冰箱制冷系统

冰箱制冷系统优化

摘要：本文通过对冰箱重要工作部件的工作原理的研究分析，根据能耗情况，提出对冰箱制冷系统优化方案。

关键词：冰箱，能耗，制冷系统，优化

引言：1910年世界上第一台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世，冰箱诞生至今已有一个世纪，如今更是成为家家户户日常生活中不可缺少的家用电器。经过了长时间的发展，冰箱的制造技术已经十分成熟，但对如何降低冰箱能耗，减少对环境的污染的研究，还在持续不断地进行。

进入了二十一世纪，倡导低碳环保生活，实现节能减排目标面临的形势十分严峻。《中华人民共和国节约能源法》指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”。冰箱作为日常家电，数量庞大，耗能量巨大。为了迎合世界潮流，响应国家号召，我们有必要对冰箱的制冷系统进行优化。

主题内容：

（一）冰箱的工作原理

卡诺循环是研究一切动力循环的准绳，而消耗外界功，使热量由低温物体传至高温物体的制冷循环，其方向正好与动力循环相反，因此逆卡诺循环是理想的制冷循环。制冷装置由四大件组成，即压力机、凝冷凝器、膨胀机、蒸发器，按逆卡诺循环，制冷系统的制冷过程如下：

图1.制冷装置逆卡诺循环过程图

(1) 绝热压缩过程1-2。压气机吸入状态1 的湿蒸气，并经过绝热压缩至饱和蒸气2，温度由T2 升至T1，压力也随之上升。

(2) 定压定温冷凝过程2-3。饱和蒸气2于冷凝器中在定压定温T1下放热，冷凝为饱和液体3。

(3) 绝热膨胀过程3-4。饱和液体3在膨胀机中膨胀，压力下降，温度由T1降至T2，并对外做工(输入压气机被利用)，成为状态4的湿蒸气。

(4) 定压定温吸热过程4-1。湿蒸气4于蒸发器中在定压定温T2下吸热，变成状态1 的湿蒸气。至此，制冷剂完成了一次循环。

简单介绍压缩式电冰箱的工作原理，世界上91～95%的电冰箱属于这一类，因此以压缩式电冰箱为例做分析。压缩式电冰箱制冷系统由4个基本部分即压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器组成。压缩机吸入来自蒸发器的低温低压的氟里昂气体压缩成高温高压的氟里昂气体，流经冷凝器放热。然后继续流经热力膨胀阀，节流成低温低压的氟里昂气液两相物体，低温低压的氟里昂液体在蒸发器中吸收来冰箱冷冻室内空气的热量，成为低温低压的氟里昂气体，低温低压的氟里昂气体又被压缩机吸入。如此压缩--冷凝--节流--蒸发反复循环，制冷剂不断带走冰箱内的空气的热量，从而降低了冷冻室的温度。

（二）冰箱的能耗分析

由冰箱制冷过程的T-s图可以求得1Kg制冷剂在逆卡诺循环中吸收和放出的热量，以及消耗的净功。

图2.逆卡诺循环T-s图

从低温热源（冷库）吸取的热量为:

q2=T2(s b−s a)

向高温热源放出的热量为：

q1=T1(s a−s b)

消耗的净功为：

w net=q1−q2=T1(s a−s b)−T2(s b−s a)

=(T1−T2)(s b−s a)

据此推理，可以知道制降低制冷系统能源消耗，可以降低温热源的温度和降低外界高温物体的温度，以减小温度差。

制冷循环的经济性用制冷系数来衡量。制冷系数ε等于从低温热源吸收的热量与消耗的循环功之比。对逆卡诺循环，制冷系数为:

εc=

q2

w net

=

T2(s b−s a)

(T1−T2)(s b−s a)

=

T2

T1−T2

制冷系数与工质的性质无关，取决于低温热源与高温热源的温度有关

现代冰箱已步入智能化阶段，功能完善，已逐步取代传统冰箱。但随着功能的不断多样化，冰箱的功耗也在增加。与传统冰箱相比，现代冰箱中包括了温控器、电磁阀、电脑

控制系统、化霜加热器、化霜温控器等一系列控制元件，由于这些元件的加入，冰箱变得更加智能，给人们带来了极大的方便，但使得冰箱的功耗增加。

（三）、冰箱制冷系统优化方案

逆卡诺循环指出：在制冷循环中，提高低温物体的温度和降低高温物体的温度，均可减少功耗，提高制冷系数。

3.1冰箱内部件设计优化

3.1.1冷凝管

横、竖盘管混排结构冷凝器:由传热学理论分析,在冷凝器内为制冷剂气液两相状态,分析冷凝器中制冷剂流态变化和内、外部换热条件,横排管冷凝器的换热系数比竖排管冷凝器增加3倍以上,为加强流体扰动,破坏流动边界层,采用横、竖盘管相结合走向的冷凝器将会提高冷凝器换热效果,同时也可降低制冷剂流动噪声。

式冷凝器代替百叶窗式冷凝器:由内部结构及传热学理论分析,在其它条件不变情况下,丝管式冷凝器散热好,对应的制冷循环效率提高,能耗减小。

藏式冷凝器为外挂式:尽管外挂式冷凝器有碍冰箱整体美观,但其散热条件比内藏式冷凝器好得多,对降低冷凝温度和过冷温度十分有利,可有效节能降耗

3.1.2蒸发器

蒸发面积过大时,制冷剂充注量也必须加大,否则会出现蒸发器出口温度过高,影响温度场稳定性,而制冷剂量的加大必然使耗功增加;另一方面,对整个系统来说,增大蒸发面积在提高蒸发温度的同时,压缩机排气量增加,造成在毛细管中流动阻力更大,从而又降低蒸发温度,同时,冷凝器的散热能力也限制、制约了系统的制冷能力。其二,受到安装空间及使用空间限制,蒸发面积不能太大或太小。其三,由于设计成本及销售影响制约,蒸发器面积应控制在最佳点。第一,减小冷藏、冷冻两蒸发器的面积比差值,在总面积一定情况下,尽量加大冷藏室蒸发器的面积,使冷藏室单独制冷时制冷速度更快,或使冷藏室尽快达到设定温度自行关闭,保证在低温或高温环境下有最佳的开停比,从而保证在特定环境温度(国际上规定25℃为能耗测试条件)下耗电最少。第二,力求设计高效蒸发器。第三,合理安排蒸发器位置和制冷剂走向。第四,通过理论计算和试验相结合方法,合理匹配蒸发器与冷凝器的传热面积,努力减小冰箱工作系数,避免过低蒸发压力和过高冷凝压力,达节能目的

3.2冰箱使用条件优化

第一，冰箱使用环境温度不能过高。电冰箱放置的环境温度的高低，将直接影响电冰箱的制冷性能，有的用户冬季将电冰箱放置在有暖气的房间，夏季则放在向阳的阳台上，这样的做法都是不适宜的。这是因为，环境温度过高，会影响冷凝气散热效率，使耗电量增加，而制冷性能下降。试验证明，当环境温度由22摄氏度上升到30摄氏度时，耗电量要增加50％左右。所以，冰箱放置的环境温度不宜过高。

第二，温控器档位常调整。每一台冰箱都有一只温控器，通过调节档位来调节冰箱内温度，温控器档位越高，冰箱内温度越低。冷冻室达到-18℃后，每下降1℃都是困难的，越冷越难下降，但连续运行最低温度可达-24℃以下，而此时同样也会因内外温差大、冷量散失多而出现开机时间很长甚至停机。如果因为档位太高而引起的开机时间长，可将温控器档位降低，开机时间会明显缩短。冷冻室如常用-18℃代替-22℃，可节省30%的耗电量。

第三，尽量减少开门次数。打开冰箱的门能感觉到冷气往外跑，而冷气跑掉必然会造成箱内温度上升，就会造成温控器迟迟达不到停机的温度而导致压缩机长时间工作，造成耗电量增大。

第四，及时除霜。霜是热的不良导体，覆盖在蒸发器表面，成为蒸发器与箱内食物之