系統(tǒng)保壓閥在冰箱中的應(yīng)用

施紅玉 王紅娟 曾理 孫文靜 金錫魯

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

1.1 技術(shù)背景

目前家用冰箱通常采用單級(jí)蒸氣壓縮系統(tǒng)進(jìn)行制冷，比較成熟的節(jié)能技術(shù)主要有提升壓縮機(jī)效率，改善保溫效果，系統(tǒng)匹配等[1]。隨著全球能效標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，這些較為成熟的節(jié)能技術(shù)已逐漸趨于瓶頸，在前往極致節(jié)能的道路上，需要不斷提出新的節(jié)能技術(shù)，本文重點(diǎn)研究在冰箱制冷循環(huán)中增加冷凝器保壓技術(shù)[2]。

1.2 節(jié)能原理

冰箱制冷過程，壓縮機(jī)周期開停。制冷階段，蒸氣壓縮制冷循環(huán)的蒸發(fā)過程和冷凝過程建立在壓縮機(jī)閥片內(nèi)外的壓差持續(xù)保持條件下，冷凝側(cè)高壓高溫，向環(huán)境側(cè)散熱自身液化；另一側(cè)低壓蒸發(fā)，從冰箱間室內(nèi)吸熱，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冰箱制冷降溫，此循環(huán)過程，熱量等式表示為[3]：

其中：Qk為冷凝器散熱量，Qo為蒸發(fā)器制冷量，W為壓縮機(jī)輸入功率。

當(dāng)冰箱溫度降低至停機(jī)溫度，壓縮機(jī)停止工作，若無保壓閥，系統(tǒng)無法維持冷凝器和蒸發(fā)器之間特定的壓差，通過節(jié)流元件的聯(lián)通，系統(tǒng)壓力逐漸趨于平衡，冷凝側(cè)壓力降低，冷媒降壓汽化，從環(huán)境吸熱。此時(shí)壓縮機(jī)機(jī)腔溫度遠(yuǎn)高于蒸發(fā)器內(nèi)溫度, 蒸發(fā)器內(nèi)冷量通過回氣管通道使壓縮機(jī)機(jī)腔溫度降低，低于冷凝器溫度時(shí)，冷凝器向壓縮機(jī)傳熱繼續(xù)對(duì)蒸發(fā)器加熱，蒸發(fā)器溫度升高至高于冰箱間室溫度，從而向間室散熱，造成能量損失。直到下一次壓縮機(jī)開機(jī)，壓縮機(jī)輸入功補(bǔ)償蒸發(fā)器冷量損失，建立新的平衡，保持冷凝器/蒸發(fā)器在一定的壓差下平衡，恢復(fù)熱量方程。

若在系統(tǒng)中增加冷凝器保壓裝置，在壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)保持關(guān)閉狀態(tài)，維持冷凝器/蒸發(fā)器中存在一定的壓差，能有效降低冷凝器中冷媒汽化，減少從環(huán)境吸熱，降低能量損失，壓縮機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)消耗較低的電功即可恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行，從而起到節(jié)能效果。

2 制冷系統(tǒng)與控制邏輯設(shè)計(jì)

2.1 制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 冰箱單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)制冷循環(huán)圖

如圖1a）、b）所示為冰箱單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)制冷循環(huán)圖，在干燥過濾器后端增加單向截止閥或帶有關(guān)閉功能的一進(jìn)兩出電磁閥。相應(yīng)的選擇美的單系統(tǒng)兩門BCD360和雙系統(tǒng)多門BCD479冰箱作為實(shí)驗(yàn)機(jī)型進(jìn)行改制。

2.2 控制邏輯

單系統(tǒng)冰箱中增加冷凝器保壓裝置，冰箱通電運(yùn)行，閥復(fù)位至全關(guān)，冷凍控制壓縮機(jī)開停，傳感器溫度高于設(shè)定的開機(jī)點(diǎn)，冷凍請(qǐng)求壓縮機(jī)運(yùn)行，開閥同步進(jìn)行壓縮機(jī)啟動(dòng)，判定冷藏傳感器溫度高于設(shè)定冷藏停機(jī)點(diǎn)時(shí)，通向冷藏風(fēng)門開啟，冷藏降溫至低于停機(jī)點(diǎn)，風(fēng)門關(guān)閉，冷凍繼續(xù)請(qǐng)求制冷至達(dá)到停機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)關(guān)閉同步閥切斷。壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，冷藏不請(qǐng)求，即風(fēng)門不開啟。

雙系統(tǒng)冰箱中在干燥過濾器與毛細(xì)管之間串有一進(jìn)兩出電磁閥，其控制邏輯與正常冰箱運(yùn)行時(shí)請(qǐng)求規(guī)則相同，僅在壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)增加電磁閥切向關(guān)閉位置。雙系統(tǒng)冰箱正常運(yùn)行時(shí)，冷藏/冷凍均可請(qǐng)求壓縮機(jī)，冷藏請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)高于冷凍?？赡艹霈F(xiàn)的請(qǐng)求形式較多：（1）冷藏請(qǐng)求，壓縮機(jī)啟動(dòng)至冷藏停機(jī)時(shí)，冷凍未達(dá)開機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)停機(jī)，閥關(guān)閉，冷藏起到保壓作用；（2）冷藏請(qǐng)求，壓縮機(jī)啟動(dòng)至冷藏停機(jī)時(shí)，冷凍達(dá)到開機(jī)點(diǎn)，閥切換至冷凍蒸發(fā)器，冷藏起到保壓作用；冷凍達(dá)到停機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)關(guān)閉，閥關(guān)閉，冷凍實(shí)現(xiàn)保壓；（3）冷凍先請(qǐng)求，壓縮機(jī)啟動(dòng)，閥切換至冷凍蒸發(fā)器，降溫至停機(jī)點(diǎn)，壓縮機(jī)停機(jī)，閥關(guān)閉，冷凍可以保壓；（4）冷凍請(qǐng)求未停止，冷藏請(qǐng)求，閥切換至冷藏，停機(jī)后冷凍繼續(xù)制冷至壓縮機(jī)停機(jī)，閥切斷，系統(tǒng)保壓。此方案不能解決閥切冷藏蒸發(fā)器和冷凍蒸發(fā)器時(shí)造成的系統(tǒng)壓力變化、冷媒回流問題。單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯如圖2所示。

圖2 單、雙冰箱制冷保壓控制邏輯

3 測(cè)試結(jié)果分析

為盡可能減少實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)驗(yàn)證結(jié)果的影響，本研究選擇在售單系統(tǒng)機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)，增加單向閥，僅通過控制程序調(diào)整，對(duì)比閥常通不動(dòng)作、閥與壓縮機(jī)關(guān)聯(lián)通斷模擬保壓對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.1 保壓閥對(duì)制冷系統(tǒng)的影響

圖3 單系統(tǒng)冰箱有無保壓裝置系統(tǒng)溫度變化對(duì)比

壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，無閥動(dòng)作冷凝器出口溫度迅速降低至環(huán)溫以下，然后緩慢回升至與環(huán)溫平衡，閥關(guān)閉時(shí)冷凝器出口溫度緩慢降低。主要是因?yàn)閴嚎s機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)沒有閥動(dòng)作，冷凝器出口處冷媒量減少，壓力降低，部分冷媒汽化，溫度迅速降低甚至低于環(huán)境溫度，隨后與環(huán)境換熱逐漸回升。

壓縮機(jī)開機(jī)時(shí)，閥動(dòng)作回氣溫度降低幅度小于無閥狀態(tài)，且冷凝器出口溫度降低——有閥時(shí)冰箱有制冷請(qǐng)求，壓縮機(jī)啟動(dòng)，閥打開，冷凝器出口壓力降低冷媒汽化溫度降低，蒸發(fā)器中冷媒較少，開機(jī)瞬間壓縮機(jī)抽回冷媒，回氣與毛細(xì)管存在少量換熱，回氣溫度較無閥動(dòng)作時(shí)高。

關(guān)閥時(shí)蒸發(fā)器溫度回升較閥常通時(shí)緩慢，閥關(guān)閉時(shí)系統(tǒng)冷媒流動(dòng)被切斷，高低壓側(cè)僅靠傳導(dǎo)進(jìn)行熱量傳遞，溫度回升低于無閥狀態(tài)。

3.2 不同環(huán)溫對(duì)保壓效果的影響

圖3a）、b）為單系統(tǒng)冰箱32℃環(huán)境溫度下運(yùn)行，有無保壓裝置時(shí)系統(tǒng)溫度變化對(duì)比情況。

圖4 冰箱有無保壓裝置時(shí)系統(tǒng)溫度變化對(duì)比情況

圖4a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環(huán)境溫度下運(yùn)行，有無保壓裝置時(shí)系統(tǒng)溫度變化對(duì)比情況，蒸發(fā)器、冷凝器、回氣溫度變化趨勢(shì)相同。

圖5a）、b）、c）、d）分別為冰箱32℃、16℃環(huán)境溫度下運(yùn)行，有無保壓裝置時(shí)系統(tǒng)壓力變化對(duì)比情況，16℃環(huán)溫時(shí)，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)高壓側(cè)壓力3.44 MPa，低壓側(cè)0.59 MPa，停機(jī)時(shí)間45 min，在停機(jī)13 min時(shí)系統(tǒng)壓力平衡至0.84 MPa。截止閥關(guān)閉后仍存在一定冷媒泄露，整個(gè)停機(jī)階段，高壓側(cè)壓力降低至2.99 MPa，低壓上升至0.82 MPa。32℃環(huán)溫下，低壓及系統(tǒng)平衡壓力與16℃相近，分別在0.55 MPa和0.8 MPa左右，但高壓側(cè)壓力5.23 MPa降低至4.8 MPa，均降低0.4 MPa左右，則其中冷媒相變比例相近，從環(huán)境吸熱量相近，說明閥泄露量在不同環(huán)溫時(shí)差異不大，即保壓效果相近，為表1為不同環(huán)溫時(shí)保壓耗電量的影響測(cè)試對(duì)比，16℃和32℃環(huán)溫時(shí)，耗電量改善分別為0.0133 kW?h/24 h和0.0138 kW?h/24 h。

圖5 冰箱有無保壓裝置時(shí)系統(tǒng)壓力變化對(duì)比情況

3.3 保壓閥提前開啟時(shí)間對(duì)保壓效果的影響

32℃環(huán)溫條件下，閥提前開啟時(shí)間越短，耗電量越低，結(jié)合保壓閥的節(jié)能原理也是可以理解的，再次開機(jī)前，閥提前開啟的時(shí)間越短，高壓側(cè)壓力降低越少，冷凝器中冷媒從環(huán)境吸熱越少，能耗損失越低，節(jié)能效果越好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提前1.5 min較閥常通狀態(tài)冰箱耗電量降低2%，進(jìn)一步縮短閥開啟時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)壓力較大，受壓縮機(jī)單體性能影響，時(shí)常出現(xiàn)壓縮機(jī)不能正常啟動(dòng)現(xiàn)象。

表1 不同環(huán)溫下，保壓對(duì)冰箱耗電量的影響

表2 閥提前開啟時(shí)間不同，保壓對(duì)冰箱耗電量的影響

3.4 閥泄漏量對(duì)保壓效果的影響

32℃環(huán)溫條件下，閥泄漏量越低[4]，冷凝器與蒸發(fā)器中冷媒流串越少，壓力變化較低，冷凝側(cè)從環(huán)境吸熱少，向冰箱間室內(nèi)散熱少，能量損失越少，保壓效果越好，更換0.004 L/min泄露量的閥比0.04 L/min閥耗電量降低0.0193 k?Wh/24 h。

表3 閥泄漏量不同，保壓對(duì)冰箱耗電量的影響

3.5 化霜前關(guān)閥抽空對(duì)冰箱耗電量的影響

風(fēng)冷冰箱制冷時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行將蒸發(fā)器冷量帶至間室，風(fēng)溫升高濕度較蒸發(fā)器處高，流回蒸發(fā)器時(shí)，溫度降低，部分濕氣在蒸發(fā)器上附著成霜，隨著冰箱運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，蒸發(fā)器霜層變厚，影響換熱效率，因此化霜是風(fēng)冷冰箱必要的環(huán)節(jié)，降低化霜耗電量也是冰箱節(jié)能的重要組成。本節(jié)主要利用截止閥在化霜進(jìn)入之前切換至關(guān)閉狀態(tài)，結(jié)合壓縮機(jī)運(yùn)行對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)冷媒進(jìn)行抽空處理，減少蒸發(fā)器內(nèi)冷媒吸熱，從而降低冰箱能耗。

閥常通時(shí)，化霜前冷凝器溫度降低，蒸發(fā)器溫度回升略高，對(duì)比表4顯示，有無閥動(dòng)作時(shí)，化霜增量幾乎無差異，閥動(dòng)作比閥常通化霜占比僅低0.4%，若設(shè)定24 h化霜一次，耗電量降低0.0028 kW?h/24 h。

表4 關(guān)閥抽空對(duì)化霜耗電量的影響

4 結(jié)論

本文通過一個(gè)工程實(shí)例，即在美的兩門BCD360冰箱上，增加泄漏量為0.004 L/min的保壓裝置，控制邏輯設(shè)置為與壓縮機(jī)同步關(guān)閉，壓縮機(jī)啟動(dòng)前2 min開啟，化霜前關(guān)閉閥，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 min后，加熱絲工作，結(jié)果表明改善后耗電量減低0.0359 kW?h/24 h，相比原機(jī)能耗改善4.15%。

研究結(jié)果證明：

（1）不同環(huán)溫下，冰箱運(yùn)行時(shí)，低壓及平衡壓力基本相同，環(huán)溫越高，高壓側(cè)壓力越大；系統(tǒng)增加截止閥進(jìn)行保壓時(shí)不同環(huán)溫高壓側(cè)壓力降低的幅度相近，冷凝器中冷媒從環(huán)境吸熱相近，對(duì)能耗的改善量差別不大；

（2）閥提前開啟時(shí)間越短對(duì)降低能耗越有利，結(jié)合壓縮機(jī)啟動(dòng)性能，本研究認(rèn)為提前2 min開啟最合適；

（3）閥泄漏量降低增加保壓閥節(jié)能效果，泄漏量從0.04 L/min降低0.004 L/min，耗電量降低0.0193 kW?h/24 h；

（4）化霜時(shí)關(guān)閥抽空減小蒸發(fā)器中冷媒量，減小被冷媒吸收的熱量損失，可縮短化霜時(shí)間0.5 min，能耗改善0.4%。