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家用冰箱节能研究新进展(上)----制冷系统部件节能的研究
随着家用电器的普及，家用电器的节能问题越来越受到关注。在欧洲，家用制冷设备消耗了欧洲总发电量的4%[1]。由于家用冰箱日益普及，产品也向大容量、多间室和方便使用的方向发展，将来冰箱能耗占家庭总能耗的比例（美国为135）会越来越高。这表明，21世纪的能源危机中，冰箱是否节能对于能源安全具有重要的意义。
冰箱在生产、使用和最后的报废过程均对环境产生污染。近几年，人们进一步认识到，冰箱在长期使用过程中耗电的间接影响是最大的。由于耗电产生的间接有害物占生产、使用、报废全过程中所产生的有害物的90%左右，因此冰箱的节能不仅对经济而且对环境保护也有深远的意义。提高冰箱能效比，已经受到世界各国政府和冰箱生产企业的普遍重视。为了鼓励企业和用户生产、购买节能冰箱，世界各国采取了一系列措施。据统计，到2001年，已经有37年国家和地区实施了能源效率新标准，如欧洲的节能计划（SAVE Programme），美国能源部（DOE）、环保署（EPA）和工业介共同发起的能源之星（Energy Star）计划等。这些标准的实施有效地推动了冰箱节能的进程。
1、箱体保温层的研究和改进[2]
对于家用冰箱，箱体的漏热和压缩机运行能耗对整机的能耗高低，起着决定性作用。因此研究者在不断改进压缩机性能，提高压缩机效率的同时，对提高冰箱箱体的隔热性能也做了不懈的努力。到目前为止，PU发泡材料仍然被视为最流行的隔热材料之一（导热系数为21mW/m·K）广泛应用于冰箱、冷柜、展示柜和其它商用制冷设备中。然而，由于用于PU发泡剂中的HCFC-141b将被限制使用并将最终被淘汰，因此必须研究其他合适的隔热材料。基于环保和节能的考虑，先进的真空绝热板不仅符合未来环保的要求，也具备了良好的隔热性能（导热系数约为6 mW/m·K）。Yen-Ming Chang等[2]测试了两台冰箱样机，均为上冷冻室双门结构，总有效容积为480升，并具有“四星级”（-24℃）冰箱的冷冻能力.其中一台冷冻室箱体隔热层的58%采用真空绝热板，冷藏室箱体的21%采用真空绝热板，其他隔热结构采用PU发泡材料填充；另一台冰箱样机箱体保温层全部采用PU发泡材料。实验测量表明，各间室的总体换热系数对于箱体和环境之间的温差不敏感，而在相同的环境下，使用真空绝热板的箱体比PU发泡材料具有更好的隔热性能。在不同的箱体内外温差下，箱体的漏热系数没有明显的变化，而随着温差的增大，总体换热系数也逐渐增大。同时对比两冰箱样机的测量结果可以明显看出，采用真空绝热板的冰箱的漏热系数比使用传统的PU发泡材料的冰箱降低了10%，如果不考虑冷冻室冷藏室之间的温度梯度，采用真空绝热板的冰箱的热负荷也降低了10%。在较大温差下，两台冰箱冷冻室和冷藏室的总体换热系数相差不大。当冷冻室温度达到-18℃同时冷藏室温度达到以3℃时，采用PU发泡材料的冰箱样机的热负荷为78W，使用真空绝热板的冰箱样机热负荷为72W。这说明采用真空绝热板可以降低热负荷。同时采用红外温度成像仪测得冰箱样机表面的温度分布表明，采用PU发泡材料的冰箱样机表面与环境之间的温差大于采用真空绝热板的冰箱样机。因此采用真空绝热板的冰箱样机。因此采用真空绝热板的冰箱具有较小的漏热系数和更好的隔热性能。冰箱的运行试验结果还表明，采用真空绝热板的冰箱样机的开停周期较长，然而其功率比采用PU发泡材料的冰箱高出4.2%，但是其压缩机开机时间较短，因此在长期运行时采用真空绝热板的冰箱总体能耗较低。
2、采用新型制冷剂的换热器设计
由于CFC类制冷剂替代日期日益临近，各国学者和生产商对于替代制冷剂做了大量的研究，目前碳氢化合物及其混合物在冰箱中的应用取得了突破性进展。在20世纪90年代初期，德国和瑞典的制造商将采用HC-600a或HC-290/HC600a混合物作为制冷剂的的家用冰箱推向市场，与采用HCFC制冷剂的冰箱相比，这些冰箱具有高可靠性和低能耗的特点。使用适当比例的HC-290/HC600a混合物作为制冷剂有可能降低压缩机的能耗，然而由于组分在冷凝和蒸发过程中的热力性能与单一制冷剂不同，因此需要对混合物的传热条件以及换热器的结构和表现进行研究。在建立使用HC混合物的冷凝器数学模型之前，必须得到单一HC制冷剂的热力学性能。为了得到HC混全物的热力学性能，必须选择合适的管内两相流冷凝过程的模型来模拟实际的流动，也需要对许多与流动结构有关的参数，如混合物的组分和比例，混合物每一相的粘性和密度，液相的表面张力，管路的几何参数，压力等进行分析。并且要分析传热条件，例如混合物与管路内壁面的温差，每一相的流动方向，液相的换热系数，冷凝液体的流动方式和热通量等。所有这些参数都随着管路长度的不同而变化。
实验结果表明，在假设的参数条件下，采用均相模型计算双组分HC混合物冷凝换热可以得到很好的结果。对于40%~60%R290和R600a的混合物，在3.3mm直径的管内冷凝时，当质量流量为0.0035kg/s~0.005kg/s时，采用Akers-Adams和Cavallini-Zeccin关联式效果最好，误差在-1%~+9%之间；当质量流量为0.007 kg/s~0.009 kg/s时，采用Shah关联式效果最好，误差在+2%~+12%之间。这些结论为采用HC制冷剂及其混合物的冰箱冷凝器的设计提供了依据。
3、新型节流装置的采用
1999年Clodic发明了使用微型透平机节流的制冷系统。制冷剂膨胀产生的机械可以驱动一个或者多个换热器的风扇。文献[3]测量了一台290升的家用风冷式冰箱，采用透平膨胀机代替毛细管。测试结果表明，在假设膨胀机效率为80%的条件下，由于采用透平膨胀机，COP提高了1.1%并产生了1.12W的机械功，因此要求透平膨胀机产生的机械功可以保证风扇产生足够的强制对流能力。为了提高透平膨胀机产生的机械力，最好的途径就是降低过冷度。图1给出了透平膨胀样机产生的机械功和制冷量随过冷度变化的曲线。过冷度的提高可以提高产生的机械功但是降低了制冷量，也因此降低了系统的COP。在这种情况下，系统的节能来源于用机械功代替了电能来驱动风扇。
（图片） 图2给出了不同过冷度下能耗计算结果与参照系统能耗的对比。其中模拟结果1为相对于参照过冷度（26.7K）节能10%。模拟计算2、3和4分别将过冷度降低为23.7、20.7和19.7K，分别节能9%、8.5%和8%。模拟计算4种透平膨胀机产生的机械功驱动风扇时，在循环COP降低的同时节能也是可能的。
（图片） 欧洲及美国、日本和许多其他国家都制定了法规来降低家用电器尤其是家用制冷装置的能耗。由于这些法规的制定，设备和部件的设计者不得不改进设计来提高它们产品的能效比。对于制冷装置能效比提高的可行方案进行的技术评测表明，全封闭压缩机引入的许多技术革新已经将其能效比提高了约60%；通过增加保温层厚度来减少漏热，保温层的厚度已经增加了20~30%；在无霜制冷装置和冰箱中由电机驱动的风扇的效率也由于技术进步有了提高，电子控制的引入可以更好地控制设备的温度并减小了家用压缩机开/停的高效和低效的差别；换热器的优化提高了蒸发温度并降低了冷凝温度。许多制造商都采用了这些措施使得它们的产品达到了欧洲A级标准，但是新的能耗限制标准的引进对能耗提出了更高的要求，因此生产厂家需要用更先进的方法使制冷装置达到更好的运行性能。
1、制冷系统模型研究
随着计算机技术的发展，制冷系统的计算模拟已经成为冰箱节能研究的重要手段之一，因此不断地研究制冷系统计算模型并提高其预测的准确性已经成为一项重要课题。在冰箱制冷系统计算模拟中，有限元法，有限差分法、有限容积法以及计算流体动力学等方法得到了广泛地应用，然后这些模型均比较复杂，也运用不够灵活，同时需要比较长的求解时间。为了得到一个简单且方便实用的集中参数模型，Giovanni Cerri等人[1]对一台冰箱样机（RE125 Aut.）在无负载条件下进行动态性能实验研究，将冰箱一个运行周期分成若干时间段，研究了每个特征时间段冰箱运行的特点以及与总体能耗的关系，提出了研究冰箱动态运行性能的模型。该模型的计算结果与实验结果吻合良好，说明该模型可以很好地体现冰箱的实际运行性能，是研究冰箱在一段时间内温度和能耗随时间变化的有力工具，并将为冰箱性能的改进提供依据。
2、影响冰箱能耗的因素
从工作环境进入冰箱内的水蒸气是冰箱的主要负荷之一。在冰箱门处于关闭状态时，水蒸气通过门封和壁面渗透进入冰箱内。当冰箱门打开时，大量流入的空气携带的水蒸气造成了冰箱内水的凝结。Cemil Inan等人[2]分析了冰箱门处于开启和关闭两种状态下，冰箱内部与环境之间的湿交换。在冰箱门处于关闭状态时，提出了两个理想模型和一个经验模型。第一个理想模型就是简单的水蒸气扩散模型来描述水蒸气通过门封的传递。另一个理想模型将冰箱视为定压而不是定容系统，在冰箱制冷系统的一个开停循环中，间室内温度的变化引起压力的变化，使得冰箱内部压力与环境压力存在压差变化，造成水蒸气的渗入，该模型被形象地称为间室呼吸模型。经验模型是基于一系列实验数据提出的。当冰箱门处于开启状态时，由于冰箱内冷空气与环境空气的密度差造成内外空气自然对流。实验研究表明此时的内外空气交换可以分为两个基本阶段，初始阶段和稳定阶段。初始阶段时间在10秒以内，10秒后空气交换进入稳定阶段。由于不知道箱内空气和环境空气的混合情况，因此很难给出精确描述初始阶段的模型，而给出了一个简化的空气流量模型。在稳定阶段，流入冰箱内的空气气流的面积大于流出箱内气流面积，而其速度相对较小。文献中给出了质量传递系数的一个估算公式。冰箱间室内外水蒸气的传递影响了冰箱蒸发器的结霜和除霜过程，也从而影响了系统能耗。为了更准确得出冰箱内外水蒸气的传递规律，需要进行进一步的研究工作。例如，进行热质传递模型的验证来确定基于自然对流的质量传递模型是否可行，研究当食品暂时从间室内取出时对于冰箱湿负荷的影响，进一步研究冰箱内外水蒸气传递的现象和机理等。
为了更详细了解冰箱内自然对流换热和空气流动情况，Sami Ben Amara等人[3]对一台直冷冰箱样机在环境温度20℃±0.2℃条件下空箱状态安装食品层架和不安装食品层架的运行性能进行了实验研究，测量了箱内空气温度分布。同时采用CFD软件对箱内空气流动和换热情况进行了数值模拟。数值模拟的结果表明，箱内温度从底部到顶部逐渐升高。在没有层架时，同一高度上温度分布大致是均匀的，热边界层的厚度在蒸发器的顶部较小并且逐渐增大一直到蒸发器的底部，平均厚度约1.5cm。在安装了透明层架时，温度层分布与没有层架类似，且温度边界层基本相同，但是在两个层架之间温度分布相对均匀。尽管在两种情况下冰箱上半部的温度接近，但是下半部的温度比没有层架时低。层架的存在将平均温度提高了约0.5℃。速度场的计算结果表明，在没有层架时，冷空气以加速度沿着蒸发器壁面向下流动，直到蒸发器底部速度矢量达到最大，然后空气沿着门的壁面以减速向上流动，而由通过门的传热使空气温度上升。冰箱顶部空气几乎不流动，这也是造成顶部温度高的原因。当安装了层架时，空气在沿着蒸发器壁面和门流动的同时在层架之间有回流产生。回流在地层最明显而其他各层更加混乱。最大流速低于没有层架时的最大流速。与实验结果相比，在没有安装层架时，计算结果中温度普遍高于实验测量温度，尤其在顶部更加明显。这可能是由于在计算模型中没有考虑壁面辐射造成的。因此在进一步的研究中需要考虑箱体各壁面之间的辐射换热对于箱内温度分布的影响。而在安装了层架的情况下，温度预测与实验测量更加接近，这可能是由于层架起到了阻隔辐射作用的结果。这些研究结果对于设计者和用户都有很好的指导作用。
冰箱使用环境如房间的温度和湿度，也是影响冰箱能耗的重要因素。Yamina Saheb等人[4]在假定制冷剂流动为一维牛顿稳态流动，制冷剂在任何横截面上均匀分布，两相流处于动态平衡状态，液体和蒸汽均匀混合且速度相同等条件下，分析并得出了毛细管、换热器和压缩机的模型，构造了制冷系统和工作环境的耦合模型，并预测了厨房温度对于冰箱能耗的影响。同时对处于不同环境下的两台冰箱样机进行了实验研究，得出了环境条件变化对于冰箱能耗影响的实验数据。
研究结果表明，所构建的厨房环境和家用冰箱的耦合模型可以用来预测厨房温度对冰箱能耗和家庭总能耗的影响。同时用稳态模型预测了制冷系统各个部件中的制冷剂参数如压力、温工和速度等，预测结果与以前文南中给定的一致。实验结果表明随着室内温度的不同，冰箱的能耗也将发生变化。
节能、环保和方便使用将是冰箱发展的主要方向，而其中节能将是冰箱产品竞争力中的最主要因素。我国冰箱行业起步较晚，虽然发展很快，但是与世界先进水平仍然存在一定的差距。不断获取和应用国内外先进的技术和经验，提高产品的质量，是当前国内冰箱企业面临的重要任务，也只有这样才能在国际市场竞争中取得一定的位置。
5/11/2004
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