應(yīng)用超小排量變頻壓縮機(jī)的冰箱性能提效技術(shù)研究

陳開(kāi)松 尚殿波 劉宏宇

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，冰箱尤其是風(fēng)冷冰箱，由起初的大容積高端冰箱風(fēng)冷設(shè)計(jì)，逐步向小容積風(fēng)冷冰箱設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移，風(fēng)冷冰箱概念逐步深入到千家萬(wàn)戶(hù)。

風(fēng)冷冰箱較常規(guī)的直冷冰箱而言，需要進(jìn)行風(fēng)道結(jié)構(gòu)、化霜控制、主控板等設(shè)計(jì)與可靠性驗(yàn)證，技術(shù)難度大，整機(jī)成本偏高。高效的風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要通過(guò)CFD[1]仿真分析軟件進(jìn)行優(yōu)化與性能驗(yàn)證研究。當(dāng)前，小容積風(fēng)冷冰箱用變頻壓縮機(jī)的主流排量中最低的為7 CC，該種7 CC排量變頻壓縮機(jī)[2]主要適用于容積段為250～350 L的風(fēng)冷冰箱，若250 L及以下容積段的風(fēng)冷冰箱用7 CC排量變頻壓縮機(jī)，則經(jīng)濟(jì)性較差，故需要需求性?xún)r(jià)比較優(yōu)的冰箱整機(jī)設(shè)計(jì)。

基于以上存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種5 CC排量變頻壓縮機(jī)，通過(guò)制冷部件、控制邏輯與風(fēng)道結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，應(yīng)用5 CC排量變頻壓縮機(jī)，確保200 L及以下容積段風(fēng)冷冰箱可以通用，冰箱整機(jī)性能與可靠性滿(mǎn)足要求。

1 具體方案

以BCD-200 W*風(fēng)冷冰箱為研究載體，從箱體熱負(fù)荷計(jì)算、制冷部件蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制邏輯優(yōu)化以及壓縮機(jī)具體設(shè)計(jì)參數(shù)等角度出發(fā)，采用5.2 CC排量變頻壓縮機(jī)，完成風(fēng)冷冰箱載體主要性能驗(yàn)證，確保滿(mǎn)足既定目標(biāo)要求。

1.1 冰箱載體熱負(fù)荷計(jì)算[3]

冰箱箱體熱負(fù)荷Q總包括箱體漏熱量Q1、開(kāi)門(mén)漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其它熱量Q4，即：

箱體漏熱量Q1包括通過(guò)箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過(guò)箱門(mén)和門(mén)封條的漏熱量Qb，通過(guò)箱體結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量Qc，故：

1）箱體隔熱層的漏熱量Qa，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導(dǎo)率λ值很大，所以熱阻很小，可忽略不計(jì)。內(nèi)殼多用ABS等塑料板，最薄的四周部位只有約1.0 mm。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計(jì)入隔熱層，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過(guò)程，故：

式中：

A—箱體外表面，單位為m2；

K—傳熱系數(shù)，單位為W／(m2·K)，

具體K的計(jì)算式：

式中：

a1—箱外空氣對(duì)箱體外邊面的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2·K)；

a2—內(nèi)箱壁表面對(duì)箱內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為 W/(m2·K)；

δ—隔熱層厚度，單位為m；

λ—隔熱材料的導(dǎo)熱率，單位為W/（m·K）。

2）通過(guò)箱門(mén)與門(mén)封條進(jìn)入的漏熱量Qb

由于Qb值很難通過(guò)計(jì)算得到，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)Qb取為Qa的15 %。

3）箱體結(jié)構(gòu)部件的漏熱量Qc

箱體內(nèi)外殼體之間支撐方法不同，Qc值也不同。一般可取Qc值為Qa值的3%左右。目前聚氨酯發(fā)泡成型隔熱結(jié)構(gòu)的箱體，無(wú)支撐架形成的冷橋，因此Qc值可不計(jì)算。

關(guān)于開(kāi)門(mén)漏熱量Q2、貯物熱量Q3和其它熱量Q4在當(dāng)前不開(kāi)門(mén)計(jì)算性能測(cè)試過(guò)程中用不到，在此不進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)以上箱體熱負(fù)荷的計(jì)算公示以及簡(jiǎn)化計(jì)算設(shè)計(jì)要求，根據(jù)我司冰箱載體BCD-200W*的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，將冰箱載體的原有參數(shù)列入到該表格中，得出冰箱載體熱負(fù)荷。箱體尺寸參數(shù)如表1所示。

新國(guó)標(biāo)需要同時(shí)測(cè)試兩個(gè)環(huán)溫（16 ℃與32 ℃），此處僅計(jì)算新國(guó)標(biāo)下的32 ℃環(huán)溫對(duì)應(yīng)的冰箱熱負(fù)荷，同時(shí)計(jì)算出38 ℃高環(huán)溫儲(chǔ)溫對(duì)應(yīng)的冰箱箱體熱負(fù)荷，具體結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)熱負(fù)荷結(jié)果，確認(rèn)應(yīng)用5 CC排量變頻壓縮機(jī)冷量的可行性。

1.2 風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)冷冰箱需要風(fēng)道結(jié)構(gòu)配合制冷風(fēng)扇將制冷蒸發(fā)器所產(chǎn)生的冷量帶入到冰箱各個(gè)制冷間室中去，實(shí)現(xiàn)各個(gè)制冷間室的制冷需求。故風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到風(fēng)冷冰箱整機(jī)性能的優(yōu)劣。采用CFD仿真分析軟件分析風(fēng)道流場(chǎng)的方法是目前行業(yè)中采用比較普遍的一種方法。

表1 箱體各部位具體尺寸

表2 箱體熱負(fù)荷計(jì)算值

該款冰箱載體為兩門(mén)結(jié)構(gòu)，從上到下依次為冷藏間室與冷凍間室。蒸發(fā)器位于冷凍間室蒸發(fā)器倉(cāng)內(nèi)，置于冰箱后背中。通過(guò)制冷風(fēng)扇、風(fēng)道與風(fēng)門(mén)的配合，實(shí)現(xiàn)冷凍間室上部冷藏間室制冷需求。

應(yīng)用CFD仿真分析軟件，重點(diǎn)分析冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的冷凍風(fēng)道流場(chǎng)，針對(duì)有旋渦與短路的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保采用較小冷量的壓縮機(jī)條件下，通過(guò)風(fēng)道效率的提升，可以強(qiáng)化整個(gè)風(fēng)道循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)效率。

表3 6CC壓機(jī)性能參數(shù)

1.3 壓縮機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

該款冰箱載體原先采用的壓縮機(jī)為6 CC排量，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

更換為5 CC排量變頻壓縮機(jī)，具體參數(shù)如表4。

從6 CC與5 CC排量壓縮機(jī)參數(shù)中可以看出，在38度環(huán)溫下，對(duì)比6 CC所采用的變頻壓縮機(jī)冷量，同等轉(zhuǎn)速冷量降低約10 %，考慮到5 CC壓縮機(jī)既定設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速以及可靠性要求，綜合考慮高環(huán)溫儲(chǔ)藏溫度要求，該款壓縮機(jī)采用4 380 RPM設(shè)計(jì)，基本可以滿(mǎn)足整機(jī)的。

1.4 控制邏輯優(yōu)化

壓縮機(jī)采用2.3中的描述所制定的既定轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)行控制。

儲(chǔ)藏溫度方面：38 ℃環(huán)溫下，冰箱載體原來(lái)設(shè)計(jì)的，所采用的壓縮機(jī)在3 900 RPM條件下，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)冷量約為123 W，高效點(diǎn)在1 800～2 400 RPM之間。新國(guó)標(biāo)能耗測(cè)試中，需要分別測(cè)試32 ℃與16環(huán)溫下的整機(jī)能耗，其中32 ℃環(huán)溫下，壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1 800 RPM，16 ℃環(huán)溫下，壓機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 RPM。

能耗測(cè)試方面：對(duì)比6 CC排量采用的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與效率值，5 CC排量壓縮機(jī)的效率（COP）至少與原6 CC持平。從壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)看，高效點(diǎn)在1 800 RPM及以上，如考慮采用相近的開(kāi)機(jī)率，同等轉(zhuǎn)速下，應(yīng)用5 CC排量壓縮機(jī)的冰箱載體開(kāi)機(jī)率將提高，實(shí)際冰箱匹配中，適當(dāng)提高開(kāi)機(jī)率更有利于節(jié)能，但開(kāi)機(jī)率不易過(guò)高，建議開(kāi)機(jī)率80 %～85 %比較好。基于以上分析結(jié)果，實(shí)際設(shè)計(jì)的32度環(huán)溫對(duì)應(yīng)的壓機(jī)轉(zhuǎn)速為1 980 RPM，16度環(huán)溫為1 320 RPM。

1.5 制冷部件優(yōu)化

制冷部件主要除壓縮機(jī)，主要為兩器即蒸發(fā)器與冷凝器。

蒸發(fā)器需要提高換熱性能，將常規(guī)斜插結(jié)構(gòu)更換為扭角拉賬結(jié)構(gòu)換熱性能更優(yōu)。

冷凝器為側(cè)幫冷凝器，采用D型管冷凝器，確保冷凝器與側(cè)幫接觸面更大，換熱更強(qiáng)，換熱效果更好。

1.6 噪音驗(yàn)證

基于該款冰箱載體從6 CC壓縮機(jī)更換為5 CC壓縮機(jī)載體，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速由3 900 RPM更改為4 380 RPM，需要驗(yàn)證改進(jìn)后的整機(jī)噪音，確保整機(jī)噪音滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

噪音是冰箱的一個(gè)重要指標(biāo)，實(shí)際噪音測(cè)試采用新國(guó)標(biāo)6點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 兩器新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果

冰箱載體用蒸發(fā)器由常規(guī)的常規(guī)斜插結(jié)構(gòu)更換為扭角拉脹結(jié)構(gòu)，具體如圖1（a）所示，扭角拉脹結(jié)構(gòu)可以確保斜插條件下的蒸發(fā)器管道與翅片可以更加充分的接觸，確保換熱性能更優(yōu)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)于200 L左右冰箱用蒸發(fā)器，扭角拉脹蒸發(fā)器較常規(guī)結(jié)構(gòu)的換熱性能提升約3.8 %。

冰箱載體用冷凝器由常規(guī)結(jié)構(gòu)修改為“D型”管結(jié)構(gòu)，具體如圖1（b）所示，確保冷凝管道的扁管部位與側(cè)幫接觸更充分，換熱性能更優(yōu)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)于200 L左右冰箱用冷凝器，“D型”管結(jié)構(gòu)冷凝器較常規(guī)結(jié)構(gòu)的換熱性能提升約3.5 %。

冷凝器與蒸發(fā)器換熱效果均得到提升，才可以確保整機(jī)性能得到提升。

2.2 冷凍風(fēng)道優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的流場(chǎng)見(jiàn)圖2（a）與圖2（b）。從圖2（a）流線(xiàn)圖可看出，紅圈圈位置存在渦流，阻力大，耗能高。該種結(jié)構(gòu)模型的六個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)量分配均勻性較差，導(dǎo)致各間室風(fēng)量分配不佳。需要對(duì)風(fēng)道結(jié)構(gòu)再優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示，優(yōu)化流線(xiàn)圖有較大好轉(zhuǎn)，優(yōu)化后各出風(fēng)口風(fēng)量較為均勻，風(fēng)量分配均勻性較好。

表4 5CC壓機(jī)性能參數(shù)

圖1 冰箱載體用冷凝器

圖2 冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)

2.3 整機(jī)性能結(jié)果

新國(guó)標(biāo)下，測(cè)試16 ℃與32 ℃的冰箱整機(jī)耗電量，具體測(cè)試曲線(xiàn)見(jiàn)圖3、4。

耗電量測(cè)試：32 ℃環(huán)溫下，6 CC壓縮機(jī)采用2 040 RPM，開(kāi)機(jī)率約為88 %，16 ℃環(huán)溫為1 320 RPM，開(kāi)機(jī)率約為69 %。兩種環(huán)溫對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速可以較好地發(fā)揮變頻壓縮機(jī)與整個(gè)制冷系統(tǒng)的匹配優(yōu)勢(shì)，確保制冷系統(tǒng)性能得到提升。

圖3 16 ℃環(huán)溫下整機(jī)能耗測(cè)試曲線(xiàn)圖

圖4 32 ℃環(huán)溫下整機(jī)能耗測(cè)試曲線(xiàn)圖

圖5 38 ℃環(huán)溫下整機(jī)儲(chǔ)藏溫度測(cè)試曲線(xiàn)圖

表5 兩款冰箱載體整機(jī)噪音實(shí)測(cè)結(jié)果

儲(chǔ)藏溫度測(cè)試：38 ℃環(huán)溫下，儲(chǔ)藏溫度測(cè)試曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。從測(cè)試曲線(xiàn)可以看出，應(yīng)用5 CC排量變頻壓縮機(jī)，冷藏室與冷凍室的溫度均滿(mǎn)足儲(chǔ)藏溫度測(cè)試要求，測(cè)試曲線(xiàn)滿(mǎn)足控制邏輯運(yùn)行要求。

2.4 噪音測(cè)試結(jié)果

按照新國(guó)標(biāo)噪音測(cè)試方法，采用6點(diǎn)法進(jìn)行噪音測(cè)試，整機(jī)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。從測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，5 CC壓縮機(jī)在4 320 RPM，噪音與6 CC排量壓縮機(jī)3 900 RPM時(shí)的噪音值相當(dāng)。整機(jī)噪音滿(mǎn)足項(xiàng)目指標(biāo)要求。

通過(guò)以上整機(jī)耗電量、儲(chǔ)藏溫度與噪音測(cè)試結(jié)果來(lái)看，此款更小排量的變頻壓縮機(jī)可以滿(mǎn)足200 L及以下冰箱載體的性能要求。整機(jī)噪音值在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿(mǎn)足既定指標(biāo)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)BCD-200W*風(fēng)冷冰箱載體的風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、5 CC壓縮機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)以及控制邏輯改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)5 CC變頻壓縮機(jī)代替6 CC變頻壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)要求。冰箱整機(jī)主要性能與噪音均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，與6 CC排量壓縮機(jī)配的整機(jī)性能相當(dāng)。