一种节能型R290制冷系统在饮料现调机中的实验研究

葛住军，杜歆，王培文，田立强

康富（天津）有限公司

随着温室效应对气候、环境的影响，人们开始倡导用自然制冷剂替换温室效应较大的HCFC和HFC［1］。在这种情况下，部分天然工质，比如CO2和碳氢工质等受到了越来越多的关注。2017年康富公司首次应用CO2制冷系统在饮料现调机中，2019年推出R290制冷系统的饮料现调机，并将CO2和R290制冷系统在饮料现调机的应用做了对比，考虑到系统设计特性，维修和供应链成本，认为R290制冷系统将成为饮料现调机的大势所趋［2］。面对日益严重的环境问题以及能源紧缺问题，加强建设节约型社会，加强节能产品推广和应用，是缓解当下能源资源紧缺问题的关键［3］。随着R290制冷系统在饮料机的商业化和环境问题的日益突出，许多公司积极履行企业社会责任，客户对现调节的节能要求越来严格，研究和分析R290制冷系统在饮料现调机中的节能问题越来越紧迫。康富公司作为饮料现调机行业的先行者，在战略合作伙伴可口可乐公司的倡导下，积极响应开发节能产品的要求。本文通过对饮料现调机中R290制冷系统各电气零件的实际功率，耗电量和导致系统热损失的结构零件进行了系统分析，结合现调机的应用特点和现有R290制冷系统的控制逻辑，提出了降低饮料现调机耗电量的一些具体解决方案。

1 饮料现调机中R290制冷系统

1.1 饮料现调机工作原理

饮料现调机是通过放置在水箱中的蒸发器形成一定重量的冰板，冰板和水箱中的水形成一个大约0～1℃的水浴，饮料的冷却是通过独立的封闭式冷却盘管在低温水浴中换热实现，饮料现调机工作控制原理如图1所示。

图1 饮料现调机工作及控制原理图

饮料现调机安装调试完成后，制冷系统将要进行首次结冰运行，饮料现调机在装机后首次结冰时水箱温度较高约为32 ℃，此时蒸发温度很高，但随着制冷系统的运行，水箱温度逐渐下降到0℃然后开始结冰，直到冰控器检测到冰层厚度达到设计要求即当冰层覆盖住固定蒸发器上冰控器的最大冰层端子P2后，控制PCB将控制制冷系统结束运转，压缩机停止工作。初次结冰以后，水箱水温将会一直保持在0～1℃度左右，售卖饮料时，冰板逐渐融化以保证水箱温度，通过冰板控制器控制制冷系统周而复始的运行。

1.2 R290制冷系统的运行特点

饮料现调机的能耗主要体现在保证现调机运行，维持冰板重量和形状所涉及到的所有电气零部件的功率消耗。初次结冰的能耗主要包括将水箱中水的冷却能耗和形成设计重量冰板所需要的能耗；首次结冰完成后，制冷系统的能耗主要是为了维持冰板重量和形状制冷系统在冰控器只执行的间歇运行和搅拌电机运转的能耗，即待机能耗。完成初次结冰后，由于售卖饮料和低温水箱与周围环境的热损失，水箱中水温升高会导致水箱中的冰板融化，当冰板融化即当覆盖最小冰层端子P1的冰融化时，控制PCB的控制制冷系统启动运行。现有的饮料现调机搅拌电机与电源联动，饮料现调机一旦接通电源，搅拌就会一直运转。搅拌运转是为了维持水箱里冰水温度保持在0～1℃左右,以保证饮料现调机冷却管路的换热效果。本文将饮料现调机在32 ℃65%相对湿度环境中未售卖饮料的情况下，24小时待机耗电量定义为衡量节能的标准。

2 R290制冷系统的电气部件功率和能耗分析

2.1 待机状态下的能耗分析

饮料的冷却是通过独立的封闭式冷却盘管在低温水浴中换热实现。现调机一般都使用小容量制冷系统，根据冰板重量和单位时间斟出标准杯型的饮料数量选择制冷系统的压缩机，蒸发器，冷凝器，毛细管，搅拌电机和搅拌叶轮。本文选取一款设计冰板重量12 kg的中型饮料现调机作为基准型号，在初次结冰后进行24小时待机测试，测试结果如图2所示。

图2 基准型号功率和耗电量测试结果

待机状态下的能耗主要包括制冷系统为了维持冰板重量和形状间歇启停的耗电量，搅拌电机运行的耗电量，LED照明及控制PCB的耗电量。从测试结果可以看出，在24小时待机运行中，制冷系统启停10次，每次运行约30min，搅拌电机，控制系统和LED等在24小时待机时一直运行。

该饮料现调机各电气零部件功率，24小时待机测试耗电量占比及各零部件运行特点如表1所示。从表中可以得知，耗电量主要集中在压缩机和搅拌电机的运行，占总耗电量的89.9%，搅拌电机的功率约为压缩机功率的14%，但是搅拌电机在24小时的待机状态下一直处于运转状态，其24小时耗电量占比约为37.8%；冷凝风扇电机与压缩机的是联动控制，耗电量占比只有5.1%，控制PCB和LED等24小时运行总耗电量占比5.7 %。所以，现调机24小时待机状态的耗电量主要集中于制冷系统压缩机和搅拌电机，降低这两个零部件的耗电量和减少24小时制冷系统启停频率是降低能耗的关键因素。

表1 电气零部件及运行特点

2.2 影响制冷系统启停的原因分析

初次结冰结束以后，随着水箱热量损失，水温升高冰层开始融化，在待机状态下，冰层融化的有两个原因，第一是水箱周围的环境温度高于水箱内冰水水浴的温度，热量通过水箱外壁传递到水箱内壁，内壁在通过导热和对流作用传递给冰水，冰水水温上升融化冰板；第二是搅拌电机持续运转时产生的热量通过电机轴传递给冰水，同时搅拌持续运转会导致水流连续冲刷冰板，加速冰板的融化。所以为了减少制冷系统频繁启停，就必须减少水箱的热损失和搅拌导致的冰板融化。

3 降低能耗的措施和实验结果

3.1 同排气量节能压缩机的应用

本文研究对象为一款已经商业化的中型容量饮料现调机，设计冰板重量12 kg，制冷系统选用华意压缩生产的CubigelNUY80 R290压缩机，节能型号选用同品牌相同排气量压缩机NUT80，考虑产品开发的标准化，模块化和共用化，节能型号在基准型号上只更换压缩机，其他冷凝器、蒸发器、毛细管、充注量、风扇电机和叶轮、搅拌电机和叶轮以及高低压侧连接铜管都保持和基准型号相同，详细系统配置如表2所示。

表2 制冷系统配置参数

3.2 间歇控制搅拌电机

现有饮料现调机为了保证冰板的形状和维持水箱温度的均衡，搅拌一直持续运行，虽然搅拌电机的输入功率只有46 W，但是在24小时待机状态下，耗电量占24小时待机耗电量的37.8%，属于第二大耗电零部件。所以为了保证初次结冰和冰板形状，将搅拌电机控制调整为与压缩机启停联动，这样在初次结冰过程中和现有的现调机工作方式完全相同，在初次结冰以后，搅拌电机停止运行。考虑到水箱周围散热不均导致冰板形状发生大的变化，在控制程序中追加每隔一定时间，即使压缩机未启动，也强制启动搅拌电机运行一段时间以保证冰板形状的稳定。考虑到实际应用场景，经营者随时都有可能售卖饮料，售卖饮料过程中，饮料冷却系统将会和水箱水浴进行冷热较交换，水浴中水温将产生温度梯度，为了消除水浴中的水温不均匀，设计了搅拌电机随打杯信号运行的逻辑：当饮料阀门有打杯时，控制PCB接收到饮料阀门微动开关闭合信号后控制搅拌电机运转一定时间以后再停止运转，既可以保证水箱水浴温度均匀可以保证正常的饮料售卖又可以减少不必要的能量消耗和冰板融化，从而减少压缩机启停次数，达到节能的目的。

3.3 减少水箱的热损失

现有现调机的水箱箱体为长方体结构，有一面未封闭，用来支撑制冷底盘，制冷系的压缩机冷凝器置于制冷底盘上方，蒸发器位于制冷底盘下方，整个制冷系统放置在水箱上，制冷底盘和水箱形成一个相对封闭的空间。热量损失发生在水箱四周，底面和制冷底盘处。饮料现调机水箱大都采用硬质聚氨脂发泡作绝热层，其绝热性能好，发泡后的箱体内外壳被粘接成刚性整体，结构坚固。保温层厚度是设计的重点，当然要求的厚度越厚保温越好，热损失也越小，考虑到成本和机器尺寸，需要选择性价比合理的厚度，所以维持基准型号的水箱设计。考虑到节能要求，增加制冷底盘保温层厚度10 mm，并在制冷底盘预留的维修方孔处设计可拆卸的保温盖板，尽可能做到减少制冷底盘的热量损失。

3.4 实验结果

通过以上措施，制作了原型机，进行制冷系统匹配，最终制冷系统实验结果对比基准型号工作参数基本相同；通过在32 ℃工况和高低温工况下，不同的搅拌控制逻辑即在待机时搅拌间歇运行的最小时间间隔和搅拌电机和打杯后运行时间的组合测试，最终确定了控制逻辑并进行了32 ℃工况下基准型号对比节能型号的初次结冰和24小时待机测试，结果如图3所示。

图3 基准型号和节能型号测试结果

对比基准型号，初次结冰冰板重量基本相同，制冷系统最大输入功率下降22 %，初次结冰时间缩短9%，并且在待机状态下制冷系统启停次数由10次减少为4次，节能型号原型机在设计工况下24小时待机耗电量下降约55%，详细参数如表3所示。

表3 基准型号和节能型号参数对比

4 结束语

通过使用高效压缩机，控制搅拌电机间歇运行和减少水箱热损失综合应用在同一平台饮料现调机的实验研究，对比基准型号，使用了节能措施的型号在24小时待机状态下耗电量降低约55%，满足客户对下一代产品的节能要求。为了进一步节能，变频压缩机，变频搅拌电机在饮料现调机中应用是未来重要的课题［4］，同时借鉴家电行业一些节能技术如保温材料的创新设计也值得深入研究和应用［5］。