基于薄壁化泡层的低成本风冷冰箱节能技术研究.pdf

58日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation基于薄壁化泡层的低成本风冷冰箱节能技术研究李清松 刘全义 陈开松（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）摘要：薄壁化冰箱可有效提升产品容积率，为行业发展趋势。本文依托极致薄壁化泡层设计，使冰箱容积率高达 55.5%，实现了大容积率风冷冰箱设计。通过单循环制冷系统设计，蒸发器和冷凝器优化设计，高效风道设计，化霜水管水封设计、高效变频压缩机和变频控制规则优化设计等一系列方案应用，薄壁冰箱不使用VIP 板条件下，实现了国标一级能效，且整机成本得到进一步降低，有效提升产品竞争力。关键词：风冷冰箱；风道；蒸发器；排水管Abstract：Thin-wall refrigerator can effectively improve the product floor area ratio,for the development trend of the industry.Based on the design of extreme thin-wall foam layer,the volume ratio of refrigerator is as high as 55.5%,realizing the design of air-cooled refrigerator with large volume ratio.Through single cycle refrigeration system design,evaporator and condenser optimization design,efficient air duct design,defrosting water seal design,efficient frequency conversion compressor and frequency conversion control rules optimization design and a series of scheme application,thin-wall refrigerator does not use the VIP plate condition,implements the national standard level of energy efficiency,and the machine cost is further reduce,effectively enhance product competitiveness.Key words：air-cooled refrigerator;air duct;evaporator;drainage pipeResearch on Energy-Saving Technology of Low-Cost Air-Cooled Refrigerator Based on Thin-Wall Foam Layer引言在高房价高地价常态下，伴随着冰箱消费升级，高容积率风冷冰箱设计是冰箱行业趋势1。冰箱容积率通常是指冰箱实际可使用容积与冰箱体积之比，比值越大，容积率则越高。为了实现大容积率设计要求，主要是将冰箱的箱体及门体均进行薄壁化设计2，箱体和门体发泡层越薄，冰箱相对容积率越大，随之冰箱的热负荷增大，耗电量增加。为同时兼顾冰箱的大容积率和高能效的设计要求，通常在冰箱的箱体和门体的发泡层内设置低导热系数材料 VIP 板，既减小冰箱热负荷，又减小冰箱发泡层厚度，实现薄壁化、高能效的产品功能要求。通过产品多维度的 VIP 应用，虽然实现大幅度降低冰箱热负荷，但是冰箱设计成本也大幅度增加，导致薄壁产品的竞争力不足。如何既能保证冰箱的大容积率和高能效，又能实现产品高性价比将是冰箱行业的一个重要课题。本文通过风冷冰箱节能技术再创新再突破，实现薄壁冰箱全面取消 VIP 板应用，实现产品成本大幅度降低，有效提升产品成本竞争力。2023 年 7 月/Jul.2023 59技术创新/1 风冷冰箱泡层设计参数本文载体冰箱为一款上藏下冻法式四门风冷冰箱，冷藏室标称容积 185 L，冷冻室标称容积 220 L，总标称容积为 405 L。冰箱的关键发泡层厚度参数如表 1 所示，冰箱外形尺寸 600 mm 638 mm 1905 mm，根据 GB/T 8059-2016 家用和类似用途制冷器具3容积测试方法，其容积率为 55.5%。2 风冷冰箱节能技术方案为实现载体冰箱的大容积率、低成本和 GB 12021.2-20154一级能效设计要求，冰箱的箱体和门体均不采用VIP 板方案，具体技术方案阐述如下。2.1 制冷系统设计2.1.1 制冷系统循环设计基于产品成本性价比，BCD-405 W 采用单循环制冷系统，蒸发器设置在冷冻间室，冷藏室通过风门导通和关闭实现制冷。2.1.2 冷冻蒸发器设计基于产品容积率，冷冻蒸发器采用两排（厚度 50 mm）翅片蒸发器。参见图 1，蒸发器管路可设计为顺排或插排结构，根据 CFD 仿真计算，参见表 2，两排管插排空气侧换热系数较两排管顺排提高 11%，换热效率更高。根据上述理论计算结果，在 BCD-405 W 整机进行斜插蒸发器和扭角拉胀蒸发器性能对比验证。参见表 3，扭角拉胀蒸发器在稳态能耗表现更优，但化霜增量较大，标准耗电量两种类型蒸发器基本相当。从成本角度考虑，冷冻蒸发器设计方案为斜插式蒸发器。冰箱位置泡层厚度箱体冷藏室两侧32 mm冷藏室顶部45 mm冷藏室后背42 mm冷藏室底部40 mm冷冻室两侧45 mm冷冻室后背55 mm冷冻室底部60 mm压缩机顶部60 mm压缩机前部60 mm门体冷藏室门体38 mm冷冻室门体50 mm蒸发器类型换热量（W）提升比例斜插蒸发器100.5-直排拉胀蒸发器105.85.27%扭角拉胀蒸发器117.517%表 1 BCD-405W 发泡层厚度分布图 1 顺排/插排结构仿真模型表 2 不同类型两排蒸发器换热量对比蒸发器类型环温稳态能耗（kW.h/24 h）化霜增量 Edf（W.h）标准耗电量(kW.h/24 h)标准能效指数扭角拉胀蒸发器16 0.37381.230.71523.97%32 0.91986.30斜插蒸发器16 0.38353.850.71423.94%32 0.93660.69表 3 不同类型两排蒸发器整机性能对比60日用电器/Electrical Appliances技术创新/Technology and Innovation2.1.3 冷凝器设计若冷冻间室温度按照-20，箱体发泡料 K 值19.2 mW/m.核算，冷冻两侧发泡层厚度至少达到55 mm 才能确保在 32 /85%RH 条件下冷冻两侧不出现凝露现象。参见表 1 所示 BCD-405 W 箱体冷冻室两侧发泡层厚度仅为 45 mm，因此在不设置 VIP 板条件下，冷冻室两侧需采取防凝露措施。风冷冰箱冷凝器常规设计方案可分为内置式冷凝器和外置式冷凝器。外置式冷凝器设置在冰箱外部，通过风扇强制对流实现冷凝器散热，散热效果好，由于增加冷凝风扇以及冷凝器结构复杂，导致成本较高。内置式冷凝器通常设置在箱体两侧箱壳上，冰箱运行过程中由于冷凝器温度高于环境温度，增加箱体热负荷，但其结构简单，成本低，同时可解决冷冻室两侧因泡层薄导致的凝露问题。综合以上因素，冷凝器设计方案为内置式冷凝器。2.2 冷藏回风风道设计常规单系统风冷冰箱冷藏回风风道设置在冷冻室后背发泡层内，回风距离最短，回风效率高。参见表1所示，BCD-405 W 箱体冷冻后背发泡层厚度仅 55 mm，不能满足后背式冷藏回风风道布局要求。因此为保证冷藏回风均匀性和可靠性，提升风道效率，在箱体两侧设置冷藏回风风道，参见图 2 所示。通过两侧回风风道局部优化设计和改进，根据 CFD仿真计算，两侧式回风效率和回风均匀性更优于后背式回风结构。2.3 化霜水管设计风冷冰箱翅片蒸发器需要周期性除霜，其化霜水通过排水管引出箱体外部，因此排水管是冰箱内、外部连通通道。考虑排水管倒吸异常噪音、排水通常性，常规排水管为“敞开式”设计，即蒸发器室通过排水管与外界可以自由连通。对于本载体单循环冷藏冷冻风冷冰箱，当冷藏冷冻同时制冷时，由于蒸发器室内水管口位于风扇进风端为负压，外界空气通过排水管进入蒸发器室内，水管内部温度达到环境温度，经蒸发器冷却后送到冷藏室和冷冻室。由于冷藏室内的冷空气为正压，冷藏室内的冷空气通过门封与箱体的搭接面排到箱体外部，构成箱体内、外部空气大循环，额外增加冰箱热负荷。当冷冻室单独制冷时，由于蒸发器室内的水管口和冷藏回风口均位于风扇进风端为负压，外界空气通过排水管和冷藏门封与图 2 两侧回风方式图 3 两侧回风方式换热量仿真云图2023 年 7 月/Jul.2023 61技术创新/图 4 U 型水管结构示意图箱体的搭接面进入蒸发器室内，最终通过冷冻门封与箱体的搭接面排到箱体外部，构成箱体内、外部空气大循环，同样增加冰箱热负荷。因此因排水管的自由连通导致冰箱热负荷增加，增大能耗。参见图 4 所示，排水管设计“U”型槽结构，且水管口竖直高度高于“U”型槽最高面，使部分化霜水储存在水管内，实现水管水封，杜绝外界空气通过水管进入箱内，从而减小冰箱热负荷和结霜量。当排水管经水封后，水管内部温度基本维持恒定，无内外空气交换，根据整机对比测试结果，水管水封较普通水管耗电量降低约 3%。3 整机性能验证通过上述技术方案应用，同时搭载高效变频压缩机（COP 值为 2.03），通过变频压缩机转速和变频风机转速与制冷系统的动态匹配，按照 GB/T 8059-2016 家用和类似用途制冷器具3测试方法，BCD-405 W 风冷冰箱标准耗电量实测值0.737 kWh/24 h，实测能效指数为23.5%，满足 GB 12021.2-2015 一级能效要求，节能技术方案具有实用性和可推广性，成本大幅度降低，产品已实现上市。4 结论1）依托薄壁化泡层设计，实现载体冰箱容积率达到55.5%；2）通过单循环制冷系统以及蒸发器和冷凝器优化设计，达到制冷系统成本和性能综合最优化要求；3）通过化霜水管水封设计和应用，耗电量降低 3%。同时搭载高效变频压缩机和变频控制规则优化，薄壁冰箱不使用 VIP 板条件下，实现了国标一级能效，整机成本得到大幅度降低。参考文献：作者简介：1 吴园,魏邦福,江峰.一种大容积率冰箱设计思路 J.家电科技,2017,(8):60-62.2 程琳莉,陈开松,等.基于风冷冰箱薄壁化需求的节能研究 J.日用电器,2021(6):30-34.3 GB/T 8059-2016,家用和类似用途制冷器具 S.4 GB 12021.2-2015,家用电冰箱耗电量限定值及能效等级 S.李清松（1987-），女，本科，工程师，主要从事冰箱制冷系统设计和匹配以及制冷系统工艺制造工作。