无霜冰箱能耗改进优化

Ｉａｎａａｒａ　标准　检测　无霜冰箱能耗改进优化　叶冬梅孙好雷李永高　（河南新飞电器有限公司　河南新乡４５５００２）　摘要：本文介绍了风冷冰箱通过采用旋翅冷凝器降低了冰箱的冷凝温度，铜管铝翅片蒸发器提升了蒸发温度，立体循环风提升了冷藏室和冷　冻室温度的均匀性，延长了食品的储存时间。对蒸发器进行亲水处理延缓了蒸发器的结霜时间，优化化霜策略，使化霜时间间隔得以大幅降　低，减少了冰箱内温度波动次数，通过多种措施的运用使冰箱能耗有较大幅度的下降，为风冷冰箱的进一步推广铺平了道路。　关键词：旋翅冷凝器；铜管铝翅片蒸发器；亲水处理；立体循环风　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｏｎ　ｆｒｏｓｔ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ＹＥ　Ｄｏｎｇｍｅｉ　ＳＵＮ　Ｈａｏｌｅｉ　Ｌｉ　Ｙｏｎｇｇａｏ　（Ｈｅｎａｎ　Ｘｉｎｆｅｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｘｉｎｘｉａｎｇ　４５５００２）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐｉｒａｌ　ｆｉｎ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｅｎｓｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ，ｃｏｐｐｅｒ　ｐｉｐｅ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　ｆｉｎ　ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｗｉｎｄ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ，ｐｒｏｌｏｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｆｏｏｄ，ｏｆ　ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ　ｏｆ　Ｐｒｏ　ｗａｔｅｒ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｄｅｌａｙｅｄ　ｔｈｅ　ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ　ｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ，ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｉｎｔｅｒｖａｌ　ｃａｎ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ，ｐａｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒ－ｃｏｏｌｅｄ　ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｐｉｒａｌ　ｆｉｎ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ；Ｃｏｐｐｅｒ　ｔｕｂｅ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ｆｉｎ　ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ；Ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ；Ｓｏｌｉｄ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｗｉｎｄ　ｌ引言　目前市场上的冰箱获得低温的方式主要有　两种：直冷和风冷。直冷冰箱具有噪音低、食物　冷冻能力强等优点，必将成为未来冰箱市场的主　的漏热量等于系统的制冷量。而箱体的漏热包括　流。但风冷冰箱能耗偏高的问题一直未能较好的　得到解决。本文从冰箱整个制冷循环系统出发，　介绍了通过多种途径优化风冷冰箱制冷循环流　程，减少无用功损耗，提升冰箱能效水平。　两部分：冷藏室的漏热量，冷冻室的漏热量。各　室的漏热量主要由箱体绝热层的的漏热量Ｏ１和　门封条的漏热量０２组成。　根据实际情况，两温区冰箱内平均温度要求　为：冷藏温度为０￣４＂Ｃ，冷冻最高温度为．１８℃。　不易风干、节能、产品成本低等优点，一度占据我　国冰箱消费市场的主流地位。　而随着城市化进程的不断发展，居民生活品　质提升、消费观念的变化，风冷冰箱技术的不断　完善，风冷冰箱日益受到消费者的喜爱。风冷冰　箱具有食物不宜结冰、自动除霜、制冷速度快、　２制冷系统设计　２．１所需制冷量计算　采用热力补偿法，即在３８￣Ｃ环境下冰箱箱体　根据各间室按最大热负荷的原则，采用的设　计参数如下：　环境温度：３８℃；　４６家电科技　Ｓｔａｎｄａｒｄ　标准　压缩机区域温度：６０℃；　冷凝温度：５５℃；　冷冻室内平均温度：．１８℃：　冷冻蒸发温度：一３０￣Ｃ。　Ａ为换热表面面积，ｍ！：　材料、润滑油等起反应、经济性好、汽化潜热高　等优点。　ｔ为各间室的温度，冷冻室ｔ＝．１８＂Ｃ：ｔ．．为环境　温度，ｔｒ，＝３８℃：　ｋ为传热系数，Ｗ／ｍ２￣Ｋ，　２．４制冷系统计算结果及分析　制冷循环如图ｌ所示。　由传热学的知识，各问室的漏热是一个典　型的传热过程。根据传热过程的热流量计算公　式，漏热量可表示为：　中Ｉ＝ＫｏＡｏ（ｔ（Ｉ—ｔ）　其计算公式为：　，　（１）压缩机内压缩ｌ一２　多变过程：　Ｐ　Ｌｖ１。　ｐ：　！　Ｉ　Ｔ—　ｈ。　式中：　ｈｏ　实际气体方程：　Ｐｔ　ｌ＝ＺＩ　ＲＴｌ　ｐ　ｖ　Ｚ：ＲＴ　式中：　中　为热流量，Ｗ：　ｈ　和ｈ。为箱内和箱外的表面传热系数，　ｈｉ＝５．０８Ｗ／（ｍ＂．Ｋ）．ｈ　＝５３２　Ｗ／（ｍ￣－ｏＫ）：　．式中：ｋ多变指数，Ｚ压缩因子。　为箱体材料的导热系数，设计该冷柜的　隔热材料用的足聚氨脂发泡，其中　＝０．０２２Ｗ／　（ｍ・Ｋ）；　（２）冷凝器的能量方程和传热方程２　３　Ｑｋ＝ｑ　・　ｈｋ：ｍ　ｃ　（　２＿Ｔ　Ｉ）＝ｋ：Ａ　１ｌｈ　式中：ｑｌ１１制冷剂的质量流量，／Ｉｈ　冷凝器进　出Ｕ制冷剂的焓差，ｍ　冷凝器风量的质量流量，　６为箱体厚度ｍ。　通过汁算，可以得到箱体绝热层的漏热量：　中．＝１０６．５６Ｗ　ｃ　冷凝器风量的比热容，　冷凝器山风温悭，　．　冷凝器进风温度，ｋ，冷凝器的传热系数，Ａ、冷凝　器的换热面积，　冷凝器的平均传热温蔗。　门封的漏热比较复杂，比较接近实际的经　验公式一般是门封的漏热量是隔热层漏热量的　３０％，即：　中：＝３０％・中Ｉ＝３１．９７Ｗ　（３）毛细管节流等焓方程３—４　ｈ　ｈ　（４）蒸发器能量方程和传热方程４—１　Ｑ　＝ｑ　・　ｈ　＝ｍ．ｏｃ　（Ｔ．　－Ｔ，）＝ｋｌＡ１／ＩＴ　总的漏热量为：　巾总＝①ｌ＋中　＝１３８．５３Ｗ　式中：ｑ，ｎ制冷剂的质量流量，，ｄｈ　蒸发器进　出口制冷剂的焓差，ｍ　循环风的质量流量，Ｃ　ａ循　环风的比热容，　回风温度，　．出风温度，ｋｌ蒸　考虑到压缩机的开停机状态下，箱内温度　都要达到设计温度。根据设计经验，环境温度在　３８℃时，压缩机开停比控制在ｌ：２．２５时，所以需　要的制冷量为：　中＝１０３．８７×１．２５＝１７３．１６Ｗ　发器的传热系数，Ａ，蒸发器的传热面积，ＡＴ　．　蒸发器的平均传热温差。　（５）充成整个循环的总输入功ｗ　Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ　＋Ｗｊ　２．３制冷工质的选择　采用环保Ｒ６００ａ作为制冷剂，Ｒ６００ａ具有环　保、无毒、可燃性低、热稳定性好、不与相关宵机　式中：ｗ．为压缩机功率，ｗ！为风机功率，ｗ、　为电加热化霜折合功率。　４７　Ｉａｎａａｒａ　标准　检测　通过计算得出各部分有效能损失占压缩机　消耗功的百分数为：压缩过程的不可逆损失引起　的有效能损失２０．３６％：冷却冷凝过程中由于传　至不停机。　毛细管长度计算：　压力差ｄｐ＝ｐｋ．Ｐ。　式中：Ｐｋ冷凝压力；ｐ　蒸发压力。　毛细管计算长度：　，，从试验结果看，铜蒸发器化霜时间明显短，　化霜前后温度回升明显偏小，整机能耗也有较大　的降低。　通过以上试验，确定采用铜蒸发器。　热温差所造成的有效能损失１８，７５％；节流过程　的有效能损失１４．９２％：回热过程的有效能损失　５．２ｌ％：蒸发器的有效能损失１５．３８％。　从计算结果可以看出，要想显著地改善循环　性能，需要从改进冷凝器、蒸发器和压缩机的性　能入手。　３．２影响化霜的因素及解决方法　化霜时间的长短主要同结霜（冰）量有密切　的关系，为减少结霜（冰）量，就需要我们对翅　片表面进行了处理。目前的处理主要有两种：亲　水处理、疏水处理，经过同专业研究机构合作试　￣ｐＲｅ。　ｄ　Ｌ一—０．１５８—２ｖ２ｐ　式中：Ｒｅ：雷诺数：（Ｒｅ＝　ｐｖｄ）；ｖ为速度；ｐ　为密度；ｕ为黏性系数；ｄ为内径。　２．５冷凝器的选用　采用最新旋翅冷凝器，缠绕翅片为冲缝钢　带，旋翅冷凝器具有以下优点：　（１）占用空间小：　验，确定采用亲水处理　亲水处理与非亲水处理　３化霜优化　３．１化霜对冰箱能耗的影响　按照标准的要求，耗电量试验要包括一次　化霜，因此化霜时间的对于测试耗电量的影响比　较大。而在日常使用中，化霜对实际耗电量的影　响主要表现在两个方面：　的结霜对比试验见图３、图４。　从图３、图４可以看出，做过亲水处理的结霜　速度明显偏慢。　对于翅片蒸发器而言，亲水处理可以尽量　避免化霜水在翅片表面形成水珠，结霜时凝结　水在翅片之间形成水桥，减少强制换热面积，　增加气阻，导致通风量降低，噪音增大，耗电　量增加。　（２）钢管外绕钢带增大散热面积；　（３）缠绕的钢带冲缝，缝隙起到扰动效果，　打断空气流过时形成的边界层：　（４）表面采用阴极电泳，美观发亮，防腐效　果好。　Ａ．每次化霜的时间长度；　Ｂ．两次化霜的时间间隔。　（１）减少化霜时间　在化霜电加热功率一定的前提下，减少化霜　时间，提高化霜效率的有效途径有二：一是改进　２．６蒸发器的选择　蒸发器的设计首先要满足两个要求：换热量　和可靠性。　将铜蒸发器翅片进行了亲水处理，并进行了　化霜试验研究，图５是化霜后的对比照片，从中我　们可以看出做亲水处理的蒸发器效果更好。　常用的蒸发器有铝翅片和铜翅片两种，　铝翅片由于重量轻，价格便宜成为许多厂家　的优选。　从导热效果上看，铜的导热系数为４０１Ｗ／　（ｍ・Ｋ），铝的为２３７Ｗ／（ｍ・Ｋ），从热传导的角度讲，　铜质蒸发器的热传导性能更好，铝管略差。因此　从能耗的角度讲，使用铜管较为有利，就防腐蚀　蒸发器的结构，使电加热的热量以更高的效率传　递到蒸发器上，提高传热效率；二是改进翅片表　面特性，降低结霜（冰）量。　（２）蒸发器负载温升对比　将铜蒸发器进行匹配试验后与铝蒸发器进　行了相关的对比试验。实验结果见表１、表２。　３。３化霜时间间隔对比　在不影响性能的前提下，化霜次数尽量少，　时间间隔尽量大，避免化霜过于频繁。因此对化　霜策略进行了调整：主要思路是根据化霜时间的　长短确定每次化霜的间隔。并进行了大量的相关　模拟试验，最终确定了化霜策略，使整机在正常　性的可靠性而言，铜质材料优于铝质。　由于加工工艺的原因，铜蒸发器一般采用整　体翅片，铝蒸发器一般采用的是断开翅片。翅片　是为加强管路的换热而设计的，从理论上分析，　整体翅片和断开翅片相比，后者的强制换热效果　更好。但从化霜的可靠性讲，由于铜管蒸发器在　●‘　Ｉｔ　‘　＿＿＿Ｉ；■Ｌ　，－　样机　化霜平均时间ｒａｉｎ　化霜前／平均温度后冷藏　Ｃ　　化霜前一最高温度　后　冷冻Ｃ　　化姜薯　１：　２鼻　３：　２１　８　２２　２　２２　３　４　５　４　５　４　３，／４　３　４　５　４　５　１　９　ｏ　１７１　８／１７　０　１　９　１　１７　４　１　８　１　７　耗　…　ｎ　＿Ｊ　，　０口７　０　ｑ６　结构和材质上的特点，其对化霜电加热热量的传　导会有更高效率。分别采用铝翅片和铜翅片进行　试验对比验证。　样机　化霜平均帅ｍ　ｎ｛　１　３０　５　３１　２　化霜前／最高温度后冷　Ｃ冻　　化霜前最商差ｃ　后冷冻　　耗电量ｋＷ　ｈ　２４ｈ　４　５／４　６　４　７　４　７　１８　ｇ／１　５　３　１　９　０　一１　５　６　３　６　３　４　１　０２　１　０２　３０　８　４　６／４　７　１　９　２／一１　５　４　３　８　１　０３　２．７毛细管的设计　毛细管在整个系统过程中起到节流、降温、　减压的作用，毛细管长度不够冷冻室温度就不能　达到设计要求，毛细管过长则会导致压差偏大，　样机　化霜平均帅ｍ　ｎ　１　２茸　３：　１　８　４　１　６　９　＿＿一—　ｉ　—ｒ一　—＿＿１　＿＿Ｉ厂——１＿＿　Ｊ　４　７埘７　Ｉ　１　８　ｇ／＿，９　ｆ　１　０　１　５　１　５　１　　Ｉ１　９　１　１　７　８　Ｉ　１　３　『化霎誓　耗电量ｋＷ　ｈ　２４ｈ　０　９５　０　９４　０　９５　功耗上升，制冷剂流量下降，压缩机频繁开机甚　４８家电科技　Ｓｔａｎｄａｒｄ　标准　　ｌ图５化霜后的对比照片　　ｌ一　　【【图６改善前　化霜间隔　Ｉ＝　＝＝　¨　Ｈ　¨　ｚ】　一　耋【一　图８风路循环图　工作条件］＝．，减少了化雨次数。改善前后的效粜　见图６、图７。　由此仞步完成了化街优化试验，并进行了耗　冷风更均匀。进行上述改进后，重新进行试验验　证，冷冻室温差低Ｆ２。ｃ，冷藏室温差低于２℃。　试验表明，优化风路设计　后箱内温麓明显减　少，有效降低了冰箱能耗。　电量试验，试验结粜见表３，表３为亲水处理蒸发　器化霜时间．　表１中的结果相比，化霜时间明显　减少，化霜温度回升明显减小，耗ｌ乜量有了进一　步的降低。　５结沦　本文针对风冷冰箱能耗偏高的问题，通过　对采用面积较火、传热系数较高的旋趔冷凝器使　４　构　案优化　在试验过程中发现大冰箱冷藏、冷冻箱内　温差较人，冷冻室温差高ｊ二３．５￣Ｃ，｝令藏室温差高　ｒ３℃。经过人量试验分析得出主要原因是冷风　小能实现立体送风、循　风路不通畅，因此进行　了改进，即，冷冻室在阻碍冷风循环的托架处底　部开设透气孔，方便冷风循环，如图８所示。　冷藏室存原有风道设计基础上增加远程送　风风道，与原来的风道出风形成三维立体形式，　冰箱冷凝温度降低１～２℃，采用导热系数高的铜　管锅翅片加立体循环循环风使蒸发温度提高１℃　左右，由于冷凝温度降低，蒸发温度提升，压比　参考文献　［１］吴业正．小型制冷装置设计指导［Ｍ］机械工业设计　出版社，１９９９　下降，使压缩机输气系数增人，损耗减少，压缩　机功率得以下降。翅片亲水处理延缓了蒸发器结　［２］陈则韶．高等工程热力学ｑｏｍ科学技术大学出版社，　２０１４．　霜，使蒸发器的除霜频率明显下降，化霜能耗得　到有效控制。通过风冷冰箱节能优化设计使风　冷冰箱能耗比之前下降５％以上。既提高　食品的　保鲜效果，又降低了用户的使用成本。　［３］吴业正．制冷原理及设备，西安交通大学出版社，　２００４．　［４］郁永章，姜培正，孙嗣莹压缩机工程手册。中国石　化出皈社，２０１２．　４９