隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步及人們生活水平的提高，電冰箱已成為不可缺少的生活必需品。世界冰箱產(chǎn)量約80×106臺(tái)/年，其中APEC國家達(dá)45×106臺(tái)/年^[2]。近10年來，我國電冰箱產(chǎn)量呈迅猛增長之勢，年均增長11.1%^[3]，其耗電量占民用總用電量的比例越來越大。電冰箱節(jié)能已成為能源工作的重要組成部分，也是電冰箱行業(yè)發(fā)展的永恒主題及熱點(diǎn)。而電冰箱制冷循環(huán)形式是其節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)，本文以河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目^[1]——電冰箱節(jié)能技術(shù)研究的研發(fā)實(shí)際，淺析電冰箱制冷循環(huán)與節(jié)能。

2.1 單路循環(huán)制冷系統(tǒng)：也稱雙溫單控系統(tǒng)，兩種典型系統(tǒng)如圖1、圖2。

    圖1為普通電冰箱經(jīng)常采用的單路循環(huán)制冷系統(tǒng)，僅具有單一的一套運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。一般冷藏室溫度靠機(jī)械溫控調(diào)節(jié)，而冷凍室溫度則據(jù)系統(tǒng)的匹配隨冷藏室溫控器的擋位及環(huán)境溫度變化而變化，無法單獨(dú)受控。

    圖2為L-M循環(huán)系統(tǒng)圖。是Lorenz和Meutzner提出的用于冷凍、冷藏箱的循環(huán)，應(yīng)用非共沸混合工質(zhì)的蒸發(fā)過程中，由于各組分的相變溫度不同而使整個(gè)混合物的飽和溫度不斷變化，從而導(dǎo)致溫度滑移效應(yīng)，據(jù)所需溫度滑移溫差大小，適當(dāng)選擇混合工質(zhì)以滿足不同溫度的冷量供應(yīng)。從圖中可知，節(jié)流后的制冷工質(zhì)先進(jìn)入冷凍室蒸發(fā)器，再進(jìn)入冷藏室蒸發(fā)器，在兩個(gè)蒸發(fā)器之間引入了一個(gè)中間熱交換器，利用非共沸混合工質(zhì)所特有的溫度滑移效應(yīng)，使其在低溫蒸發(fā)器中部分蒸發(fā)，再進(jìn)入中間換熱器，一方面進(jìn)一步降低節(jié)流閥前工質(zhì)溫度，另一方面提高高溫蒸發(fā)器前工質(zhì)的進(jìn)口溫度，以彌補(bǔ)非共沸混合工質(zhì)滑移溫差較小的不足，從而減小了高溫蒸發(fā)器的傳熱溫差，降低了火用損失，提高了系統(tǒng)的COP值。

2.2 雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)：也稱雙溫雙控系統(tǒng)，較典型的有圖3、圖4、圖5、圖7等四種。

    圖3所示系統(tǒng)，可據(jù)冷藏或冷凍室對制冷量的不同需求，通過電磁閥控制分配流向冷藏室或冷凍室的循環(huán)制冷劑，冷凍室和冷藏室溫度分別可以由溫控器獨(dú)立控制。

    圖4示系統(tǒng)為冷藏蒸發(fā)器與冷凍蒸發(fā)器并列制冷，相互間不受影響。冷藏蒸發(fā)器和冷凍蒸發(fā)器分別受兩室的溫度控制，兩室的制冷是輪流進(jìn)行，當(dāng)冷藏室要求制冷時(shí)，三通電磁閥會(huì)接通冷藏室蒸發(fā)器，使制冷系統(tǒng)只對冷藏室制冷，當(dāng)溫度達(dá)到要求后，會(huì)自動(dòng)停止冷藏室制冷；當(dāng)冷凍室要求制冷時(shí)，三通電磁閥會(huì)接通冷凍室蒸發(fā)器，制冷系統(tǒng)只對冷凍室制冷。由于兩室的制冷過程互不關(guān)聯(lián)，因此兩室的溫度也相互不影響，從而保證兩室的溫度相對穩(wěn)定，也由于兩室的制冷相對獨(dú)立，可以分別作不同的溫度調(diào)節(jié)或停止制冷運(yùn)轉(zhuǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)對各種使用環(huán)境和溫度環(huán)境的適應(yīng)要求。

    圖5為雙溫冰箱冷藏室和冷凍室蒸發(fā)器并聯(lián)的壓縮/噴射混合制冷循環(huán)系統(tǒng)，圖6為其循環(huán)壓焓圖。壓縮機(jī)CP出口的過熱汽2經(jīng)過冷凝器C變成冷凝液3，然后，一路通過冷藏室節(jié)流機(jī)構(gòu)T_h形成濕蒸汽4，另一路通過冷凍室節(jié)流機(jī)構(gòu)T₁形成濕蒸汽6；冷藏室蒸發(fā)器出口的飽和蒸汽5經(jīng)噴嘴降壓加速達(dá)到狀態(tài)8，與被引射的冷凍室蒸發(fā)器出口蒸汽7混合成蒸汽9，再經(jīng)噴射器的擴(kuò)壓段降速升壓形成過熱蒸汽1進(jìn)入壓縮機(jī)，從而構(gòu)成了這種理論的混合制冷循環(huán)。與簡單循環(huán)情況下的壓縮機(jī)氣體進(jìn)口狀態(tài)7相比，狀態(tài)1的壓力高，比容小，因而壓縮機(jī)的耗功減少，排汽量增加；同時(shí)，混合制冷循環(huán)的節(jié)流損失減小，單位質(zhì)量制冷量增大，因而混合制冷循環(huán)的性能系數(shù)和容積制冷量都將顯著提高。

 

    圖7為另一種壓縮/噴射混合制冷循環(huán)，簡稱CJM循環(huán)。它采用兩次節(jié)流，兩個(gè)蒸發(fā)器，并增加了一個(gè)噴射器和氣液分離器。該循環(huán)因?yàn)闇p少了高溫蒸發(fā)器的傳熱溫差，降低了高溫蒸發(fā)器的火用損失，同時(shí)，由于噴射器的作用提高了壓縮機(jī)吸氣壓力，減少了壓縮機(jī)耗功，從而使系統(tǒng)的COP值和制冷量均有明顯提高。顯然，CJM循環(huán)無論采用純工質(zhì)或非共沸混合工質(zhì)時(shí)，都會(huì)有節(jié)能效果。理論研究表明^[4]，當(dāng)噴射器噴嘴和擴(kuò)大壓管的效率均為0.8時(shí)，這一循環(huán)同CFC-12簡單循環(huán)相比，在使用非共沸混合工質(zhì)時(shí)，COP值可提高20%，使用R134a時(shí)，COP值約提高12.4%。

2.3 多路循環(huán)制冷系統(tǒng)：典型的有三路循環(huán)制冷系統(tǒng)，如圖8示。該系統(tǒng)有3個(gè)獨(dú)立的制冷回路，2個(gè)電磁閥及先進(jìn)的智能控制器。該系統(tǒng)可將制冷劑按需供給冷藏室、冷凍室以及生物保鮮室內(nèi)的三個(gè)獨(dú)立蒸發(fā)器，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)間室內(nèi)溫度的精確控制。當(dāng)三個(gè)室同時(shí)需要冷量時(shí)，智能控制器將根據(jù)生物保鮮室及冷藏室優(yōu)先分配原則配給冷量。

2.4 雙機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)：即為冷藏室外冷凍室分別提供一套獨(dú)立的包含各自的壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器的制冷循環(huán)，以滿足冷凍室、冷藏室不同的溫度要求。經(jīng)理論分析并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，雙機(jī)循環(huán)在同等條件下比簡單循環(huán)節(jié)能12%^[5]。

2.5 雙級制冷循環(huán)系統(tǒng)：為降低電冰箱能耗，已有多種雙級制冷系統(tǒng)冰箱問世，這些冰箱高、低壓級的兩個(gè)壓縮機(jī)均工作于較低的壓力比之下，大大減小了耗功率，其壓焓圖如圖9所法。有文獻(xiàn)指出，在相同總制冷量情況下，該系統(tǒng)比單級制冷系統(tǒng)節(jié)能48.6%^[6]。

3.1 電冰箱能耗與制冷循環(huán)對比分析

    圖1所示單路循環(huán)制冷系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于環(huán)境溫度變化、開門次數(shù)多少及放置食品狀況等影響，使冷凍、冷藏間室的冷量負(fù)荷比不可能保持在設(shè)計(jì)值。夏天，往往因?yàn)榄h(huán)溫較高，造成壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，使冷凍室溫度偏低，浪費(fèi)了電能。冬天，經(jīng)常需要打開溫度補(bǔ)償開關(guān)，以幫助壓縮機(jī)啟動(dòng)，也造成電能的浪費(fèi)。而圖2的L-M循環(huán)必須采用非共沸混合工質(zhì)（嚴(yán)格的成份要求），這種循環(huán)的應(yīng)用必須以制冷劑研究成果為前提，對純工質(zhì)及近共沸混合工質(zhì)沒有混度滑移特性，采用L-M循環(huán)不會(huì)有節(jié)能效果。

    對雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)，如圖3示，由于引入了電磁閥和電子溫控裝置，所以其成本相對地單路循環(huán)制冷系統(tǒng)有所增加，但系統(tǒng)的匹配性能卻比單路循環(huán)系統(tǒng)好，對大容積冷凍室電冰箱節(jié)能效果明顯。而圖4的兩只蒸發(fā)器并列制冷且都控制壓縮機(jī)運(yùn)行，極易造成開機(jī)頻繁現(xiàn)象。圖5示制冷循環(huán)雖然比簡單循環(huán)性能系數(shù)高，容積制冷量大，但其主要解決因冷藏室傳熱溫差太大而造成可觀的可用能損失問題，即火用損失。故對小冷藏室冰箱應(yīng)用節(jié)能效果不明顯，而且噴射器合理設(shè)計(jì)及與毛細(xì)管合理匹配是兩個(gè)重要問題。而圖7的CJM循環(huán)采用兩次節(jié)流，并增加了噴射器及氣液分離器，兩個(gè)蒸發(fā)過程均需單獨(dú)的溫度控制裝置，且冷凍室冷卻速度緩慢。

    對多路循環(huán)制冷系統(tǒng)（如圖8示），需通過多個(gè)電磁閥、多個(gè)獨(dú)立的蒸發(fā)器及先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)才能使各室溫在一個(gè)不同季節(jié)環(huán)境下得到精確控制。而雙機(jī)制冷循環(huán)系統(tǒng)雖然節(jié)能顯著，但冰箱的制冷系統(tǒng)復(fù)雜，成本增加，且會(huì)使壓縮機(jī)容積效率變小，對歐美等國家普遍使用的500L以上冰箱才是經(jīng)濟(jì)合理的，對我國廣泛使用的200L左右冰箱并不合理。而雙級制冷循環(huán)系統(tǒng)由于成本及系統(tǒng)復(fù)雜性等原因目前未能推廣，國外市場占有率也很低。

3.2 電冰箱制冷循環(huán)主要特點(diǎn)的定性分析

    電冰箱五種典型制冷循環(huán)主要特點(diǎn)的定性比較見表1。

    從表1分析，單路循環(huán)制冷系統(tǒng)采用一個(gè)蒸發(fā)器同時(shí)對冷凍室和冷藏室降溫，系統(tǒng)的匹配性差，兩室的蒸發(fā)溫度基本一樣，冷藏室與冷凍室相比，傳熱溫差甚大，從而導(dǎo)致冷藏室制冷系數(shù)下降。多路循環(huán)與雙機(jī)和雙級制冷循環(huán)雖然可使各室溫度得到準(zhǔn)確控制節(jié)能效果明顯，但是，設(shè)備增加，制冷系統(tǒng)復(fù)雜，成本增大，市場占有率不大。雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)既使各室溫得到較好控制又節(jié)能降耗且系統(tǒng)簡單、成本較低。但它也存在一定問題。本項(xiàng)目在研制過程中綜合各種因素，完善雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)，并且改進(jìn)控制方式，既解決目前應(yīng)用較多的雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)存在的問題，又達(dá)冰箱節(jié)能降耗之目的。

4.1 雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)存在問題

    對雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)，合理的溫控方式是各間室獨(dú)立控溫，使每個(gè)間室的溫度控制在規(guī)定規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，但是在實(shí)際生產(chǎn)和使用中，這種雙溫雙控方式因冷凍、冷藏兩個(gè)溫控器都控制壓縮機(jī)，有時(shí)一個(gè)溫控器剛關(guān)機(jī)，另一個(gè)又馬上要求開機(jī)，因制冷系統(tǒng)未平衡造成壓縮機(jī)啟動(dòng)功率增大，啟動(dòng)困難以及熱保護(hù)器動(dòng)作等，影響壓縮機(jī)及其附件的使用壽命，頻繁開、停機(jī)，耗電量也因此增加。

4.2 解決方案

    本項(xiàng)目提出的解決方案有兩種，其一，完善電路或采用電腦智能控制的方式解決。其二，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的變溫控制技術(shù)。如圖10所示，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1與變溫室蒸發(fā)器并聯(lián)，據(jù)變溫室溫度設(shè)定控制兩個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通、斷特性，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)支路的運(yùn)行。
支路一：制冷劑由壓縮機(jī)、門邊除漏管、主副冷凝器、干燥過濾器、毛細(xì)管經(jīng)變溫室蒸發(fā)器、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機(jī)形成循環(huán)回路。支路二：制冷劑由壓縮機(jī)、門邊除漏管、主副冷凝器、干燥過濾器、毛細(xì)管經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1、冷凍室蒸發(fā)器、冷藏室蒸發(fā)器、貯液器和回氣換熱器后回到壓縮機(jī)形成循環(huán)回路。

點(diǎn)擊放大

    在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，電冰箱由上而下分為冷凍室、變溫室和冷藏室（變溫室也可設(shè)置在冷凍室或冷藏室內(nèi)部），各間室都有相對獨(dú)立的蒸發(fā)器。變溫室蒸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)較大，滿足變溫室作為三星冷凍室的匹配。而該間室作為其他功能間室使用（如冷藏、軟冷凍等）時(shí)，可以通過設(shè)在變溫室的溫度傳感器將溫度信號送至電冰箱的控制裝置中，控制裝置據(jù)溫度設(shè)定值對雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通路進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電冰箱啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電磁閥1、2年于通電狀態(tài)，系統(tǒng)按照支路二形成的循環(huán)回路運(yùn)行，同時(shí)變溫室的溫度傳感器檢測變溫室的溫度。變溫室溫度若在變溫室的設(shè)定溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)按照支路二形成的循環(huán)回路繼續(xù)運(yùn)行。若檢測到溫度高于變溫室設(shè)定值上限，電冰箱的控制裝置使雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1處于斷電狀態(tài)，而雙穩(wěn)態(tài)電磁閥2仍通電，系統(tǒng)按照支路一形成的循環(huán)回路運(yùn)行，直到溫度傳感器應(yīng)到溫度低于變溫室的溫度設(shè)定值下限時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥1執(zhí)行通電通作，而雙穩(wěn)態(tài)電磁閥2斷電，系統(tǒng)又按支路二循環(huán)回路運(yùn)行。此時(shí)冷凍室和冷藏室溫度繼續(xù)下降，直到冷藏室溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，壓縮機(jī)停機(jī)，系統(tǒng)如此往復(fù)循環(huán)。這種設(shè)計(jì)，控制壓縮機(jī)啟停的是冷藏室溫度，而變溫室溫度的設(shè)定及變化僅控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的通斷，以切換制冷劑流向，并不直接控制壓縮機(jī)的運(yùn)行，故可較好解決雙路循環(huán)系統(tǒng)存在的頻繁開、停機(jī)現(xiàn)象，既使壓縮機(jī)及其附件壽命延長，又減少啟動(dòng)功率，耗電量也隨之降低。

    需要指出，變溫室蒸發(fā)器按三星級冷凍室要求（-18℃）與冷凍、冷藏室蒸發(fā)器匹配，制冷劑充注量也按變溫室為冷凍室制冷能力充注，這樣一來，通過溫度設(shè)定控制雙穩(wěn)態(tài)電磁閥以切換制冷劑流向，可將變溫室按冷凍室或軟冷凍（-7~-10℃）或冷藏室使用，也可關(guān)閉，與可關(guān)閉，與同樣大小固定冷凍室容積的電冰箱相比，此變溫技術(shù)既滿足消費(fèi)者對冰箱溫區(qū)的多方需求，又節(jié)能降耗，為高效節(jié)能使用電冰箱提供廣闊前景。表2為能耗實(shí)測數(shù)據(jù)（變溫室由冷凍室分割形成），可以看出，單獨(dú)調(diào)高冷凍室溫度（將變溫室作為軟冷凍室或冷藏室）可以節(jié)能，單獨(dú)關(guān)閉變溫室更加節(jié)能。

    綜合分析電冰箱的典型制冷循環(huán)，本項(xiàng)目采用并研究了雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)，針對雙路循環(huán)制冷系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問題，改進(jìn)控制方式，完善制冷循環(huán)，通過變溫控制技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，既滿足消費(fèi)者對冰箱溫區(qū)的多方需求，又顯著節(jié)能降耗。研制的BCD-186CHS節(jié)能冰箱在最大負(fù)荷時(shí)日耗電0.39度（每百升容積耗電小于0.24度），而在節(jié)能狀態(tài)下耗電在0.35度以下，最低達(dá)0.31度。