带蓄冷型蒸发器节能冰箱的分析研究

丁 淼，程文龙，袁旭东(.中国科学技术大学 热科学和能源工程系，安徽 合肥 3007；.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 3007)

带蓄冷型蒸发器节能冰箱的分析研究

丁 淼1，程文龙1，袁旭东2
(1.中国科学技术大学 热科学和能源工程系，安徽 合肥 230027；2.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230027)

蒸发器的传热性能对冰箱的功效有较大的影响。本文提出一种新型冰箱，该新型冰箱将蒸发器和储能材料结合起来构成蓄冷型蒸发器，使蒸发器在一个完整周期内从间歇式换热转变为连续性换热。为了分析新型冰箱的传热性能和节能效果，首先建立了冰箱循环中有蓄冷相变材料蒸发器的传热模型，然后建立了冰箱整体的动态仿真模型，最后分别对带蓄冷型蒸发器和传统蒸发器的双门三星级箱壁式冰箱进行传热性能及能耗的分析。模拟分析结果显示：相比于传统冰箱，由于蒸发器的传热性能得到显著提高，新型冰箱节能效果显著，电能损耗可以降低20%左右。

家用冰箱；蓄冷型蒸发器；节能；数学模型；动态模拟

0 引言

家用冰箱作为一种全天候的家电，在家庭用电消费中占据相当大的比重。在我国，随着冰箱的普及，据预计未来15年我国冰箱每年耗电量将达400亿度以上。因此，冰箱节能对于我国缓解能源短缺和减少温室气体排放有着重要意义。目前提高冰箱制冷系统性能的主要途径有：提高压缩机性能[1]、强化隔热保温[2]、提高换热器性能[3-6]等方面。上述方法国内外大量的研究者都进行了深入探讨，并且取得令人可喜的结论[7-9]。但是上述的许多技术方法发展得相对成熟，在现阶段已遇到难以进一步提高的瓶颈问题。因此，进一步获得更好的冰箱性能需要另辟蹊径。

其中一种方法是用适当的相变材料对冰箱的蒸发器和冷凝器进行改造。定形相变材料潜热大，具有出色的吸热和放热能力，同时解决了相变材料的渗漏和变形问题，所以可以当作储能材料在许多领域得到应用[10-13]。我们实验室已经对带蓄能冷凝器冰箱进行了相应的研究，发现其具有较好的节能效果[14-15]，本文进一步对带蓄冷蒸发器冰箱进行分析研究。

蒸发器是冰箱的重要部件，通过蒸发器可以将制冷系统的冷量带给室内空气，从而将室内空气温度降低到设定温度，并抵制冰箱漏热带来的不利影响以维持空气处于设定温度之下。因此蒸发器换热性能的好坏直接影响着整个制冷系统的工作效率。为了提高蒸发器换热性能，增加蒸发器与室内空气之间的换热系数是一个办法，但是对于直冷式冰箱而言，蒸发器与空气之间的换热属于自然对流换热，而在自然对流换热中很难提高换热系数，因此改善蒸发器性能就只能选择别的办法。

将蓄冷型定形相变材料作为储能材料，结合蒸发器和蓄冷储能材料组建成蓄冷型蒸发器是本文的研究方向。蓄冷材料的相变温度要低于冰箱室内设定温度。对于蓄冷型蒸发器而言，当冰箱压缩机开始工作后蒸发管会从蓄冷材料吸收热量或者理解为将冷量传递给蓄冷材料，就会有一部分相变物质从液态转变为固态，在此期间会利用潜热将一部分冷量存储起来；当冰箱压缩机停止工作时，会有一部分相变物质从固态转变为液态，这时存储在材料中的冷量就会释放给室内空气，从而实现蒸发器与室内空气的连续换热。此外，带有蓄冷型蒸发器的新型节能冰箱还可以在断电后较长时间内保持冰箱内温度的稳定。

本文对带有蓄冷型蒸发器的新型节能冰箱进行了研究，建立了蓄冷蒸发器的数学模型和冰箱整体的动态模型，通过模型分析和对比，发现通过这种方式，可以显著增加蒸发器整体换热性能，延长了冰箱停机时间并增加了在一个周期内的停机开机时间比，从而实现冰箱耗电量的降低。为冰箱节能技术开辟新的思路。

1 蓄冷型蒸发器数学模型

安装有蓄冷材料蒸发器的新型冰箱，当冰箱压缩机开始工作时，有一部分冷量传递到相变材料并存储为潜热，部分相变材料从液态变为固态。反之，压缩机停止工作时，相变材料将存储的冷量排放到室内，由此将冰箱蒸发器在一个完整周期内从间歇式换热转变为连续性换热，换热能力得到显著提高。

蓄冷型蒸发器二维结构图如图1所示：

图1 蓄冷型蒸发器二维结构简图

由于蓄冷型相变材料属于定形储能材料，因此在有机物发生相变时，热传导仍然可以认为是储能材料中唯一的传热模式。因为定形相变材料相变时其形状变化不大，因此可以做“单一固相”假定[16，17]。蓄冷型相变材料的二维导热微分方程表达如下：

(1)

对于上述公式，仍然采用有效热容法来处理相变潜热。由于不同类型烷烃的相变潜热区别不是很大，因此通过对多种可能的储能材料的综合考虑及实验室的前期研究成果，本文选取相变材料的物性参数如表1所示：

表1 定形相变材料物性参数

相变温度/℃有效热容/kJ·kg-1热导率/W·m-1·K-1密度/kg·m-3-261001.35750

储能材料初始条件为：

其中Tam是环境温度。

边界条件为：

(2)

在边界条件中，Si代表的是直角坐标系中的坐标方向X或Y，U代表的是平均换热系数，Tet是蒸发器管壁温度，Tair是冰箱内空气温度，在边界条件中下标代表的意义是：“a”指的是储能材料与蒸发管壁相接触的边界界面；“b”指的是蓄冷材料与室内空气相接触的边界界面。针对蓄冷材料与冷凝管壁所接触的圆形边界情况，使用阶梯状网格和网格局部加密技术。

由于蒸发管完全被储能材料包裹住，因此单位管长蒸发管壁的能量方程为：

(3)

蒸发器管内制冷剂与管壁之间的换热方程为：

(4)

蒸发器管壁与储能材料之间的换热方程为：

(5)

其中，Cet表示的是蒸发器管的单位管长热容(J·K-1)，mref表示的是蒸发器管内制冷剂的质量流量(kg·s-1)，he，in和he，out分别表示的是蒸发器入口处和出口处制冷剂比焓(J·kg-1)，A指的是换热面积(m2)，下标“e，i”和“e，o”分别表示的是蒸发器管的内侧和外侧。

在假设的蒸发压力条件下，对公式(1)到(5)进行离散并计算。在蓄冷型蒸发器的数值处理中，蒸发压力采用质量引导法来确定[18-20]。

由质量守恒定律：

(6)

Me，ref=Me，SH+Me，TP

(7)

其中，Mref是冷凝器内制冷剂总质量；△t指时间步长，上标“0”表示上一时刻，下标“in”和“out”分别表示冷凝器入口和出口，下标“SH”和“TP”分别表示过热区和两相区。

2 模拟分析及结果

在建立蓄冷型蒸发器数学模型后，结合冰箱动态模型[19-20]，以BCD 220UM型号双门三星级箱壁式冰箱为研究对象，对有蓄冷型蒸发器(A类)的冰箱和传统(B类)冰箱进行数值模拟。对这两类冰箱在ISO标准工况下[21]分别进行了模拟计算，并进行比较分析。

图2展示了在稳定工况阶段A类冰箱和B类冰箱的压缩机输入功率。首先在刚开机时，两类冰箱压缩机功率都是最大的，随着时间的推移，功率开始逐渐降低。B类冰箱的压缩机功率迅速降低，随后达到一个相对稳定值；但A类冰箱压缩机功率的降低速度要缓慢得多，而且功率在开机阶段始终下降。造成这一现象的原因是，由于蓄冷材料本身具有高潜热，蒸发器状态变化的速度也很缓慢，这也影响了整个制冷系统到达一个相对稳定状态的速度，在功率变化中的体现就表现为下降速度变慢。

此外，还可以看出A类冰箱压缩机功率在开机阶段最大功率、最小功率和平均功率都要高于B类冰箱，造成这种现象的原因是：由于蓄冷型蒸发器的整体换热性能要好于传统蒸发器，使得A类冰箱的制冷量明显增加，这导致了压缩机功率的增加。

图2 A类冰箱与B类冰箱功率对比

A类和B类冰箱在一个周期内运行时间上也存在着明显不同。在开机时间方面，A类冰箱为65分钟，B类冰箱为20分钟；在停机时间方面，A类冰箱为195分钟，B类冰箱为40分钟；而周期时间方面，A类冰箱为260分钟，B类冰箱为60分钟。A类冰箱开机时间更长是因为蓄冷材料的高潜热导致了室内空气温度下降速度变缓；至于A类冰箱停机时间更长是因为在停机阶段蓄冷材料继续将存储在自身的冷量传递给室内空气，延缓了室内空气温度上升的速度；而周期时间又等于开机时间和停机时间之和，因此A类冰箱的周期时间也要更长。虽然A类冰箱的各方面运行时间都延长了，但是其停机开机时间比3.0要高于B类冰箱的2.0，表明蓄冷型蒸发器的连续性换热延长了停机时间所占周期的比例，从而实现冰箱的能耗大幅度将降低。

图3展示了A类冰箱和B类冰箱的能耗在24小时中的变化对比。在开始阶段，由于A类冰箱在开机期间的功率和开机时间都要大于B类冰箱，因此A类冰箱的能耗增长速度要更快一些；但是随着冰箱的不断运行，A类的能耗逐渐被B类冰箱的能耗所赶超，当到达24小时的时候，A类冰箱的能耗明显要低于B类冰箱，这是因为蓄冷型蒸发器更高的换热性能以及停机开机时间比的提高，导致了A类冰箱的能耗累积变得越来越小。B类冰箱的24小时能耗为0.5kWh，而A类冰箱的24小时能耗和节能效果为0.41kWh和19%。可以看到，蓄冷型蒸发器的存在使得冰箱能耗大幅降低。

图3 A类冰箱和B类冰箱的能耗对比

3 结论

为了进一步改善冰箱整体性能，降低冰箱能耗，本文提出了蓄冷型蒸发器的概念。将低熔点的储能材料作为蓄冷材料，相对于间断式换热的传统蒸发器，新型蒸发器的换热时间大幅增加，可以视为连续型换热。同时本文建立了蓄冷蒸发器数学模型，结合冰箱动态仿真模型对新型冰箱和传统冰箱进行数值模拟，并对模拟结果进行了比较。

模拟分析结果发现带蓄冷材料的蒸发器在一个周期内的换热时间大幅增加，可以显著提高了冰箱蒸发器的换热性能。相比于传统冰箱，蓄冷材料影响了冰箱压缩机功率的降低速度，因此装备有蓄冷型蒸发器的冰箱功率降低速度会变慢，并使得冰箱在一个周期内的开机时间、停机时间和停机开机时间比都会增加。可以看出带蓄冷蒸发器冰箱可以在断电较长时间内保持冰箱内温度稳定，同时提高蒸发器温度、减少压缩机启动次数，使得冰箱在装备蓄冷型蒸发器之后其耗电量降低到20%左右。但是与此同时，如何实现蓄冷材料与蒸发器温度的有效匹配，蓄冷材料性质对冰箱的整体运行特性有何影响，这些问题都需要展开进一步的分析研究。

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Analysis of Energy Saving Refrigerators with Cold-storage Evaporator

DING Miao1，CHENG Wenlong1，YUAN Xudong2

( 1.Department of Thermal Science and Energy Engineering，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，Anhui，China；2.Hefei General Machinery Research Institute，Hefei，Anhui，230027，China )

The heat transfer performance of evaporatorsignificantly affects the efficiency of household refrigerators.A novel energy storage energy-efficient household refrigerator with heat storageevaporator combinedwithenergy storage materialsis studied.The intermittent heat dissipation of evaporator is replaced by the continuous heat dissipation of heat storage evaporator during a complete cycle.For analyzing heat transfer performance and the energy efficiency of new refrigerators，a heat transfer model for refrigerating cycle with heat storagematerialsisbuilt firstly.And then the dynamic simulation model of overall refrigerator is established，and finally the heat transfer performance and energy consumption of the cold storage evaporatorrefrigerators and traditionaldouble-door three-star refrigerator are analyzed.The results show：compared with the traditional refrigerator，as the heat transfer performance of the new evaporator has been improved significantly，theenergysavingeffect of new refrigerator is remarkable，and electrical consumption can be reduced by about 20%.

Household refrigerator；Cold storage evaporator；Energy saving；mathematical model；Dynamic simulation

2016-9-24

丁淼(1993-)，男，硕士研究生。主要从事传热传质强化，热控及热分析等方面的研究。

程文龙，教授，主要从事传热传质强化，热控及热分析等方面的研究。Email：wlcheng515@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-011-05

TM925.21文献标示码：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.002