基于風(fēng)冷冰箱薄壁化需求的節(jié)能研究

程琳莉 陳開(kāi)松 劉全義 馬長(zhǎng)州

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，隨著冰箱設(shè)計(jì)能力與制造技術(shù)的逐步提升，風(fēng)冷冰箱大容積率設(shè)計(jì)是冰箱行業(yè)的一大方向。從常規(guī)冰箱的容積率為百分之三四十逐漸向薄壁化冰箱容積率為百分之五十幾甚至更高目標(biāo)奮進(jìn)。

所謂的冰箱容積率就是冰箱內(nèi)部的實(shí)際容積與冰箱體積之比，比值越大，容積率則越高。為了實(shí)現(xiàn)大容積率[1]設(shè)計(jì)要求，主要是將冰箱的箱體及門(mén)體均進(jìn)行薄壁化設(shè)計(jì)，將發(fā)泡層常規(guī)尺寸降低約一半左右，在滿(mǎn)足凝露等可靠性要求的條件下，一般均要應(yīng)用VIP板，實(shí)現(xiàn)薄壁化大容積率設(shè)計(jì)要求。

一般情況下，為滿(mǎn)足薄壁化大容積率設(shè)計(jì)要求，VIP板是標(biāo)配，因需增加VIP板，到時(shí)整機(jī)成本上升較多，同時(shí)薄壁化設(shè)計(jì)后，整機(jī)負(fù)荷也較大，常規(guī)采用三循環(huán)制冷系統(tǒng)，該種制冷系統(tǒng)采用的制冷風(fēng)機(jī)、回氣管總成設(shè)計(jì)成本均較高，綜合而言，導(dǎo)致整機(jī)性?xún)r(jià)比不佳，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。

如何實(shí)現(xiàn)大容積冰箱薄壁化大容積率設(shè)計(jì)要求，且具有較佳的性?xún)r(jià)比是當(dāng)前冰箱行業(yè)研究的一個(gè)重要課題。

1 具體方案

以一款大容積薄壁化風(fēng)冷冰箱為研究載體，為達(dá)到大容積率與新國(guó)標(biāo)[2]一級(jí)能效設(shè)計(jì)要求，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1.1 冰箱載體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

該款大容積冰箱載體為十字對(duì)開(kāi)門(mén)結(jié)構(gòu)，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

該款風(fēng)冷冰箱載體由四個(gè)門(mén)組成，上部為冷藏間室（內(nèi)置底部小容積的變溫間室）、下部為冷凍間室，見(jiàn)圖1。

圖1 冰箱整機(jī)外觀圖

該款冰箱容積約為528 L，泡層設(shè)計(jì)尺寸為表1參數(shù)，從表1中的數(shù)據(jù)與冰箱的外形尺寸數(shù)據(jù)（高*寬*深：1 900*850*600 cm），冰箱的容積率達(dá)到55 %左右，滿(mǎn)足全薄壁冰箱大容積率設(shè)計(jì)要求。

表1 冰箱發(fā)泡層尺寸

1.2 冰箱節(jié)能技術(shù)方案

在全薄壁冰箱大容積率設(shè)計(jì)要求下，冰箱整機(jī)的負(fù)荷較大，如何實(shí)現(xiàn)整機(jī)的高性?xún)r(jià)比設(shè)計(jì)要求，主要從以下幾方面優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1.2.1 單循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從性?xún)r(jià)比角度考慮，采用單循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體冰箱制冷系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2所示。

圖2 單循環(huán)制冷系統(tǒng)原理圖

從該制冷系統(tǒng)圖中可知，該種單循環(huán)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器等部件組成，只有一個(gè)蒸發(fā)器，其他制冷間室通過(guò)制冷風(fēng)道實(shí)現(xiàn)制冷，達(dá)到冷藏溫區(qū)、變溫溫區(qū)與冷凍溫區(qū)的設(shè)計(jì)要求。

1.2.2 高效風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)大容積風(fēng)冷冰箱載體，對(duì)比三循環(huán)制冷系統(tǒng)而言，在僅有一個(gè)冷凍蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)條件下，高效風(fēng)道設(shè)計(jì)是節(jié)能技術(shù)方案中其中一個(gè)重要內(nèi)容。

依托CFD仿真分析軟件，在單循環(huán)制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化制冷風(fēng)道對(duì)冷藏與冷凍間室風(fēng)量分配、出風(fēng)口大小，各間室溫度均勻性等方面出發(fā)，盡可能提升整機(jī)循環(huán)風(fēng)道風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)高效風(fēng)道的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

為實(shí)現(xiàn)冷藏間室內(nèi)置變溫專(zhuān)區(qū)功能要求，采用一拖二風(fēng)門(mén)裝置，見(jiàn)圖3。

圖3 一拖二風(fēng)門(mén)

從圖3中可知，該種一拖二風(fēng)門(mén)，是由一個(gè)電機(jī)控制兩個(gè)風(fēng)口開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)風(fēng)門(mén)打開(kāi)給冷藏間室制冷，另一個(gè)風(fēng)門(mén)打開(kāi)可以給變溫間室制冷，實(shí)現(xiàn)冷藏與變溫間室獨(dú)立制冷控制設(shè)計(jì)要求。

1.2.3 制冷與冷凝風(fēng)機(jī)選型

該款大容積冰箱載體中，僅設(shè)計(jì)一個(gè)制冷風(fēng)機(jī)與一個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)。關(guān)于制冷風(fēng)機(jī)，相較于常規(guī)的多循環(huán)制冷系統(tǒng)用多個(gè)制冷風(fēng)機(jī)而言，單循環(huán)制冷風(fēng)機(jī)的尺寸需要重新選型，確保風(fēng)量足夠大，風(fēng)壓足夠大，滿(mǎn)足整個(gè)冷藏、變溫與冷凍間室的送風(fēng)設(shè)計(jì)要求?；谝陨戏治觯捎靡豢钪睆綖?40 mm，檔位為1～12檔設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速為1 500 rpm的離心風(fēng)機(jī)，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速范圍為600～1 500 rpm，該離心制冷風(fēng)機(jī)的實(shí)物圖見(jiàn)圖4（a）所示。關(guān)于冷凝風(fēng)機(jī)，一般均為軸流風(fēng)機(jī)，見(jiàn)圖4（b），直徑為150 mm左右，檔位也為1～12檔，額定轉(zhuǎn)速為1 200 rpm，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速范圍為550～1200 RPM，主要置于冰箱壓縮機(jī)艙室內(nèi)，對(duì)冰箱外置冷凝器與壓縮機(jī)進(jìn)行擾流散熱降溫。

圖4 兩款風(fēng)機(jī)樣件實(shí)物圖

1.2.4 控制邏輯設(shè)計(jì)

為了確保大容積全薄壁風(fēng)冷冰箱在單循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用以上風(fēng)機(jī)、風(fēng)道等部件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可以具有更低的整機(jī)耗電量，制冷風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)三者轉(zhuǎn)速匹配設(shè)計(jì)非常重要。制冷風(fēng)機(jī)與冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低，功耗越低，但是轉(zhuǎn)速低會(huì)導(dǎo)致單位之間擾流風(fēng)量變小，傳熱與傳冷的效率會(huì)降低，故而影響制冷系統(tǒng)換熱效果，綜合考慮制冷風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)的耦合性能是本次研究的關(guān)鍵。

在32 ℃與16 ℃環(huán)溫下，依托此冰箱載體，通過(guò)制冷風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)不同檔位的耦合設(shè)計(jì)，尋找出最佳性能匹配檔位，實(shí)現(xiàn)整機(jī)穩(wěn)態(tài)能耗最低設(shè)計(jì)要求。

1.2.5 保溫設(shè)計(jì)

通過(guò)分析箱體熱負(fù)荷，應(yīng)用部分真空絕熱板進(jìn)行保溫，從經(jīng)濟(jì)型角度出發(fā)，輸出最佳性?xún)r(jià)比的VIP板應(yīng)用方案。

1.2.6 其他要求

該款大容積全薄壁十字對(duì)開(kāi)門(mén)冰箱載體的冷藏間室溫區(qū)為0～10 ℃、變溫間室溫區(qū)為-3～8 ℃、冷凍間室溫區(qū)為-16～-24 ℃。在32 ℃與16 ℃兩種環(huán)溫下進(jìn)行能耗測(cè)試時(shí)，冷藏/變溫間室平均溫度在4 ℃以下，冷凍平均溫度在-18 ℃以下。

能耗測(cè)試其他要求參考GB 12021.2-2015執(zhí)行。

2 結(jié)果分析

2.1 制冷系統(tǒng)部件選擇

壓縮機(jī)采用高效變頻壓縮機(jī)，排量為9 CC，COP為1.95，轉(zhuǎn)速范圍為1 200～4 500 rpm，最高效點(diǎn)范圍為1 800～2 400 rpm。冷凝器采用微通道冷凝器，確保換熱量大，換熱效率高。蒸發(fā)器采用小管徑拉脹翅片蒸發(fā)器，直徑為6.35 mm，拉脹設(shè)計(jì)確保翅片與管道高效接觸，提高換熱效率。

2.2 高效風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)果

為滿(mǎn)足該款大容積全薄壁單循環(huán)制冷系統(tǒng)冰箱一級(jí)能效設(shè)計(jì)要求，采用直徑為140 mm的制冷風(fēng)機(jī)，同時(shí)考慮冷藏內(nèi)置小變溫間室的設(shè)計(jì)要求，低整個(gè)風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過(guò)優(yōu)化回風(fēng)道關(guān)鍵部位，包括回風(fēng)口截面大小，風(fēng)門(mén)風(fēng)口截面大小，風(fēng)道流路長(zhǎng)度等。優(yōu)化后的風(fēng)道速度矢量如圖5所示。

圖5 風(fēng)道速度矢量

從圖5中可知，整個(gè)風(fēng)道的速度場(chǎng)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以確保整機(jī)的循環(huán)風(fēng)量達(dá)到26.8 g/s，滿(mǎn)足整機(jī)風(fēng)量設(shè)計(jì)要求。最終輸出的冷藏風(fēng)道、冷凍風(fēng)道見(jiàn)圖6。

圖6 冷藏與冷凍風(fēng)道結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制設(shè)計(jì)結(jié)果

不同環(huán)溫下，各轉(zhuǎn)速設(shè)置結(jié)果見(jiàn)表2?？刂圃O(shè)計(jì)方面，主要是對(duì)該冰箱載體在16 ℃與32 ℃環(huán)溫下的能耗進(jìn)行制冷風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)以及壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，依托單循環(huán)制冷系統(tǒng)，充分發(fā)揮出制冷系統(tǒng)循環(huán)性能，輸出此款單系統(tǒng)冰箱用最佳性能的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確保整機(jī)耗電量最佳。

表2 各轉(zhuǎn)速設(shè)置參數(shù)

2.4 VIP板設(shè)計(jì)結(jié)果

對(duì)應(yīng)全薄壁風(fēng)冷冰箱載體，在薄壁化設(shè)計(jì)要求下，VIP板應(yīng)用是必不可少的，重點(diǎn)研究在此箱體的什么部位放置多大的VIP板，統(tǒng)籌考慮VIP板的絕熱性能，在滿(mǎn)足性能的條件下，實(shí)現(xiàn)VIP板的最經(jīng)濟(jì)性應(yīng)用。各轉(zhuǎn)速設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表2。

此冰箱載體的VIP導(dǎo)熱系數(shù)為0.001 8 W/M·K，在箱體的兩側(cè)應(yīng)用VIP板，厚度為15 mm，長(zhǎng)度為1 450 mm，寬度為500 mm，直接貼附于箱殼的兩側(cè)，貼附結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 VIP板貼附狀態(tài)

2.5 整機(jī)性能結(jié)果

通過(guò)以上技術(shù)方案的應(yīng)用，該款BCD-528W全薄壁冰箱的整機(jī)綜合耗電量為0.89 kWh/24 h，，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB 12021.2-2015一級(jí)能效指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

2.6 成本對(duì)比

較常規(guī)的三循環(huán)制冷系統(tǒng)而言，采用單循環(huán)制冷系統(tǒng)，制冷風(fēng)機(jī)減少2只，蒸發(fā)器數(shù)量減少2只，去除與三循環(huán)制冷系統(tǒng)適配的電動(dòng)切換閥，回氣管總成由銅管改為鋁管等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，VIP板與冷藏風(fēng)道增加一個(gè)的成本，但綜合而言整機(jī)成本降低約60元/臺(tái)，確保了全薄壁冰箱大容積率的高性?xún)r(jià)比設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

依托大容積率的十字對(duì)開(kāi)門(mén)全薄壁冰箱載體，為確保高性?xún)r(jià)比設(shè)計(jì)要求，本文提出采用單循環(huán)制冷系統(tǒng)，配備超高效變頻壓縮機(jī)、微通道冷凝器與小管徑拉脹翅片蒸發(fā)器，同時(shí)設(shè)計(jì)出高效風(fēng)道結(jié)構(gòu)、最佳變頻控制邏輯與超低導(dǎo)熱系數(shù)的VIP保溫材料，實(shí)現(xiàn)了單循環(huán)制冷系統(tǒng)全薄壁大容積風(fēng)冷冰箱一級(jí)能效設(shè)計(jì)要求，整機(jī)成本進(jìn)一步降低，相較于三循環(huán)制冷系統(tǒng)，整機(jī)具有更高的性?xún)r(jià)比。