系统保压阀在冰箱中的应用

施红玉 王红娟 曾理 孙文静 金锡鲁

合肥美的电冰箱有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

1.1 技术背景

目前家用冰箱通常采用单级蒸气压缩系统进行制冷，比较成熟的节能技术主要有提升压缩机效率，改善保温效果，系统匹配等[1]。随着全球能效标准升级，这些较为成熟的节能技术已逐渐趋于瓶颈，在前往极致节能的道路上，需要不断提出新的节能技术，本文重点研究在冰箱制冷循环中增加冷凝器保压技术[2]。

1.2 节能原理

冰箱制冷过程，压缩机周期开停。制冷阶段，蒸气压缩制冷循环的蒸发过程和冷凝过程建立在压缩机阀片内外的压差持续保持条件下，冷凝侧高压高温，向环境侧散热自身液化；另一侧低压蒸发，从冰箱间室内吸热，从而实现对冰箱制冷降温，此循环过程，热量等式表示为[3]：

其中：Qk为冷凝器散热量，Qo为蒸发器制冷量，W为压缩机输入功率。

当冰箱温度降低至停机温度，压缩机停止工作，若无保压阀，系统无法维持冷凝器和蒸发器之间特定的压差，通过节流元件的联通，系统压力逐渐趋于平衡，冷凝侧压力降低，冷媒降压汽化，从环境吸热。此时压缩机机腔温度远高于蒸发器内温度, 蒸发器内冷量通过回气管通道使压缩机机腔温度降低，低于冷凝器温度时，冷凝器向压缩机传热继续对蒸发器加热，蒸发器温度升高至高于冰箱间室温度，从而向间室散热，造成能量损失。直到下一次压缩机开机，压缩机输入功补偿蒸发器冷量损失，建立新的平衡，保持冷凝器/蒸发器在一定的压差下平衡，恢复热量方程。

若在系统中增加冷凝器保压装置，在压缩机停机时保持关闭状态，维持冷凝器/蒸发器中存在一定的压差，能有效降低冷凝器中冷媒汽化，减少从环境吸热，降低能量损失，压缩机再次启动时消耗较低的电功即可恢复平稳运行，从而起到节能效果。

2 制冷系统与控制逻辑设计

2.1 制冷系统设计

图1 冰箱单系统、双系统制冷循环图

如图1a）、b）所示为冰箱单系统、双系统制冷循环图，在干燥过滤器后端增加单向截止阀或带有关闭功能的一进两出电磁阀。相应的选择美的单系统两门BCD360和双系统多门BCD479冰箱作为实验机型进行改制。

2.2 控制逻辑

单系统冰箱中增加冷凝器保压装置，冰箱通电运行，阀复位至全关，冷冻控制压缩机开停，传感器温度高于设定的开机点，冷冻请求压缩机运行，开阀同步进行压缩机启动，判定冷藏传感器温度高于设定冷藏停机点时，通向冷藏风门开启，冷藏降温至低于停机点，风门关闭，冷冻继续请求制冷至达到停机点，压缩机关闭同步阀切断。压缩机停机时，冷藏不请求，即风门不开启。

双系统冰箱中在干燥过滤器与毛细管之间串有一进两出电磁阀，其控制逻辑与正常冰箱运行时请求规则相同，仅在压缩机停机时增加电磁阀切向关闭位置。双系统冰箱正常运行时，冷藏/冷冻均可请求压缩机，冷藏请求优先级高于冷冻。可能出现的请求形式较多：（1）冷藏请求，压缩机启动至冷藏停机时，冷冻未达开机点，压缩机停机，阀关闭，冷藏起到保压作用；（2）冷藏请求，压缩机启动至冷藏停机时，冷冻达到开机点，阀切换至冷冻蒸发器，冷藏起到保压作用；冷冻达到停机点，压缩机关闭，阀关闭，冷冻实现保压；（3）冷冻先请求，压缩机启动，阀切换至冷冻蒸发器，降温至停机点，压缩机停机，阀关闭，冷冻可以保压；（4）冷冻请求未停止，冷藏请求，阀切换至冷藏，停机后冷冻继续制冷至压缩机停机，阀切断，系统保压。此方案不能解决阀切冷藏蒸发器和冷冻蒸发器时造成的系统压力变化、冷媒回流问题。单、双冰箱制冷保压控制逻辑如图2所示。

图2 单、双冰箱制冷保压控制逻辑

3 测试结果分析

为尽可能减少实验测试对验证结果的影响，本研究选择在售单系统机型进行系统改进，增加单向阀，仅通过控制程序调整，对比阀常通不动作、阀与压缩机关联通断模拟保压对系统的影响。

3.1 保压阀对制冷系统的影响

图3 单系统冰箱有无保压装置系统温度变化对比

压缩机停机时，无阀动作冷凝器出口温度迅速降低至环温以下，然后缓慢回升至与环温平衡，阀关闭时冷凝器出口温度缓慢降低。主要是因为压缩机停机，系统没有阀动作，冷凝器出口处冷媒量减少，压力降低，部分冷媒汽化，温度迅速降低甚至低于环境温度，随后与环境换热逐渐回升。

压缩机开机时，阀动作回气温度降低幅度小于无阀状态，且冷凝器出口温度降低——有阀时冰箱有制冷请求，压缩机启动，阀打开，冷凝器出口压力降低冷媒汽化温度降低，蒸发器中冷媒较少，开机瞬间压缩机抽回冷媒，回气与毛细管存在少量换热，回气温度较无阀动作时高。

关阀时蒸发器温度回升较阀常通时缓慢，阀关闭时系统冷媒流动被切断，高低压侧仅靠传导进行热量传递，温度回升低于无阀状态。

3.2 不同环温对保压效果的影响

图3a）、b）为单系统冰箱32℃环境温度下运行，有无保压装置时系统温度变化对比情况。

图4 冰箱有无保压装置时系统温度变化对比情况

图4a）、b）、c）、d）分别为冰箱32℃、16℃环境温度下运行，有无保压装置时系统温度变化对比情况，蒸发器、冷凝器、回气温度变化趋势相同。

图5a）、b）、c）、d）分别为冰箱32℃、16℃环境温度下运行，有无保压装置时系统压力变化对比情况，16℃环温时，压缩机运行时高压侧压力3.44 MPa，低压侧0.59 MPa，停机时间45 min，在停机13 min时系统压力平衡至0.84 MPa。截止阀关闭后仍存在一定冷媒泄露，整个停机阶段，高压侧压力降低至2.99 MPa，低压上升至0.82 MPa。32℃环温下，低压及系统平衡压力与16℃相近，分别在0.55 MPa和0.8 MPa左右，但高压侧压力5.23 MPa降低至4.8 MPa，均降低0.4 MPa左右，则其中冷媒相变比例相近，从环境吸热量相近，说明阀泄露量在不同环温时差异不大，即保压效果相近，为表1为不同环温时保压耗电量的影响测试对比，16℃和32℃环温时，耗电量改善分别为0.0133 kW•h/24 h和0.0138 kW•h/24 h。

图5 冰箱有无保压装置时系统压力变化对比情况

3.3 保压阀提前开启时间对保压效果的影响

32℃环温条件下，阀提前开启时间越短，耗电量越低，结合保压阀的节能原理也是可以理解的，再次开机前，阀提前开启的时间越短，高压侧压力降低越少，冷凝器中冷媒从环境吸热越少，能耗损失越低，节能效果越好。实验发现，提前1.5 min较阀常通状态冰箱耗电量降低2%，进一步缩短阀开启时间时，系统压力较大，受压缩机单体性能影响，时常出现压缩机不能正常启动现象。

表1 不同环温下，保压对冰箱耗电量的影响

表2 阀提前开启时间不同，保压对冰箱耗电量的影响

3.4 阀泄漏量对保压效果的影响

32℃环温条件下，阀泄漏量越低[4]，冷凝器与蒸发器中冷媒流串越少，压力变化较低，冷凝侧从环境吸热少，向冰箱间室内散热少，能量损失越少，保压效果越好，更换0.004 L/min泄露量的阀比0.04 L/min阀耗电量降低0.0193 k•Wh/24 h。

表3 阀泄漏量不同，保压对冰箱耗电量的影响

3.5 化霜前关阀抽空对冰箱耗电量的影响

风冷冰箱制冷时，风机运行将蒸发器冷量带至间室，风温升高湿度较蒸发器处高，流回蒸发器时，温度降低，部分湿气在蒸发器上附着成霜，随着冰箱运行时间延长，蒸发器霜层变厚，影响换热效率，因此化霜是风冷冰箱必要的环节，降低化霜耗电量也是冰箱节能的重要组成。本节主要利用截止阀在化霜进入之前切换至关闭状态，结合压缩机运行对蒸发器内冷媒进行抽空处理，减少蒸发器内冷媒吸热，从而降低冰箱能耗。

阀常通时，化霜前冷凝器温度降低，蒸发器温度回升略高，对比表4显示，有无阀动作时，化霜增量几乎无差异，阀动作比阀常通化霜占比仅低0.4%，若设定24 h化霜一次，耗电量降低0.0028 kW•h/24 h。

表4 关阀抽空对化霜耗电量的影响

4 结论

本文通过一个工程实例，即在美的两门BCD360冰箱上，增加泄漏量为0.004 L/min的保压装置，控制逻辑设置为与压缩机同步关闭，压缩机启动前2 min开启，化霜前关闭阀，压缩机运转0.5 min后，加热丝工作，结果表明改善后耗电量减低0.0359 kW•h/24 h，相比原机能耗改善4.15%。

研究结果证明：

（1）不同环温下，冰箱运行时，低压及平衡压力基本相同，环温越高，高压侧压力越大；系统增加截止阀进行保压时不同环温高压侧压力降低的幅度相近，冷凝器中冷媒从环境吸热相近，对能耗的改善量差别不大；

（2）阀提前开启时间越短对降低能耗越有利，结合压缩机启动性能，本研究认为提前2 min开启最合适；

（3）阀泄漏量降低增加保压阀节能效果，泄漏量从0.04 L/min降低0.004 L/min，耗电量降低0.0193 kW•h/24 h；

（4）化霜时关阀抽空减小蒸发器中冷媒量，减小被冷媒吸收的热量损失，可缩短化霜时间0.5 min，能耗改善0.4%。