一種節(jié)能型R290制冷系統(tǒng)在飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中的實(shí)驗(yàn)研究

葛住軍，杜歆，王培文，田立強(qiáng)

康富（天津）有限公司

隨著溫室效應(yīng)對氣候、環(huán)境的影響，人們開始倡導(dǎo)用自然制冷劑替換溫室效應(yīng)較大的HCFC和HFC［1］。在這種情況下，部分天然工質(zhì)，比如CO2和碳?xì)涔べ|(zhì)等受到了越來越多的關(guān)注。2017年康富公司首次應(yīng)用CO2制冷系統(tǒng)在飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中，2019年推出R290制冷系統(tǒng)的飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)，并將CO2和R290制冷系統(tǒng)在飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)的應(yīng)用做了對比，考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，維修和供應(yīng)鏈成本，認(rèn)為R290制冷系統(tǒng)將成為飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)的大勢所趨［2］。面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題以及能源緊缺問題，加強(qiáng)建設(shè)節(jié)約型社會，加強(qiáng)節(jié)能產(chǎn)品推廣和應(yīng)用，是緩解當(dāng)下能源資源緊缺問題的關(guān)鍵［3］。隨著R290制冷系統(tǒng)在飲料機(jī)的商業(yè)化和環(huán)境問題的日益突出，許多公司積極履行企業(yè)社會責(zé)任，客戶對現(xiàn)調(diào)節(jié)的節(jié)能要求越來嚴(yán)格，研究和分析R290制冷系統(tǒng)在飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中的節(jié)能問題越來越緊迫?？蹈还咀鳛轱嬃犀F(xiàn)調(diào)機(jī)行業(yè)的先行者，在戰(zhàn)略合作伙伴可口可樂公司的倡導(dǎo)下，積極響應(yīng)開發(fā)節(jié)能產(chǎn)品的要求。本文通過對飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中R290制冷系統(tǒng)各電氣零件的實(shí)際功率，耗電量和導(dǎo)致系統(tǒng)熱損失的結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)合現(xiàn)調(diào)機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)和現(xiàn)有R290制冷系統(tǒng)的控制邏輯，提出了降低飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)耗電量的一些具體解決方案。

1 飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中R290制冷系統(tǒng)

1.1 飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)工作原理

飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)是通過放置在水箱中的蒸發(fā)器形成一定重量的冰板，冰板和水箱中的水形成一個(gè)大約0～1℃的水浴，飲料的冷卻是通過獨(dú)立的封閉式冷卻盤管在低溫水浴中換熱實(shí)現(xiàn)，飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)工作控制原理如圖1所示。

圖1 飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)工作及控制原理圖

飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)安裝調(diào)試完成后，制冷系統(tǒng)將要進(jìn)行首次結(jié)冰運(yùn)行，飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)在裝機(jī)后首次結(jié)冰時(shí)水箱溫度較高約為32 ℃，此時(shí)蒸發(fā)溫度很高，但隨著制冷系統(tǒng)的運(yùn)行，水箱溫度逐漸下降到0℃然后開始結(jié)冰，直到冰控器檢測到冰層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求即當(dāng)冰層覆蓋住固定蒸發(fā)器上冰控器的最大冰層端子P2后，控制PCB將控制制冷系統(tǒng)結(jié)束運(yùn)轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)停止工作。初次結(jié)冰以后，水箱水溫將會一直保持在0～1℃度左右，售賣飲料時(shí)，冰板逐漸融化以保證水箱溫度，通過冰板控制器控制制冷系統(tǒng)周而復(fù)始的運(yùn)行。

1.2 R290制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)

飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)的能耗主要體現(xiàn)在保證現(xiàn)調(diào)機(jī)運(yùn)行，維持冰板重量和形狀所涉及到的所有電氣零部件的功率消耗。初次結(jié)冰的能耗主要包括將水箱中水的冷卻能耗和形成設(shè)計(jì)重量冰板所需要的能耗；首次結(jié)冰完成后，制冷系統(tǒng)的能耗主要是為了維持冰板重量和形狀制冷系統(tǒng)在冰控器只執(zhí)行的間歇運(yùn)行和攪拌電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的能耗，即待機(jī)能耗。完成初次結(jié)冰后，由于售賣飲料和低溫水箱與周圍環(huán)境的熱損失，水箱中水溫升高會導(dǎo)致水箱中的冰板融化，當(dāng)冰板融化即當(dāng)覆蓋最小冰層端子P1的冰融化時(shí)，控制PCB的控制制冷系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行。現(xiàn)有的飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)攪拌電機(jī)與電源聯(lián)動(dòng)，飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)一旦接通電源，攪拌就會一直運(yùn)轉(zhuǎn)。攪拌運(yùn)轉(zhuǎn)是為了維持水箱里冰水溫度保持在0～1℃左右,以保證飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)冷卻管路的換熱效果。本文將飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)在32 ℃65%相對濕度環(huán)境中未售賣飲料的情況下，24小時(shí)待機(jī)耗電量定義為衡量節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

2 R290制冷系統(tǒng)的電氣部件功率和能耗分析

2.1 待機(jī)狀態(tài)下的能耗分析

飲料的冷卻是通過獨(dú)立的封閉式冷卻盤管在低溫水浴中換熱實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)調(diào)機(jī)一般都使用小容量制冷系統(tǒng)，根據(jù)冰板重量和單位時(shí)間斟出標(biāo)準(zhǔn)杯型的飲料數(shù)量選擇制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)，蒸發(fā)器，冷凝器，毛細(xì)管，攪拌電機(jī)和攪拌葉輪。本文選取一款設(shè)計(jì)冰板重量12 kg的中型飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)作為基準(zhǔn)型號，在初次結(jié)冰后進(jìn)行24小時(shí)待機(jī)測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 基準(zhǔn)型號功率和耗電量測試結(jié)果

待機(jī)狀態(tài)下的能耗主要包括制冷系統(tǒng)為了維持冰板重量和形狀間歇啟停的耗電量，攪拌電機(jī)運(yùn)行的耗電量，LED照明及控制PCB的耗電量。從測試結(jié)果可以看出，在24小時(shí)待機(jī)運(yùn)行中，制冷系統(tǒng)啟停10次，每次運(yùn)行約30min，攪拌電機(jī)，控制系統(tǒng)和LED等在24小時(shí)待機(jī)時(shí)一直運(yùn)行。

該飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)各電氣零部件功率，24小時(shí)待機(jī)測試耗電量占比及各零部件運(yùn)行特點(diǎn)如表1所示。從表中可以得知，耗電量主要集中在壓縮機(jī)和攪拌電機(jī)的運(yùn)行，占總耗電量的89.9%，攪拌電機(jī)的功率約為壓縮機(jī)功率的14%，但是攪拌電機(jī)在24小時(shí)的待機(jī)狀態(tài)下一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其24小時(shí)耗電量占比約為37.8%；冷凝風(fēng)扇電機(jī)與壓縮機(jī)的是聯(lián)動(dòng)控制，耗電量占比只有5.1%，控制PCB和LED等24小時(shí)運(yùn)行總耗電量占比5.7 %。所以，現(xiàn)調(diào)機(jī)24小時(shí)待機(jī)狀態(tài)的耗電量主要集中于制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)和攪拌電機(jī)，降低這兩個(gè)零部件的耗電量和減少24小時(shí)制冷系統(tǒng)啟停頻率是降低能耗的關(guān)鍵因素。

表1 電氣零部件及運(yùn)行特點(diǎn)

2.2 影響制冷系統(tǒng)啟停的原因分析

初次結(jié)冰結(jié)束以后，隨著水箱熱量損失，水溫升高冰層開始融化，在待機(jī)狀態(tài)下，冰層融化的有兩個(gè)原因，第一是水箱周圍的環(huán)境溫度高于水箱內(nèi)冰水水浴的溫度，熱量通過水箱外壁傳遞到水箱內(nèi)壁，內(nèi)壁在通過導(dǎo)熱和對流作用傳遞給冰水，冰水水溫上升融化冰板；第二是攪拌電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量通過電機(jī)軸傳遞給冰水，同時(shí)攪拌持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會導(dǎo)致水流連續(xù)沖刷冰板，加速冰板的融化。所以為了減少制冷系統(tǒng)頻繁啟停，就必須減少水箱的熱損失和攪拌導(dǎo)致的冰板融化。

3 降低能耗的措施和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 同排氣量節(jié)能壓縮機(jī)的應(yīng)用

本文研究對象為一款已經(jīng)商業(yè)化的中型容量飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)，設(shè)計(jì)冰板重量12 kg，制冷系統(tǒng)選用華意壓縮生產(chǎn)的CubigelNUY80 R290壓縮機(jī)，節(jié)能型號選用同品牌相同排氣量壓縮機(jī)NUT80，考慮產(chǎn)品開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化和共用化，節(jié)能型號在基準(zhǔn)型號上只更換壓縮機(jī)，其他冷凝器、蒸發(fā)器、毛細(xì)管、充注量、風(fēng)扇電機(jī)和葉輪、攪拌電機(jī)和葉輪以及高低壓側(cè)連接銅管都保持和基準(zhǔn)型號相同，詳細(xì)系統(tǒng)配置如表2所示。

表2 制冷系統(tǒng)配置參數(shù)

3.2 間歇控制攪拌電機(jī)

現(xiàn)有飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)為了保證冰板的形狀和維持水箱溫度的均衡，攪拌一直持續(xù)運(yùn)行，雖然攪拌電機(jī)的輸入功率只有46 W，但是在24小時(shí)待機(jī)狀態(tài)下，耗電量占24小時(shí)待機(jī)耗電量的37.8%，屬于第二大耗電零部件。所以為了保證初次結(jié)冰和冰板形狀，將攪拌電機(jī)控制調(diào)整為與壓縮機(jī)啟停聯(lián)動(dòng)，這樣在初次結(jié)冰過程中和現(xiàn)有的現(xiàn)調(diào)機(jī)工作方式完全相同，在初次結(jié)冰以后，攪拌電機(jī)停止運(yùn)行?？紤]到水箱周圍散熱不均導(dǎo)致冰板形狀發(fā)生大的變化，在控制程序中追加每隔一定時(shí)間，即使壓縮機(jī)未啟動(dòng)，也強(qiáng)制啟動(dòng)攪拌電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間以保證冰板形狀的穩(wěn)定?？紤]到實(shí)際應(yīng)用場景，經(jīng)營者隨時(shí)都有可能售賣飲料，售賣飲料過程中，飲料冷卻系統(tǒng)將會和水箱水浴進(jìn)行冷熱較交換，水浴中水溫將產(chǎn)生溫度梯度，為了消除水浴中的水溫不均勻，設(shè)計(jì)了攪拌電機(jī)隨打杯信號運(yùn)行的邏輯：當(dāng)飲料閥門有打杯時(shí)，控制PCB接收到飲料閥門微動(dòng)開關(guān)閉合信號后控制攪拌電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間以后再停止運(yùn)轉(zhuǎn)，既可以保證水箱水浴溫度均勻可以保證正常的飲料售賣又可以減少不必要的能量消耗和冰板融化，從而減少壓縮機(jī)啟停次數(shù)，達(dá)到節(jié)能的目的。

3.3 減少水箱的熱損失

現(xiàn)有現(xiàn)調(diào)機(jī)的水箱箱體為長方體結(jié)構(gòu)，有一面未封閉，用來支撐制冷底盤，制冷系的壓縮機(jī)冷凝器置于制冷底盤上方，蒸發(fā)器位于制冷底盤下方，整個(gè)制冷系統(tǒng)放置在水箱上，制冷底盤和水箱形成一個(gè)相對封閉的空間。熱量損失發(fā)生在水箱四周，底面和制冷底盤處。飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)水箱大都采用硬質(zhì)聚氨脂發(fā)泡作絕熱層，其絕熱性能好，發(fā)泡后的箱體內(nèi)外殼被粘接成剛性整體，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。保溫層厚度是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，當(dāng)然要求的厚度越厚保溫越好，熱損失也越小，考慮到成本和機(jī)器尺寸，需要選擇性價(jià)比合理的厚度，所以維持基準(zhǔn)型號的水箱設(shè)計(jì)。考慮到節(jié)能要求，增加制冷底盤保溫層厚度10 mm，并在制冷底盤預(yù)留的維修方孔處設(shè)計(jì)可拆卸的保溫蓋板，盡可能做到減少制冷底盤的熱量損失。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上措施，制作了原型機(jī)，進(jìn)行制冷系統(tǒng)匹配，最終制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比基準(zhǔn)型號工作參數(shù)基本相同；通過在32 ℃工況和高低溫工況下，不同的攪拌控制邏輯即在待機(jī)時(shí)攪拌間歇運(yùn)行的最小時(shí)間間隔和攪拌電機(jī)和打杯后運(yùn)行時(shí)間的組合測試，最終確定了控制邏輯并進(jìn)行了32 ℃工況下基準(zhǔn)型號對比節(jié)能型號的初次結(jié)冰和24小時(shí)待機(jī)測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 基準(zhǔn)型號和節(jié)能型號測試結(jié)果

對比基準(zhǔn)型號，初次結(jié)冰冰板重量基本相同，制冷系統(tǒng)最大輸入功率下降22 %，初次結(jié)冰時(shí)間縮短9%，并且在待機(jī)狀態(tài)下制冷系統(tǒng)啟停次數(shù)由10次減少為4次，節(jié)能型號原型機(jī)在設(shè)計(jì)工況下24小時(shí)待機(jī)耗電量下降約55%，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

表3 基準(zhǔn)型號和節(jié)能型號參數(shù)對比

4 結(jié)束語

通過使用高效壓縮機(jī)，控制攪拌電機(jī)間歇運(yùn)行和減少水箱熱損失綜合應(yīng)用在同一平臺飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，對比基準(zhǔn)型號，使用了節(jié)能措施的型號在24小時(shí)待機(jī)狀態(tài)下耗電量降低約55%，滿足客戶對下一代產(chǎn)品的節(jié)能要求。為了進(jìn)一步節(jié)能，變頻壓縮機(jī)，變頻攪拌電機(jī)在飲料現(xiàn)調(diào)機(jī)中應(yīng)用是未來重要的課題［4］，同時(shí)借鑒家電行業(yè)一些節(jié)能技術(shù)如保溫材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)也值得深入研究和應(yīng)用［5］。