风冷冰箱节能、环保和保鲜关键技术浅析（一）

2020-06-05刘建如黄东乔琳赵日晶

家电科技 2020年3期

刘建如黄东乔琳赵日晶

1.海尔智家股份有限公司山东青岛 266000；2.西安交通大学制冷与低温工程系陕西西安 710049

1 风冷冰箱与压缩机一体化设计开发

冰箱的能耗部件主要是压缩机，占比超过85%，其余是两器的风机以及除霜、防凝露和风门防冻结电加热器的功率。室内环温、箱内温度决定了冰箱系统的冷凝温度（压力）和蒸发温度（压力），进而决定了变频压缩机的能耗，其中箱内冷藏室、冷冻室的设定温度比较稳定，因此室内环温是影响压缩机功率的关键因素。

目前国家标准要求注明冰箱的年耗电量，先得到典型室内环温的耗电量，再根据室内环温的全年天数占比进行加权计算，最终得到年耗电量。国家标准对室内环温和全年天数占比有明确规定：室内环温32℃和16℃，分别为173天和192天，可见天数占比基本相当，但室内环温32℃时对应的冷凝温度高，压缩机功率大，对全年耗电量的影响也最为显著。

冰箱24小时日耗电量计算时，对冰箱运行状态的要求：（1）冰箱启停周期稳定且具重复性；（2）冷藏室、冷冻室的平均温度达到国标要求的设定值；（3）箱温的波动幅度在允许范围内。冰箱的开停周期可重复，则分析单周期的性能曲线及其特点，即可找出影响日耗电量权重较大的关键因素。

在启停单周期内，压缩机的功率和COP会随冷凝温度、蒸发温度而变化，而冰箱不同运行状态的冷凝温度、蒸发温度不同，如图1所示，给冷藏室供冷比给冷冻室供冷时的蒸发温度要高，制冷剂流量较大，功率也较大，且功率的差别明显。冰箱不同运行状态时，功率存在差别。现给出一个思路，可从冰箱不同运行状态对耗电量的影响权重出发，倒推出对压缩机性能的要求，从冰箱系统角度提出对压缩机单体的参数要求，促进冰箱和压缩机单体的一体化研发，是降低冰箱能耗的有效途径。

影响压缩机性能的参数主要是冷凝温度、蒸发温度和转速。如图2所示，当转速一定时，压缩机的COP与冷凝温度、蒸发温度的关系是非线性关系。同时，如图3所示，当冷凝温度和蒸发温度一定时，制冷量和功率随转速呈现近似线性关系，但COP却先快速上升后快速下降，存在最大值，该最大值与压缩机电机效率的最高点密切相关。可见，压缩机电机效率最高点对应冷凝温度、蒸发温度和转速等参数范围，对压缩机功率起着至关重要的作用。

综上所述，风冷冰箱压缩机与冰箱一体化设计开发，是从冰箱启停性能曲线出发，确定影响耗电量权重较大的冰箱运行工况及其时间占比，提出对压缩机的设计要求和关键参数，尤其是确定压缩机电机效率最高点所对应的冷凝温度、蒸发温度和转速，进而有效降低冰箱的耗电量。当然，这种开发思路，还需验证冰箱极端工况的可靠性，兼顾性能的高效和极端工况的可靠性。

2 冷凝器/压缩机散热串接和气流组织

2.1 风冷冷凝器型式和冷却空气偏流现象

大容量冰箱多使用风冷冷凝器，为提高散热性能和降低耗电量，其型式也更趋多样和高效。如图4所示，有丝管鼠笼、圆管绕片、翅片管、微通道等多种型式，其中丝管鼠笼、圆管绕片式技术成熟，成本低，使用较为普及；微通道冷凝器成本高，但因其换热效率高、单热流密度大、体积小等优点，使用普及率不断增大；翅片管换热器，在空调器中已普遍使用，但因冰箱空间和布置受限，难以实现翅片管换热器、风机、气流组织的良好匹配，在冰箱中使用较少，目前的使用率不高。

冰箱因结构和布置限制，冷凝器冷却空气的气流组织有其复杂性：（1）冷却空气的进、出风格栅都位于冰箱后背板上，如图5所示，冷凝器偏置于进、出风格栅的同一侧，易导致冷却空气如图6所示的偏流现象，即靠近进风格栅侧的冷却空气速度大，而远离侧的速度小，降低冷凝器的散热效率，增大冷凝器面积裕度；（2）冰箱底板会设置进、出风口，以改善后冷凝器冷却空气的偏流现象，但冷凝器与底板之间还有接水盘，因接水盘遮挡，底板设置进风格栅的区域很受限，改善偏流现象的程度有限；（3）干燥过滤器通常置于压缩机舱内，因该处的温度较高，应尽量避免干燥过滤器被加热，减小过冷度；（4）风机四周应封闭严实，防止在进、出风压差的驱动下而产生空气倒流或短路现象。

图1 冷藏和冷冻双蒸发器冰箱的运行曲线

图2 某变频压缩机性能随冷凝温度和蒸发温度的变化

2.2 冷凝器冷却空气偏流改善

冰箱冷凝器的冷却空气偏流，因结构限制很难消除，但可以采取措施改善[1]。如图7所示，对于丝管鼠笼式冷凝器，偏流原因及改善如下：（1）丝管鼠笼式冷凝器与后背板之间无遮挡，是自由流动通道，阻力小，气流易从此处经过而不通过冷凝器，则在靠近风机端增设外挡圈，使气流只能途经冷凝器才能进入风机，可增大冷凝器的有效空气流量；（2）丝管鼠笼式冷凝器的芯部中空，阻力很小，该处的气流也不能有效冷却冷凝器，可在芯部远离风机端设置芯部堵块，阻挡不经冷凝器丝管就到达芯部的气流；（3）因冷凝器远离后背板进风格栅部分的风速小，可加强该侧底板的进风格栅面积，使冷凝器两侧的进风更趋均匀。

图3 某变频压缩机性能随转速的变化（T0=-23.3℃，TK=54.4℃）

图4 风冷冷凝器的几种型式

2.3 冷凝器/压缩机的串接散热

压缩机壳体散热降温，有利于提高效率，降低功率。冰箱多采用活塞式压缩机，是吸气冷却电机，提高了吸气过热度，减小吸气密度和流量。为提高压缩机COP，趋向于部分吸气直接进入压缩机而不再冷却电机，而压缩机壳体的自然对流冷却可能并不充分，尤其是变频压缩机高频运行发热量较大时。风机出口风速较大，直吹压缩机壳体，有利于充分冷却压缩机，降低压缩机的功率。

冰箱冷凝器和压缩机之间是串接散热，即冷却空气流经的先后次序不同。如图5、图6所示，冷却空气从后背板格栅进入，先带走冷凝器的热量，经风机再吹向压缩机，冷却压缩机壳体，即先冷却冷凝器，再冷却压缩机，二者有先后次序，是串接散热。

2.4 风冷冷凝器的嵌装散热

近几年装修市场把冰箱嵌入橱柜内以节省空间，冰箱与橱柜的间隙比较小，对侧面内藏式、底置风冷冷凝器、压缩机的散热都带来了巨大的挑战；同时，冰箱自由或嵌入式安装的不确定性，也需要考虑两种安装方式的兼顾。

嵌装后，冷凝器和压缩机的冷却空气进、出风路径和风机流量都会受到影响[2-4]。非嵌装的冰箱，内藏式冷凝器位于冰箱侧面板中，冰箱侧面需要与墙壁至少保持100mm以上的间隙，才能保证其正常的通风和散热；若采用风冷冷凝器，常置于底部，进、出风格栅位于后背板上，如图5、图6所示，此时冰箱后背板也需离墙100mm以上，利于通风和散热。但嵌装后，橱柜和冰箱侧面、背面的间隙都很小，很难满足侧面、背面保持100mm间隙的通风和散热要求，这是冰箱嵌装后需要解决的主要问题。

影响嵌装后冷凝器和压缩机散热的一个主要因素，是调整冷却空气进、出风格栅的位置。冷却空气的进、出口布置，是最先需要解决的问题，因冰箱背板、侧板与橱柜的间隙会很小，后背板布置进、出风格栅不再适宜，必须进行调整和改造。在嵌装后，冰箱的侧板、背板与橱柜的间隙小，但其顶板、底板间隙的调整自由度会稍微灵活一点。因此，在冰箱底板或顶板布置进、出风格栅是一个选项，冷却空气可以从正面流入，从底板或顶板与橱柜的间隙进入、流出，同时为防止进、出空气之间的短路和窜热，还需要采取措施将进、出风分隔开。如图8所示，是底板布置进、出风格栅后冷却空气的温度场图，其中压缩机顶部的气流较少，会弱化散热。冰箱底板间隙，冰箱厂家还可以通过调整滚轮进行调控；顶板间隙，可以作为热空气排放通道。

影响嵌装后冷凝器和压缩机散热的另一个主要因素，是嵌装后冷却空气的流量要足够。嵌装后，因空气流动路径更加曲折，增大了风阻，减小了风机流量，对冷凝器和压缩机的串接散热带来挑战，此时需要仔细核算风阻，优化风机性能，改善风机流量随阻力衰减性能。