并聯雙循環風冷冰箱短周期切換控制特性

張振亞， 黃 東， 冷永強

(西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

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并聯雙循環風冷冰箱短周期切換控制特性

張振亞， 黃 東， 冷永強

(西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049)

針對并聯雙循環風冷冰箱冷藏室、冷凍室不能同步降溫，導致冷凍室回溫時間長的問題，實驗研究了開機后冷藏降溫過程中兼顧冷凍降溫的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換控制特性.結果表明：開機后，停機時積聚在冷凍蒸發器中的制冷劑逐漸向冷藏蒸發器遷移，前6個短周期內，遷移造成的冷藏蒸發器制冷量損失由33.9%降至5.2%，之后維持不變直至冷藏運行結束.冷凍室感溫包溫度前6個短周期內從-16.5 ℃降至-17.8 ℃，而之后5個短周期僅降低約0.3 ℃.采用短周期切換控制，冷藏降溫階段可兼顧冷凍室降溫，且在冷凍降溫時間的縮短與冷藏運行時間的延長之間存在使壓縮機運行時間最短的最優值.

風冷冰箱；并聯雙循環；短周期切換；制冷劑遷移；動態特性

冷凍、冷藏蒸發器并聯布置的雙循環制冷系統風冷冰箱，因冷藏蒸發器較高的蒸發溫度可減小其不可逆損失而具有較大的節能潛力.相關的節能技術，如制冷系統匹配[1-4]，制冷劑遷移[5-7]，蒸發器的結霜、除霜特性[8-13]等的研究也越來越受到關注.隨著變頻技術的廣泛運用，冰箱制冷系統與運行控制策略的匹配[14-16]也已成為影響冰箱性能的主要因素之一.并聯雙循環風冷冰箱壓縮機的啟、停一般由冷凍室感溫包設定的溫度控制，開機后先給冷藏降溫，由冷藏室感溫包設定溫度控制冷藏/冷凍運行的切換.由于冷藏降溫階段不能對冷凍室進行降溫，導致冷凍室的回溫時間較長.為滿足冷凍室的溫度要求，則必須增大開機時間，進而會增加冰箱的功耗.

針對以上問題，本文以一款并聯雙循環風冷冰箱為實驗對象，開機后的冷藏降溫過程中采用兼顧冷凍室降溫的“2 min冷藏運行+1 min冷凍運行”短周期切換控制策略，研究該控制方法下冰箱運行時的動態特性，主要包括短周期切換過程制冷劑遷移對冷藏蒸發器造成的冷量損失以及對冷凍室降溫的效果，為并聯雙循環風冷冰箱節能控制研究提供理論參考.

1 實驗裝置和測試系統

實驗樣機采用蒸發器并聯的雙循環制冷系統，圖1所示為冰箱系統圖共有3個存儲空間：冷藏室、變溫室和冷凍室.變溫室有0 ℃/3 ℃/5 ℃ 3個溫區，也是一個溫度可調節的冷藏室.冷藏室和變溫室共用一個蒸發器，冷凍室擁有單獨的蒸發器.冷藏室感溫包控制三通電磁閥在冷藏/冷凍之間的切換，冷凍室感溫包控制壓縮機啟、停.開機后穩定運行過程中的控制策略為：冷藏降溫-冷凍降溫-停機.由冷凍室感溫包設定溫度控制壓縮機的啟/停，開機后先給冷藏室降溫，當冷藏室感溫包溫度達到設定下限值時，切換至單獨冷凍運行，這時僅為冷凍空間降溫.具體參數如表1.

圖1 并聯雙循環風冷冰箱系統

Fig.1 System diagram of air-cooled refrigerator with two parallel-evaporators

表1 被測機的主要技術參數

實驗所用冰箱穩定運行過程中，冷藏運行總時間不足30 min.該時段采用冷藏降溫為主兼顧冷凍降溫的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換控制策略.因冷藏降溫為主，則冷藏運行時間要長于冷凍運行時間.但冷藏運行時間太長，會導致短周期數太少，實驗數據不充分；太短又會導致達不到冷藏穩定運行三通閥就切換給冷凍蒸發器供液.綜合考慮，選用上述控制策略進行初步探究.

試驗工況依據GB/T8059.4—1993《家用制冷器具——無霜冷藏箱、無霜冷藏冷凍箱、無霜冷凍食品儲藏箱和無霜食品冷凍箱》的規定設置.采用直徑為0.2 mm的銅-康銅熱電偶測量溫度，精度為±0.2 ℃.主要測量數據包括冷藏、冷凍蒸發器的進口、中部和出口溫度，及蒸發器送、回風溫度等.

2 切換過程冷藏蒸發器性能分析

2.1 冷藏蒸發器溫度變化

冰箱穩定運行過程中，從開機至冷藏運行結束共11個完整的“2 min冷藏+1 min冷凍”短周期切換.如圖2所示，由于各個短周期1 min冷凍運行時的溫度上升(冷藏回風的影響)以及2 min冷藏運行時的溫度下降，冷藏蒸發器各部分的溫度處于波動狀態.

兩個并聯蒸發器中的壓力相同，冷凍運行向冷藏運行切換瞬間，冷藏蒸發器中的壓力仍為冷凍蒸發壓力，經過冷藏毛細管節流后的制冷劑進入冷藏蒸發器瞬間蒸發，導致冷藏蒸發器進口處溫度大幅降低.因此，冷藏蒸發器進口溫度波動最劇烈，但波動幅度逐漸減小，0～3 min時間內，波動幅度為20.1 ℃，在33～35 min時間內的溫度波動僅為4.4 ℃.受蒸發器本身熱容和冷藏室回風的影響，前24 min內蒸發器中部制冷劑為過熱狀態，溫度波動幅度較小，而之后逐漸變大，在27～30 min內達到了17.6 ℃，說明此時中部測點處的制冷劑由過熱氣態變為氣液兩相態.出口溫度波動幅度最小，在冷藏降溫階段的35 min內，出口溫度一直處于在小波動中下降的趨勢.以上分析說明短周期切換控制策略下，停機時積聚在冷凍蒸發器中的制冷劑，在壓機啟動后逐漸遷移至冷藏蒸發器.

圖2 冷藏降溫階段冷藏蒸發器溫度隨時間變化

Fig.2 Variation in refrigerating-evaporator temperature during refrigeration cooling stage

2.2 冷藏蒸發器冷量損失分析

并聯雙循環制冷系統中冷凍/冷藏運行切換時的制冷劑遷移會造成的蒸發器制冷能力損失.由于冷凍運行向冷藏運行切換存在蒸發壓力的攀升，其制冷劑遷移損失約是冷藏運行向冷凍運行切換時的3.4～7.2倍[17]，因此，本文章重點分析單個短周期內冷凍運行向冷藏運行切換時的制冷劑遷移造成的冷藏蒸發器冷量損失.在2 min冷藏運行期間，當冷藏蒸發器進口溫度降至最低點時，可認為進入冷藏運行的穩定過程.定義該點為2 min冷藏運行中冷藏蒸發器開始有效制冷的時間點，在此之前為切換的過渡過程.

圖3所示為每一個短周期的2 min冷藏運行期間冷藏蒸發器有效制冷時長變化.由圖3可知，在11個短周期的冷藏運行中，總體上冷藏蒸發器的有效制冷時長先增加后逐漸達到平衡.在壓縮機開機后的第1個短周期內冷藏蒸發器的有效制冷時長最短，約為0.58 min，占冷藏運行總時間(2 min)的29%.第6個短周期之后，有效制冷時長在1.43 min上下波動，約占到冷藏運行總時間的71.5%.

圖3 冷藏蒸發器有效制冷時長變化Fig.3 Variation in efficient cooling time of refrigerating-evaporator

對于冰箱的蒸發器，空氣側得到的冷量便是蒸發器的有效制冷量.因此，蒸發器在一定時間內的有效制冷量可通過空氣側得到的冷量來進行計算：

(1)

式中：Q為蒸發器的有效制冷量，kW；qv為蒸發器風機的體積流量，m3·s-1； cp為空氣定壓比熱容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT為空氣的回風和送風溫差，℃； v為空氣的比體積，m3·kg-1； t為時間，s.

分析式(1)可知qv、cp、v變化較小，可看做定值，故蒸發器的有效制冷量近似正比于通過蒸發器的空氣的送、回風溫差.冷藏蒸發器送回風溫差平均值見表2.

表2中的第2欄表示在每1個短周期的2 min冷藏運行內冷藏蒸發器的送、回風溫差平均值，第3欄表示2 min冷藏運行內有效制冷階段的冷藏蒸發器送回、風溫差平均值，第4欄為二者平均值之差，可近似代表蒸發器制冷能力的損失.差值越大，說明過渡過程的制冷劑遷移對于整個2 min冷藏運行的制冷量損失就越大.如表2所示，無論是2 min運行過程，還是有效制冷過程，冷藏蒸發器的送、回風溫差平均值均是先增大后不變的變化趨勢，而二者的差值則是先減小后不變.相應的，制冷劑遷移造成的冷藏蒸發器制冷能力損失也由33.9%降至5.2%.

表2 冷藏蒸發器送回風溫差平均值

Tab.2 Difference between air supply and return temperature of refrigerating-evaporator

短周期數2min/℃有效制冷過程/℃差值/℃能力損失/%111．717．76．033．9218．420．42．09．8319．621．11．57．1420．021．31．36．1520．121．21．15．2620．121．21．15．2

運行切換中的制冷劑遷移損失主要是由兩個并聯蒸發器的蒸發溫度(壓力)的不同引起的，二者差值越大，制冷劑遷移時間越長，損失就越大.圖4為兩個蒸發溫度的差值與冷藏蒸發器送、回風溫差在有效制冷過程與2 min時間內的差值對比.兩個蒸發溫度的差值在第1個短周期最大，為7.2 ℃，第1個短周期到第2個短周期的下降幅度最大，約為1.4 ℃；第2個短周期到第5個短周期的下降幅度分別為0.2、0.5和0.4 ℃；第6個短周期之后基本維持在4.7 ℃左右.

圖4 冷藏蒸發器送回、風溫差與冷藏、冷凍蒸發溫度差值的對比

Fig.4 Comparison of (a) and (b) value, (a) is the difference between air supply and return temperature of refrigerating-evaporator; (b) is the average temperature difference between refrigerating-evaporator and freezing-evaporator

冷藏蒸發器的送、回風溫差平均值在有效制冷過程與2 min時間內的差值與冷凍、冷藏蒸發溫度差值的變化趨勢一致.說明隨著切換的不斷進行，切換的過渡過程導致的損失越來越小，到達第6個短周期后，差值基本不再變化，表示此時切換的損失已降至最小，可認為系統達到了穩定運行狀態.

3 短周期切換控制對冷凍室降溫的影響

如圖5所示，冷藏降溫階段，冷凍蒸發器進口、中部、出口溫度變化趨勢基本保持一致，說明其中的制冷劑一直為氣液兩相狀態，冷凍蒸發器有制冷量的產生.在2 min的冷藏運行期間，冷凍蒸發器溫度的上升有兩個原因:一是冷凍室回風的影響; 另外，冷凍運行向冷藏運行切換時，低壓側壓力由冷凍蒸發壓力向冷藏蒸發壓力攀升，逐漸實現兩個蒸發器的壓力平衡, 氣液兩相狀態的制冷劑飽和壓力與飽和溫度一一對應，其中制冷劑飽和溫度也相應上升.因此，冷凍蒸發器的進口、中部、出口的溫度均會上升.1 min的冷凍運行期間，冷凍蒸發器溫度的下降則是由于節流壓力的下降.當冷藏室溫度達到下限值后，系統單獨給冷凍蒸發器供液，由于節流壓力的下降且冷藏蒸發器中的制冷劑逐漸遷移至冷凍蒸發器.因此，單獨冷凍階段冷凍蒸發器溫度持續下降.

圖5 冷凍蒸發器溫度變化

圖6為冷凍室感溫包溫度隨時間變化.由圖6可知，在冷藏降溫階段，前6個短周期 (0～18 min)內冷凍室感溫包溫度降幅較大，從-16.5 ℃降至-17.8 ℃.而后5個短周期(18 ～35 min)溫度降幅較小，僅從-17.8 ℃降至-18.1 ℃.對比前文分析可以看出，在冷藏降溫階段，冷藏蒸發器冷量損失達到最低值之后，由于大量制冷劑已遷移到冷藏蒸發器，導致冷凍蒸發器制冷量減小，因此對冷凍室的降溫作用也降到最低.在冷凍單獨降溫階段，冷凍室溫度是在冷藏降溫階段的降溫基礎上繼續降低，在35.00～57.42 min期間，從-18.1 ℃降至-20.1 ℃.冷藏降溫階段的前18 min溫降占到冷凍室總溫降的36.1%.

圖6 冷凍感溫包溫度變化

綜上所述，冷藏降溫階段的“2 min冷藏運行+1 min冷凍運行”的短周期切換控制策略對冰箱整體性能的影響主要體現在以下3個方面：首先，減少了冷凍室溫度的回升.針對并聯雙循環風冷冰箱，傳統控制模式下冷藏運行過程中，冷凍蒸發器不供液，也沒有冷量產生.因此，其對冷凍室沒有任何降溫作用，冷凍室一直有溫升，直至冷藏運行結束切換至冷凍運行時為止.因該切換是由冷藏感溫包控制的，所以在冷藏降溫的過程中兼顧冷凍降溫，可防止冷凍室溫度上升過高.其次，由于在冷藏降溫階段對冷凍進行部分降溫，那么在冷凍單獨降溫階段對冷凍室的降溫負荷有所減小，從而使冷凍降溫階段時間縮短，總運行時間減少.再次，冷藏降溫期間，隨著制冷劑逐漸遷移到冷藏蒸發器，冷凍蒸發器的制冷量逐漸減小.冷凍感溫包的溫度在開機第6個短周期(18 mim)之后僅下降了0.4 ℃，卻同時也減慢了冷藏室的降溫速度.因此，在冷凍降溫時間的縮短與冷藏運行時間的延長之間存在使壓縮機運行時間最短的最優值.雖然在第6個短周期之后，對冷凍室的降溫效果明顯減弱，但是這個時間點是否就是能使得壓機運行時間最短的最優值，還需進一步研究驗證.

4 結 論

1)壓機啟動后，制冷劑逐漸由冷凍蒸發器向冷藏蒸發器遷移.前6個短周期內，冷凍運行向冷藏運行切換時制冷劑遷移的有效制冷時長由占冷藏運行的21%增大至71.5%，送回風溫差由11.7 ℃增大至20.1 ℃，制冷劑遷移造成的冷藏蒸發器制制冷量損失由33.9%降至5.2%，第6個短周期后基本穩定.

2)冷藏降溫階段冷凍蒸發器內的制冷劑一直為氣液兩相狀態，有冷量產生.前18 min使冷凍室感溫包溫度從-16.5 ℃降至-17.8 ℃，占到冷凍室總溫降的36.1%.但后17 min由于大量制冷劑已遷移到冷藏蒸發器，導致冷凍蒸發器制冷量減小，冷凍室感溫包溫度僅降低0.3 ℃，且減慢了冷藏室降溫速度.還需進一步研究以確定冷凍降溫時間的縮短與冷藏運行時間的延長之間取最優值，在保證箱溫的同時使壓縮機運行時間最短.

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(編輯 楊 波)

Dynamic characteristic of the air-cooled refrigerator with two parallel-evaporators in the control of short-cycle switching

ZHANG Zhenya, HUANG Dong, LENG Yongqiang

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

For the two-circuit refrigerator with parallel evaporators, refrigerating cabinet and freezing cabinet could not get cooling capacity at the same time.This will lead to the increase in compressor-on time due to the fact that the compressor shuts down as the counterpart cut-out temperature in the freezing cabinet is reached.The dynamic characteristics of a parallel-evaporators refrigerator with short-cycle switching control were studied experimentally.Results showed that the refrigerant stored in the freezing-evaporator was immigrated gradually to refrigerating-evaporator due to pumping action of compressor after a startup.The capacity loss of the refrigerating evaporator due to the refrigerant migration decreased from 33.9% to 5.2%.In addition, the temperature of the freezer-sensor decreased from -16.5 ℃ to -17.8 ℃ in the first six short-cycles, but only decreased by about 0.3 ℃ in the next five short-cycles.The short-cycle switching control strategy can decrease the temperature in both refrigerating cabinet and freezing cabinet.However, the refrigerating-run time will be extended at the same time.These two factors should be comprehensive considered to make the compressor-on time shortest.

air-cooled refrigerator; parallel evaporators; short-cycle switching control; refrigerant migration; dynamic characteristic

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.022

2016-01-07

張振亞(1989—)，男，博士研究生； 黃 東(1975—)，男，副教授，博士生導師

黃 東，d_huang@mail.xjtu.edu.cn

TB657.4

A

0367-6234(2017)01-0150-05