降溫階段，冷凍蒸發(fā)器進(jìn)口、中部、出口溫度變化趨勢(shì)基本保持一致，說明其中的制冷劑一直為氣液兩相狀態(tài)，冷凍蒸發(fā)器有制冷量的產(chǎn)生.在2 min的冷藏運(yùn)行期間，冷凍蒸發(fā)器溫度的上升有兩個(gè)原因:一是冷凍室回風(fēng)的影響; 另外，冷凍運(yùn)行向冷藏運(yùn)行切換時(shí)，低壓側(cè)壓力由冷凍蒸發(fā)壓力向冷藏蒸發(fā)壓力攀升，逐漸實(shí)現(xiàn)兩個(gè)蒸發(fā)器的壓力平衡, 氣液兩相狀態(tài)的制冷劑飽和壓力與飽和溫度一一對(duì)應(yīng)，其中制冷劑飽和溫度也相應(yīng)上升.因此，冷凍蒸發(fā)器的進(jìn)口、中部、出口的溫度均會(huì)上升.1 min的冷凍運(yùn)行期間，冷凍蒸發(fā)器溫度的下降則是由于節(jié)流壓力的下降.當(dāng)冷藏室溫度達(dá)到下限值后，系統(tǒng)單獨(dú)給冷凍蒸發(fā)器供液，由于節(jié)流壓力的下降且冷藏蒸發(fā)器中的制冷劑逐漸遷移至冷凍蒸發(fā)器.因此，單獨(dú)冷凍階段冷凍蒸發(fā)器溫度持續(xù)下降.

圖5 冷凍蒸發(fā)器溫度變化

圖6為冷凍室感溫包溫度隨時(shí)間變化.由圖6可知，在冷藏降溫階段，前6個(gè)短周期 (0～18 min)內(nèi)冷凍室感溫包溫度降幅較大，從-16.5 ℃降至-17.8 ℃.而后5個(gè)短周期(18 ～35 min)溫度降幅較小，僅從-17.8 ℃降至-18.1 ℃.對(duì)比前文分析可以看出，在冷藏降溫階段，冷藏蒸發(fā)器冷量損失達(dá)到最低值之后，由于大量制冷劑已遷移到冷藏蒸發(fā)器，導(dǎo)致冷凍蒸發(fā)器制冷量減小，因此對(duì)冷凍室的降溫作用也降到最低.在冷凍單獨(dú)降溫階段，冷凍室溫度是在冷藏降溫階段的降溫基礎(chǔ)上繼續(xù)降低，在35.00～57.42 min期間，從-18.1 ℃降至-20.1 ℃.冷藏降溫階段的前18 min溫降占到冷凍室總溫降的36.1%.

圖6 冷凍感溫包溫度變化

綜上所述，冷藏降溫階段的“2 min冷藏運(yùn)行+1 min冷凍運(yùn)行”的短周期切換控制策略對(duì)冰箱整體性能的影響主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：首先，減少了冷凍室溫度的回升.針對(duì)并聯(lián)雙循環(huán)風(fēng)冷冰箱，傳統(tǒng)控制模式下冷藏運(yùn)行過程中，冷凍蒸發(fā)器不供液，也沒有冷量產(chǎn)生.因此，其對(duì)冷凍室沒有任何降溫作用，冷凍室一直有溫升，直至冷藏運(yùn)行結(jié)束切換至冷凍運(yùn)行時(shí)為止.因該切換是由冷藏感溫包控制的，所以在冷藏降溫的過程中兼顧冷凍降溫，可防止冷凍室溫度上升過高.其次，由于在冷藏降溫階段對(duì)冷凍進(jìn)行部分降溫，那么在冷凍單獨(dú)降溫階段對(duì)冷凍室的降溫負(fù)荷有所減小，從而使冷凍降溫階段時(shí)間縮短，總運(yùn)行時(shí)間減少.再次，冷藏降溫期間，隨著制冷劑逐漸遷移到冷藏蒸發(fā)器，冷凍蒸發(fā)器的制冷量逐漸減小.冷凍感溫包的溫度在開機(jī)第6個(gè)短周期(18 mim)之后僅下降了0.4 ℃，卻同時(shí)也減慢了冷藏室的降溫速度.因此，在冷凍降溫時(shí)間的縮短與冷藏運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)之間存在使壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間最短的最優(yōu)值.雖然在第6個(gè)短周期之后，對(duì)冷凍室的降溫效果明顯減弱，但是這個(gè)時(shí)間點(diǎn)是否就是能使得壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間最短的最優(yōu)值，還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證.

4 結(jié) 論

1)壓機(jī)啟動(dòng)后，制冷劑逐漸由冷凍蒸發(fā)器向冷藏蒸發(fā)器遷移.前6個(gè)短周期內(nèi)，冷凍運(yùn)行向冷藏運(yùn)行切換時(shí)制冷劑遷移的有效制冷時(shí)長(zhǎng)由占冷藏運(yùn)行的21%增大至71.5%，送回風(fēng)溫差由11.7 ℃增大至20.1 ℃，制冷劑遷移造成的冷藏蒸發(fā)器制制冷量損失由33.9%降至5.2%，第6個(gè)短周期后基本穩(wěn)定.

2)冷藏降溫階段冷凍蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑一直為氣液兩相狀態(tài)，有冷量產(chǎn)生.前18 min使冷凍室感溫包溫度從-16.5 ℃降至-17.8 ℃，占到冷凍室總溫降的36.1%.但后17 min由于大量制冷劑已遷移到冷藏蒸發(fā)器，導(dǎo)致冷凍蒸發(fā)器制冷量減小，冷凍室感溫包溫度僅降低0.3 ℃，且減慢了冷藏室降溫速度.還需進(jìn)一步研究以確定冷凍降溫時(shí)間的縮短與冷藏運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)之間取最優(yōu)值，在保證箱溫的同時(shí)使壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間最短.

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[16]盧智利, 丁國良.蒸發(fā)器并聯(lián)雙循環(huán)冰箱的溫度與分時(shí)運(yùn)行控制策略Ⅱ.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 40(2): 272-276.DOI:10.3321/j.issn:1006-2467.2006.02.021.

LU Z L, DING G L.The temperature and time sharing running control strategy of two-circuit cycle refrigerator/freezer with parallel evaporators:Ⅱ.experimental tests and validation[J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2006, 40(2):272-276.DOI:10.3321/j.issn:1006-2467.2006.02.021.

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(編輯 楊 波)

Dynamic characteristic of the air-cooled refrigerator with two parallel-evaporators in the control of short-cycle switching

ZHANG Zhenya, HUANG Dong, LENG Yongqiang

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

For the two-circuit refrigerator with parallel evaporators, refrigerating cabinet and freezing cabinet could not get cooling capacity at the same time.This will lead to the increase in compressor-on time due to the fact that the compressor shuts down as the counterpart cut-out temperature in the freezing cabinet is reached.The dynamic characteristics of a parallel-evaporators refrigerator with short-cycle switching control were studied experimentally.Results showed that the refrigerant stored in the freezing-evaporator was immigrated gradually to refrigerating-evaporator due to pumping action of compressor after a startup.The capacity loss of the refrigerating evaporator due to the refrigerant migration decreased from 33.9% to 5.2%.In addition, the temperature of the freezer-sensor decreased from -16.5 ℃ to -17.8 ℃ in the first six short-cycles, but only decreased by about 0.3 ℃ in the next five short-cycles.The short-cycle switching control strategy can decrease the temperature in both refrigerating cabinet and freezing cabinet.However, the refrigerating-run time will be extended at the same time.These two factors should be comprehensive considered to make the compressor-on time shortest.

air-cooled refrigerator; parallel evaporators; short-cycle switching control; refrigerant migration; dynamic characteristic

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.022

2016-01-07

張振亞(1989—)，男，博士研究生； 黃 東(1975—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師

黃 東，d_huang@mail.xjtu.edu.cn

TB657.4

A

0367-6234(2017)01-0150-05