家用冰箱热负荷与压缩机选型简析

徐敏

摘要：微型往复式活塞压缩机广泛应用于冰箱、冷柜等产品中，为了更好的使压缩机能够在其使用场合-冰箱系统中发挥出更优的性能，匹配达到最优的效果，对冰箱的热负荷相关的了解分析会对压缩机的设计有一定的指导作用。鉴于此，对冰箱的热负荷计算方法、热负荷与蒸发温度的关系、以及机械式冰箱档位调节的原理进行了简单分析,为同行业产品开发人员提供参考。

关键词：家用电冰箱；热负荷；压缩机选型

Design of Heat Load and Compressor Selection for Household Refrigerators

XuMin

（GREE Electric Appliances Inc. of Zhuhai   Zhuhai Guangdong 519070）

Abstract:  Micro reciprocating piston compressors are widely used in products such as refrigerators and freezers. In order to better enable the compressor to perform better in its usage - refrigerator systems, and achieve the optimal matching effect, understanding and analyzing the thermal load of refrigerators will have a certain guiding role in the design of compressors. In view of this, a simple analysis was conducted on the calculation method of heat load for refrigerators, the relationship between heat load and evaporation temperature, and the principle of mechanical refrigerator gear adjustment, providing reference for product developers in the same industry.

Key words: household refrigerator; Heat load; Compressor selection

前言

往复式压缩机是决定冰箱、冷柜等产品能耗水平的最关键部件，其选型设计是行业内的研究热点。本文从电冰箱的热负荷计算、热负荷与工况运行的关系、热负荷与压缩机匹配特性等角度分析，较为全面的概括了家用电冰箱热负荷与压缩机选型设计的相关要点，为压缩机选型设计提供一定的参考思路。

1 冰箱（冷柜）热负荷计算

在产品的设计中，计算热负荷很重要。可以从产品的开发前期已知产品的性能状态，产品的制冷系统匹配、以及产品出现问题后能找到问题的分析点：

①知道产品未来的性能状态；

②知道产品在不同环境中的性能状态；

③事先可以初步知道产品的能耗水平以及改进后的状态；

④可以找到产品设计中的缺点、找到改进的方向；

⑤可以用最低成本设计产品；

⑥缩短产品的开发时间，提高产品开发的命中率。

热负荷在设计中是一个重要参数，与箱体结构、内容积、箱体绝热层的厚度和绝热材料的优劣等因素有关。只有确定了热负荷，才能进行制冷系统的设计。热负荷用下式计算。

为冰箱箱体每小时的漏热量；为箱内存放物品每小时放出的热量；为开启箱门引起的每小时漏热量；对于风机强制空气对流的冰箱，计算热负荷时还要加上风机消耗的功率。

2 热负荷与蒸发温度的关系

在制冷装置的运行中, 热负荷的改变将引起蒸发温度（压力）发生变化, 从而使制冷装置制冷量、压缩机轴功率和循环制冷系数随之而变。

热负荷与蒸发压力（温度）的关系：在一恒定的工况条件下（制冷剂流量一定），热负荷越大，蒸发压力（温度）越高。因为在蒸发器中，使压力变低的主要因素是压缩机的吸气能力（压缩机的排量）而使蒸发压力变高的主要因素是膨胀阀的制冷剂通过量和热负荷。

具体来说：

（1） 压缩机：如果压缩机的吸气能力很强（排量很大），蒸发所产生的制冷剂蒸汽能快速被吸走，那么就会使系统蒸发压力维持在一定的低压范围内。

（2） 热负荷：热负荷决定蒸发压力（温度），而且决定膨胀阀的开度。热负荷较大时，制冷剂蒸发所产生的冷量小于热负荷值时，就会使蒸发压力（温度）上升。热负荷过大时，系统的制冷量小于热负荷，就会使蒸发压力上升，蒸发温度也上升，出风不冷。

  

                            图1 冰箱制冷系统图

    如何找到系统的最佳蒸发温度（定灌注量）是系统高效运行的关键。提高蒸发温度来提高效率的前提是系统的蒸发器可以无限大，压缩机的排气量可以自调节，在实际设计中这是不可能的。所以对于一个具有固定蒸发器和压缩机的制冷系统来说，总是有一个最佳的蒸发温度，在这个温度下，压缩机功率最小，蒸发器的传热量最大，系统效率最高。在制冷系统设计完成后，首要就是找到最佳的蒸发温度，在此基础上再进行相应的调整或再设计，如何找到系统的最佳蒸发温度是最重要的任务。

第1步：根据箱体结构、制冷系统的管路设计及所选用的压缩机，结合既有的经验，估计一个制冷剂充注量(应多于可能的最佳充注量)，以此充注量作为匹配样机的最初充注量；

第2步：在制冷系统管路各关键点布热电偶，这些点包括排气管、过滤器上端、毛细管出口(蒸发器进口)、蒸发器出口、回气管等；

第3步：根据设计任务要求在一定的环温(16 °C 或32°C)下使压缩机连续运行直至达到稳定状态，记录各点温度和压缩机的输入功率；

第4步：减少2g(R600a)\5g(R134a)制冷剂(冰箱断电,待末端蒸发器进出口温度回升超过0度时操作)，重复步骤3；

第5步：或估计一个制冷剂充注量(应少于可能的最佳充注量)，以此充注量作为匹配样机的最初充注量，增加2g(R600a)\5g(R134a)制冷剂(建议冰箱断电,待末端蒸发器进出口温度回升超过0度时操作)，重复步骤3；

第6步：重复步骤4或5，直至出现蒸发器出口温度高于进口温度为止，在此之前的充注量被认为是最佳充注量，此时冰箱制冷效果最好，耗电量最低。

3 电冰箱热负荷与压缩机特性曲线图

3.1 压缩机的选择

压缩机作为制冷系统的心脏，除了根据系统总热负荷和制冷系统的工艺要求确定压缩机结构外，还要考虑制冷量和消耗功率。

图2  电冰箱热负荷与压缩机特性曲线图

由图2可以看出：

（1）如果选择制冷量为Q0的压缩机，蒸发温度在tA点，则QT= Qo,压缩机的开机率为100%；若蒸发温度在tB点，则QTBOB,开机率（QTB/QOB) <100%；若蒸发温度在tC点，则QTC>QOC,说明压缩机制冷量不能满足电冰箱热负荷的要求，需要另选制冷量较大的压缩机。

（2）如果选择制冷量为Q’o的压缩机，则QTB/Q’OB<< QTB/QOB,即其开机率大大低于制冷量为Qo的压缩机；当蒸发温度为tc时时，Q’OC>QTC,所以其开机率仍小于100%，压缩机满足了要求。

通过以上分析可以看出，压缩机的制冷量对电冰箱的运行有如下影响：

（1）选配的压缩机制冷量较小时，电机输入功率也小，在一定的开停机温差下，单位时间开机次数少，启动消耗的功率减小，因此总的耗电量较低。另外，压缩机的功率小，压缩机的振动和噪音也较低。但是，压缩机的制冷量过小时，开机率会大大地高，耗电量反而增大。同时压缩机的寿命也受到影响。

（2）选配的压缩机制冷量过大时，电机的输入功率也增大，而且压缩机开停机频繁，故启动消耗的功率增大。虽然开机率很低，但总的耗电量仍然增大。另外，压缩机启动时，要产生较大的抖动和很大的冲击电流，因此，频繁启动可能会导致压缩机连接管路断裂、减震弹簧疲劳损坏、电机绝缘破坏等故障。还有压缩机制冷量过大，造价也较高，冷凝器的面积也要适当增加。

因此，压缩机的选择，一般应满足以下4个基本参考条件：

（1）运转率30%-75%；

（2）开车次数每小时不多于6次；

（3）停车时间不少于5分钟；

（4）耗电量小；

在满足以上条件时，选择制冷量最小的压缩机，以达到压缩机与冰箱的合理匹配。

3.2 选型案例

通过上文方法计算得出某型号冰箱热负荷为35W，首先要确定的开机率，并根据开机时间比折算制冷量，最后依照制冷量和COP 选择合适的压缩机。

（1）开机时间比η确定

开机率指的是压缩机开机时间占总的制冷时间的比率，一般在25℃环境下合适的开机比是30~40%，在38℃环境温度下开机时间比一般在45~50%。

（2）压缩机选取

本案例在25℃环境温度下选择开机时间比为35%，则压缩机在35%的开机时间内要完成35W 的制冷量，所以压缩机的在冰箱系统工况下的制冷量Q：

Q=35/0.35=100W

即按照100W 的制冷量选择压缩机；鉴于规格书上参数都是在国标工况下测得，而压缩机实际在冰箱中运行时并不是在国标工况。所以在选择的时候需要考虑差异。根据冰箱系统工况分析，基本国标工况下制冷量在120-130W之间，其系统工况下制冷量约在100W-110W之间。

根据某公司产品手册120-130W 制冷量范围的有EMX40CLC、EMB40CLC、EM2C40CLT三种型号，其COP在国标下为1.80、1.90、1.94，本文选择COP为1.9的EMB40压缩机。选定压缩机以后，压缩机功率W 计算公式如下：

 

压缩机耗电量P：即压缩机耗电量为0.46KW/天。

4 电冰箱温控器档位调节

电冰箱的温控器为定温复位型。温控器一般装在冷藏箱内，通过冷藏箱的温度来控制电冰箱的开停，冷冻室的温度由系统匹配来保证。

同一型号的温控器开机温度一定，约在5℃左右，而停机温度与温控器的档位有关，一般0档表示停机，若无特别说明，最高档为常开机点。温控器旋钮上的数字越大，停机点的温度就越低，即箱内温度越低（停机点温度低，因而压缩机的开机时间越长）。

冬季环境温度低，温差较小，冰箱内的冷温度流失较慢，而冰箱压缩机的工作与停机是通过是冷藏室的温控器感温管的感温幅度来控制的，若温差太小，温控器的触点无法正常控制压缩机启动工作，导致冷冻室温度上升，冰箱的制冷效果下降，所以冰箱的温度应适当调低一些，也就是把温控器的档位调高，使温差较大，确保压缩机能正常启动。

夏季环境温度高，温差大，冰箱内冷温度流失得较快，所以应将冰箱温控器的档位调低一点，避免压缩机长时间不停机，导致耗电量增加。

机械式温控器的档位数字越小，冰箱内的温度越高；数字越大，温度就越低。一般最高档是强制制冷档，此时压缩机不停机工作，一般用于对食品进行快速冷却，但时间不宜过长；否则压缩机不停机工作，对压缩机造成损害。

5 结论

通过上述分析，为了实现冰箱或冷柜的节能高效，在压缩机设计选型过程，需要根据产品的存储特性温度需求，计算热负荷，并参照其冷量需求和能效要求选择排量、能效匹配的压缩机，才能实现节能高效。压缩机与冰箱的匹配是否合理，对冰箱的成本、能耗、制冷性能及使用寿命都有影响。冰箱档位要根据季节即环境温度的变化适当调节，可以保证冰箱运行在节能状态下保鲜效果最好。因此，对每个冰箱制造厂商来说，压缩机和冰箱制冷系统的匹配都被作为一个非常重要的项目进行研究，并进行不断的优化和改进。

【参考文献】

[1] 吴业正等.制冷压缩机（第二版）.北京：机械工业出版社，2010.11

[2] 梁晓钟．高效冰箱压缩机的分析与设计[J]．制冷， 2004(3)：13-18．

[3] 杨百昌，邓承武，戴竞雄等. R600a工质电冰箱压缩机 节能研究[J]．家电科技，2005(9)：33-36．

作者简介：徐敏（1987-），男，本科，热能与动力工程专业，工程师，主要从事压缩机高效化研究和应用研究工作。