耦合雙循環(huán)冰箱運行參數(shù)與耗電量實驗研究

(1 浙江大學制冷與低溫研究所 浙江省制冷與低溫技術重點實驗室 杭州 310027； 2 杭州華日家電有限公司 杭州 311411)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，冰箱早已成為人們生活中不可或缺的電器，而冰箱的耗電量在居民用電中的占比超過10%[1-2]，因此提高冰箱性能、減少冰箱能耗對緩解當前能源危機具有重要意義。

許多學者在傳統(tǒng)冰箱系統(tǒng)的基礎上提出了一些更加高效的改進型系統(tǒng)。1975年，A. Lorenz等[3]將R22/R11混合制冷劑用于串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)，利用混合工質(zhì)兩相區(qū)的溫度滑移特性，減小傳熱過程的不可逆損失，使系統(tǒng)性能提升20%。目前研究較多的冰箱用混合制冷劑為R290/R600a混合物[4-7]。Lu Zhili等[8-10]提出一種蒸發(fā)器交替工作的旁通雙循環(huán)系統(tǒng)，研究表明該系統(tǒng)比傳統(tǒng)串聯(lián)蒸發(fā)器系統(tǒng)節(jié)能13%。張成全等[11]利用微通道冷凝器使冰箱耗電量降低2.6%。Liu Xiaoqin等[12-15]將噴射器用于冰箱系統(tǒng)以減小節(jié)流過程的不可逆損失，研究表明噴射器的引入能使系統(tǒng)性能提高10%以上。A. C. Marques等[16-17]從冰箱的實際運行過程入手，提出將相變材料用于冰箱系統(tǒng)來減小壓縮機的啟停頻率，結果表明改進后的系統(tǒng)可比原系統(tǒng)節(jié)能8%。

唐黎明等[18-21]將冷變換器原理運用于雙壓縮機雙循環(huán)系統(tǒng)，提出了耦合雙循環(huán)系統(tǒng)。通過理論及穩(wěn)態(tài)實驗研究，證明該系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。此后，又通過一種新的控制策略，使該系統(tǒng)能更好地適應實際冰箱的運行過程。雖然新的控制策略可使冰箱盡可能的耦合運行，但在實際工作過程中，仍會出現(xiàn)冷藏循環(huán)單獨運行、冷凍循環(huán)單獨運行和循環(huán)耦合運行3種不同的狀態(tài)。耦合運行給系統(tǒng)帶來的影響及實際冰箱的耗電量情況在之前研究中均未涉及。

本研究在傳統(tǒng)BCD-580冰箱的基礎上搭建了耦合雙循環(huán)冰箱樣機。通過實驗研究了樣機在不同工作狀態(tài)下系統(tǒng)運行參數(shù)的變化，同時測試了樣機的耗電量，并與現(xiàn)有產(chǎn)品進行了對比。

1 耦合雙循環(huán)冰箱的基本原理

圖1所示為耦合雙循環(huán)冰箱的系統(tǒng)原理。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)雙循環(huán)系統(tǒng)的基礎上，引入一個耦合過冷器，將冷藏循環(huán)的一部分制冷量用于對冷凍循環(huán)冷凝器出口的制冷劑進行過冷，實現(xiàn)了兩個系統(tǒng)的能量耦合。

圖1 耦合雙循環(huán)冰箱系統(tǒng)原理Fig.1 The principle of coupled dual-loop refrigerator system

圖2 耦合雙循環(huán)冰箱系統(tǒng)p-h圖Fig.2 p-h diagram of coupled dual-loop refrigerator system

2 樣機及實驗裝置

本研究所用的樣機在BCD-580冰箱的基礎上改造完成。考慮到今后冰箱的產(chǎn)品化及能夠與現(xiàn)有冰箱效果進行對比，樣機的設計完全參照國家標準GB/T 8059.2—1995進行[22]。設計完成的樣機結構如圖3所示。制冷系統(tǒng)由冷藏循環(huán)和冷凍循環(huán)構成，冷藏循環(huán)和冷凍循環(huán)均采用R600a作為制冷劑，保溫材料采用硬質(zhì)聚氨酯。

根據(jù)不同的設計需求，本文共搭建兩臺冰箱樣機，記為樣機Ⅰ和樣機Ⅱ。樣機Ⅰ的設計主要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，且要求運行過程中的各項參數(shù)基本合理。樣機Ⅱ是在樣機Ⅰ的基礎上進行改造優(yōu)化，通過將獨立冷凝器的形式從旋翅式改為微通道式，同時縮短毛細管長度來減少制冷劑充注量，降低冷凝壓力。此外，樣機Ⅱ還選用了效率更高的壓縮機來提升系統(tǒng)綜合性能。表1所示為兩臺樣機的具體部件參數(shù)。

冰箱樣機的實驗測試在電冰箱有限公司的冰箱性能實驗室完成，實驗室可實現(xiàn)環(huán)境溫、濕度和氣流組織的控制和調(diào)節(jié)。測試過程按照冰箱測試相關國家標準完成[22]。若無特殊說明，實驗時的環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度為70%。

實驗中使用的測量和數(shù)據(jù)采集裝置包括：1)溫度測量裝置選用T型熱電偶，由標準鉑電阻標定，精度為±0.5 ℃；2)壓力測量裝置選用PTX5072壓力變送器，量程為0～1 MPa，精度為0.2 % FS；3)功率測量裝置選用HB404P智能功率表，精度等級為0.5級；4)數(shù)據(jù)采集采用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集器，溫度信號、壓力信號、功率信號均轉(zhuǎn)換成直流電壓信號輸入采集器并輸出在計算機端。

T溫度測點；P壓力測點。圖3 冰箱樣機結構Fig.3 Structure of the refrigerator/freezer prototype

參數(shù)壓縮機型號冷凝器形式蒸發(fā)器形式毛細管長度/mm毛細管內(nèi)徑/mm充注量/g樣機Ⅰ冷藏循環(huán)MH1060Y鍍鋅管壁式+旋翅式翅片管式2 9400.6545冷凍循環(huán)NX1112Y3 25090樣機Ⅱ冷藏循環(huán)ND1070Y鍍鋅管壁式+微通道翅片管式2 5000.6555冷凍循環(huán)ND1112Y3 00060

3 運行參數(shù)實驗

為獲得不同工作狀態(tài)下系統(tǒng)的運行參數(shù)，設計了順序為冷凍循環(huán)獨立運行、耦合運行、冷藏循環(huán)獨立運行的開停機過程。文中出現(xiàn)的飽和狀態(tài)參數(shù)均通過REFPROP v9.0獲得。

3.1 冷凝蒸發(fā)壓力分析

圖4所示為樣機Ⅰ冷藏循環(huán)的冷凝、蒸發(fā)壓力隨時間的變化。由于樣機Ⅱ冷藏循環(huán)的壓力變化趨勢與樣機Ⅰ幾乎相同，因此此處沒有給出其壓力變化曲線。圖4～圖10中，運行參數(shù)曲線下方的功率曲線用于辨別系統(tǒng)的運行狀態(tài)，即冷藏單獨運行、冷凍單獨運行及耦合運行。

由圖4可知，系統(tǒng)耦合運行時，冷藏循環(huán)的冷凝、蒸發(fā)壓力均高于系統(tǒng)獨立運行時，原因是耦合過冷器的工作增大了冷藏系統(tǒng)的蒸發(fā)負荷，導致冷藏蒸發(fā)壓力升高[23]，系統(tǒng)流量增大，冷凝負荷增大，最終引起冷凝壓力的增大。

圖5所示為樣機Ⅰ和樣機Ⅱ冷凍循環(huán)壓力隨時間的變化。由圖5可知，在耦合運行和獨立運行兩種狀態(tài)下，樣機Ⅰ冷凍循環(huán)的冷凝壓力略有下降，而蒸發(fā)壓力幾乎不變；樣機Ⅱ的蒸發(fā)壓力也幾乎不變，但樣機Ⅱ的冷凝壓力在耦合運行后突然下降，降幅超過160 kPa，偏離了設計工況。冷凝壓力的降低表面上可以減小壓比，降低冷凍循環(huán)的功耗，但事實上，壓力的降低對系統(tǒng)整體性能的影響是不利的，具體原因會在后文中結合溫度參數(shù)進行說明。

圖4 樣機Ⅰ冷藏循環(huán)冷凝、蒸發(fā)壓力隨時間的變化Fig.4 Variation of condensing and evaporating pressure of refrigerator(Prototype I) with time

圖5 樣機冷凍循環(huán)冷凝、蒸發(fā)壓力隨時間的變化Fig.5 Variation of condensing and evaporating pressure of freezer with time

兩臺樣機冷凍循環(huán)的冷凝壓力在兩種運行狀態(tài)下的變化規(guī)律不同，這是因系統(tǒng)結構不同導致。過冷需要在遠離冷凝過程相變界面處進行[24]，若過冷靠近相變界面將引起冷凝壓力的降低。樣機Ⅱ在設計過程中縮短了毛細管長度，減少了制冷劑充注量，這導致冷凍循環(huán)冷凝器出口的過冷度減小，過冷靠近相變界面。當系統(tǒng)中產(chǎn)生一定擾動界面移動到過冷段時，系統(tǒng)就會出現(xiàn)冷凝壓力降低的現(xiàn)象。

3.2 冷凝過程溫度分析

圖6所示為樣機 Ⅰ和樣機 Ⅱ在不同運行狀態(tài)下冷凝器出口溫度隨時間的變化。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖6 樣機冷凝器出口溫度隨時間的變化Fig.6 Variation of condenser outlet temperature of prototype with time

樣機Ⅰ冷藏循環(huán)在耦合運行時，冷凝器出口溫度升高，這與之前描述的壓力變化相匹配，主要由于冷凝負荷增大導致。而冷凍循環(huán)在過冷運行后，由于節(jié)流后制冷劑干度減小，導致蒸發(fā)器中制冷劑平均密度變大，蒸發(fā)器需液量增大，冷凝器中的過冷段液體減少，過冷度下降，冷凝器出口溫度升高。

樣機Ⅱ的冷藏循環(huán)溫度變化與樣機Ⅰ類似，但樣機Ⅱ冷凍循環(huán)冷凝器出口溫度有約10 ℃的過熱度，說明冷凍冷凝器并未起到冷凝的作用。這是由于冷凍循環(huán)的冷凝壓力在耦合運行時大幅度降低所致。由圖6可知，在耦合運行后冷凍循環(huán)冷凝壓力低于300 kPa，此壓力對應的飽和溫度低于環(huán)境溫度。此時冷凝器的作用只是將制冷劑溫度降至環(huán)境溫度，不能起到冷凝的作用。實際的冷凝過程靠消耗大量冷藏循環(huán)的制冷量來實現(xiàn)。該現(xiàn)象使系統(tǒng)從設計的過冷循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)閺童B循環(huán)，而復疊循環(huán)的整體效率低于過冷循環(huán)，因此，此處的壓力降低不利于系統(tǒng)的整體性能。

表2 樣機冷凝過程溫度參數(shù)Tab.2 Temperature parameters of condensing process

注：Tcond,sat表示冷凝壓力對應的飽和溫度，ΔTsc表示冷凝器出口過冷度。

3.3 蒸發(fā)過程溫度分析

樣機Ⅰ和樣機Ⅱ不同運行狀態(tài)下蒸發(fā)器進出口溫度隨時間的變化如圖7所示，Tevap,in和Tevap,out分別表示蒸發(fā)器進、出口溫度。具體實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 樣機蒸發(fā)過程溫度參數(shù)Tab.3 Temperature parameters of evaporating process

注：Tevap,sat表示蒸發(fā)壓力對應的飽和溫度，ΔTin&out表示蒸發(fā)器進出口溫差，ΔTsh表示蒸發(fā)器出口過熱度。

圖7 樣機蒸發(fā)器進出口溫度隨時間的變化Fig.7 Variation of evaporator inlet and outlet temperature of prototype with time

對比圖7(a)和圖7(b)可知，冷藏蒸發(fā)器的進出口溫度在由耦合運行變?yōu)楠毩⑦\行過程中有明顯的下降，這與前文中所描述的壓力變化規(guī)律一致。由圖7可知，樣機Ⅰ冷凍蒸發(fā)器的進出口溫度在耦合運行后有一定的下降，其原因也與負荷相關。即當系統(tǒng)耦合運行后，冷凍循環(huán)的制冷量增大，但由于間室溫度不變，此時的冷凍負荷不變，因此系統(tǒng)將通過降低蒸發(fā)溫度來減小制冷量，使其與負荷相匹配。樣機Ⅱ的冷凍蒸發(fā)器進出口溫度變化較為紊亂，由獨立運行變?yōu)轳詈线\行時，蒸發(fā)器進口溫度突然上升，原因是過冷后，毛細管中液體段增加，流動阻力下降，流量增大導致。此后進口溫度逐漸下降。

4 耗電量實驗

考慮到標準耗電量實驗耗時較長，操作較為繁瑣，本文首先對兩臺樣機進行了非標準耗電量實驗，然后選取其中一臺性能較為出色的樣機進行標準耗電量實驗。

4.1 非標準條件實驗

非標準條件實驗時，控制環(huán)境溫度為25 ℃，冷藏室和冷凍室設定溫度分別為5 ℃和-18 ℃。統(tǒng)計樣機在一個化霜周期內(nèi)的耗電量，然后將其轉(zhuǎn)化為24小時耗電量進行對比。圖8所示為樣機在一個化霜周期內(nèi)的運行曲線。

圖8 一個化霜周期內(nèi)樣機的運行曲線Fig.8 Operating curve of the prototype in a deforest period

兩臺樣機非標準條件下耗電量統(tǒng)計結果如表4所示?？芍獦訖CⅡ的耗電量相比樣機Ⅰ大幅減少，這是對樣機進行優(yōu)化的結果。通過分別對比兩臺樣機冷凍和冷藏循環(huán)的耗電量，可知樣機Ⅰ冷藏循環(huán)耗電量低于樣機Ⅱ，原因是樣機Ⅱ在耦合運行過程中出現(xiàn)的壓力降低導致，該變化導致冷藏循環(huán)制冷量的大量浪費，樣機Ⅱ冷藏壓縮機開機時間增加。而樣機Ⅱ的冷凍循環(huán)耗電量相比樣機Ⅰ大幅減少，原因是減小系統(tǒng)高壓側(cè)容積減少制冷劑充注量，從而減小了壓縮機功耗，同時耦合運行時冷凝壓力的大幅下降也有一定的影響，但這種影響不利于系統(tǒng)的綜合性能，在后期改進中應避免。

表4 樣機耗電量測試結果Tab.4 The results of energy-consumption test

4.2 標準條件實驗

非標準條件下的實驗說明樣機Ⅱ的性能優(yōu)于樣機Ⅰ，因此對樣機Ⅱ按照冷藏冷凍箱耗電量國家標準進行了耗電量實驗[22]。實驗中，首先完成一次強制化霜過程，然后經(jīng)過兩次壓縮機啟停，進入73 h的耗電量測試過程。

實驗得到樣機Ⅱ的標準耗電量為1.15 kW·h/24 h。而改造前，該BCD-580冰箱的標準耗電量為1.57 kW·h/24 h，考慮到樣機選用了性能較好的壓縮機(樣機Ⅱ壓縮機COP≈1.96，而原產(chǎn)品壓縮機COP=1.73)以及壓縮機小型化帶來的性能下降(制冷量減少50%，COP下降約10%[16])，本文將原產(chǎn)品壓縮機COP用2.18進行折算，此時的耗電量約為1.25 kW·h/24 h，樣機Ⅱ節(jié)能約8%，耦合運行時冷凝壓力的降低一定程度上限制了樣機Ⅱ節(jié)能潛力的發(fā)揮。

5 結論

本文實驗研究了兩臺耦合雙循環(huán)冰箱樣機的運行參數(shù),同時在標準條件下測量了其中一臺冰箱的耗電量，并與市場上現(xiàn)有冰箱進行對比，得到如下結論：

1)在耦合運行狀態(tài)下，冷藏循環(huán)相比獨立運行時具有更高的冷凝、蒸發(fā)壓力，冷凝蒸發(fā)溫度也更高。冷凍循環(huán)在耦合運行后，冷凝壓力降低，冷凝器出口過冷度減小，當系統(tǒng)在獨立運行時過冷度較小的情況下，耦合運行將導致冷凝壓力大幅降低。冷凝和過冷均在過冷器中發(fā)生，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)能潛力。

2)非標準條件下的耗電量實驗表明：經(jīng)過優(yōu)化，樣機Ⅱ比樣機Ⅰ節(jié)能16%。在標準條件下，測得樣機Ⅱ的日耗電量為1.15 kW·h，比改造前的系統(tǒng)節(jié)能8%，證明耦合雙循環(huán)冰箱具有一定的節(jié)能潛力。

因當前冰箱節(jié)能效果一定程度上受冷凝壓力降低的影響，下一步研究需在穩(wěn)定運行參數(shù)的前提下優(yōu)化系統(tǒng)，進一步提升冰箱的性能。

符號說明

p——壓力，kPa

P——功率，W

T——溫度，℃

E——耗電量，kW·h/24 h

下標

cond——冷凝

evap——蒸發(fā)

R——冷藏循環(huán)

F——冷凍循環(huán)

in——進口

out——出口

sc——過冷

sh——過熱

sat——飽和

ext——環(huán)境