冰箱热气旁通除霜技术压缩机防液击方案探讨及验证.pdf

2692023中国家电科技年会论文集0 引言制冷器具结霜除霜问题一直是制冷行业的重点研究内容，除常规电加热方式外，利用压缩机高温排气直接旁通蒸发器的除霜技术是近几年的一个研究重点，陈建平等学者研究了R507A制冷工质的冷冻库系统的热气除霜系统设计并展开验证，研究显示相比电加热除霜，热气融霜功耗降低20%1。李大伟等研究了R290制冷工质的低温冷柜系统设计及除霜验证，研究显示相比电加热除霜功耗降低16.7%2。汪俊勇等研究了R410A制冷工质的空调系统的热气旁通技术，研究未表明相较传统逆流化霜的能耗对比情况，但得出该技术对比传统化霜对室内温度影响小，大幅度提高了用户的体验舒适性3。从行业相关研究中可以看出热气旁通除霜技术拥有较好的应用效果和前景。家用空调领域基于原四通换向阀的逆流除霜技术基础、加之高背压的系统设计，热气旁通除霜技术应用研究相对较为领先、应用可行性更强。但对于低背压系统的制冷器具领域，如冷柜及家用冰箱等产品，除霜工况更为恶劣，与之对应的是系统小、制冷剂灌注作者简介：王瑶瑶，女，中级工程师。研究方向：主要从事冰箱制冷相关的节能技术研究。地址：山东省青岛市崂山区松岭路399号海信家电研发中心C区。E-mail：。冰箱热气旁通除霜技术压缩机防液击方案探讨及验证王瑶瑶 王凌翔 孙彬 王国庆海信家电集团股份有限公司 山东青岛 266100摘 要：压缩机液击故障是制约热气旁通除霜技术在家用冰冷产品上应用的关键问题，为了研究不同压缩机防液击方案对于除霜性能的影响规律，设计通过整机样品搭载储液器气液分离方案和压缩机自防方案两种方案，从功耗、除霜速度、热量利用率、间室温升等方面分别开展验证。验证显示：压缩机自防设计较储液器防液击方式化霜功率高、质量流量大、化霜时间短，除霜部分功耗节能约8%，间室温度回升呈现劣势，单点空载温差最高约6左右。关键词：热气旁通；除霜；压缩机液击；节能Discussion and verification of compressor anti liquid hammer scheme for refrigerator hot gas bypass defrosting technologyWANG Yaoyao WANG Lingxiang SUN Bin WANG GuoqingHisense Home Appliances Group Co.,Ltd.Qingdao 266100Abstract:Compressor liquid hammer fault is a key issue that restricts the application of hot gas bypass defrosting technology in household cold products.In order to study the impact of different compressor anti liquid hammer schemes on defrosting performance,two schemes were designed,namely the gas-liquid separation scheme with a liquid reservoir and the compressor self protection scheme,to verify the power consumption,defrosting speed,heat utilization rate,room temperature rise,and other aspects.Verification shows that the self protection design of the compressor has higher defrosting power,higher mass flow rate,and shorter defrosting time compared to the anti liquid hammer method of the reservoir,the defrosting section saves about 8%of power consumption,and the room temperature rebound presents disadvantages,the maximum temperature difference between single point and no-load is about 6.Keywords:Hot gas bypass;Defrosting;Compressor liquid hammer;Energy saving中图分类号：TB6 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.061270 2023中国家电科技年会论文集量少，零部件精度要求高，因此化霜时高温制冷剂载量少，出现制冷剂除霜相变度高、回气液化严重的现象，压缩机吸气液化、液击故障风险高是家用冰冷产品应用该技术存在的主要问题。目前热气旁通相关研究文献中对压缩机液击问题的解决虽有描述和方案建议，但少有明确的防液击方案对热气旁通除霜效果的影响对比研究，因此本文从家用冰箱R600a热气旁通除霜系统压缩机液击问题的发生原因出发，制定解决方案，验证各方案对热气旁通除霜效果的影响并进行一一阐明。1 热气旁通除霜技术中压缩机液击故障发生原因1.1 热气旁通除霜系统说明冰箱热气旁通除霜技术是将压缩机的高温气态制冷剂直接输送到蒸发器中释放热量进行除霜。从图1可以看出，相较正常制冷过程，该除霜支路运行时系统高压压力降低、低压压力升高，系统高低压差仅有50 kPa左右，并未形成完整的制冷卡诺循环，随着压缩机除霜工作运行，热气旁通除霜的热量主要来自压缩机自身储存热量及除霜运行做功热量之和。图1 热气旁通系统启动运行工况较常规制冷工况对标1.2 热气旁通除霜系统压缩机液击故障发生原因说明家用冰冷产品制冷工质为R600a，其标准沸点为-11.75，相较R134a、R410A、R290等工质在同等运行工况下更容易回气带液（如表1）。表1 各制冷工质标准沸点制冷工质R600aR134aR290R410A标准沸点（）-11.75-26.07-42.11-51.44如图2所示，当热气除霜系统启动运行30 s内，回气温度急剧下降，最低温度可达-9。随着除霜进程的推进，放热量逐步减少，相变进程变缓，回气温度也逐步回升，但整个除霜周期内回气温度均在0以下。这是由于热气旁通除霜刚启动时，制冷系统内未蒸发完成的液态制冷被高压排气冲击迁移回到压缩机，加之蒸发器结霜量大、高负荷除霜工况下吸热大造成的，此时压缩机回气状态气液两相共存，如不采取控制措施，液滴进入压缩机压缩腔中，高压液滴冲击会导致压缩机阀片、曲轴等关键零部件破损造成压缩机故障（如图3）。图2 热气旁通除霜过程回气情况图3 压缩机阀片液击典型故障图示2 热气旁通液击故障应对方案压缩机阀片液击故障是往复式压缩机的主要故障类别之一，多年来行业对其故障机理或解决对策均有较为完备的研究，解决方案也多从制冷系统的制冷剂系统调配、气液分离以及压缩机本体关键零部件优化（如吸气路径优化或阀片、连杆抗撞击能力）等角度进行解决4。不同于常规制冷系统可进行制冷剂充注、系统流量等匹配性调试优化，本文的热气旁通除霜设计方案，除霜运行为非正常工作工况，此部分优化无法开展，其解决思路主要从整机的气液分离设计和压缩机本体抗液击设计两方面进行设计，方案如下：（1）储液器方案：制冷系统增加匹配的储液器，该储液器满液容积等于恶劣工况下的制冷系统制冷剂灌注容积，用以达到热气旁通除霜时的气液完全分离，避免液态制冷剂回到压缩机。（2）压缩机自防设计方案（如表2）：制冷系统不变，从压缩机 2712023中国家电科技年会论文集液击薄弱点出发加强其阀片等部件的抗液击能力，并增加压缩机本体的制冷剂气化能力。表2 压缩机防液击方案部位图示说明吸排气阀片调整吸气阀片厚度调整，提升可靠性垫片垫片改为金属材质，加大抗冲击能力吸气消音腔吸气消音腔设计改善，实现制冷剂液体在消音腔内部循环气化作用，起到储液器功能电机调整电机线径，补偿阀片加厚造成的性能损失3 实验设计及效果对比为了研究两种防液击方案对整机热气旁通除霜的热量利用率、功耗、除霜速度等方面的效果影响，对两组实验方案的整机同时布置了功率、蒸发器温度、蒸发器侧空气温度、回气温度以及间室温度采集点位，并固化各个测试影响因子：如环境温度、测试挡位、运行频率、除霜周期、除霜退出温度等因子，确保两种方案在同一基础条件下进行对比。（1）从图4两种防液击方案的功率对比可以看出，储液器方案（图4功率1曲线）相较压缩机自防方案（图4功率2曲线），化霜功率低、化霜时间长，该现象出现主要是由于储液器方案将更多的制冷剂储存在腔体中，导致整个系统参与循环的制冷剂少，压缩机单位输气量少。综合评估，压缩机自防设计在同样时间内可循环输送更多热量，对于热气旁通除霜系统热量越多，融霜速度越快，同样也越节能。因此压缩机自防设计方案可较储液器方案除霜部分功耗节能8%左右，由于除霜部分功耗仅占整机能耗5%10%，对整机能耗影响在0.4%0.8%。（2）通过两种防液击方案的蒸发器进口管温度、回气温度以及蒸发器空气侧温度对比，如图5所示，储液器方案相较压缩机自防方案，蒸发器进口温度更高，该现象主要原因为储液器方案实现了回气气液的完全分离。如图6所示，储液器回气温度相较压缩机自防设计方案提高510，因此压缩机排气温度及进入蒸发器除霜的制冷剂温度均高1520。而从图7可以看出，虽然压缩机自防设计方案制冷剂温度低，但鉴于其单位时间输气量大，在热气除霜前期综合热量大但利用率低，除霜前期会有更多的热量未用于有效除霜而逃逸到外界环境中，导致热量浪费，从而也导致了蒸发器腔室附近的储藏间室出现更高的温度回升。此结论在图8所示的储藏间室温升对比情况也可以得到验证，储液器方案相较压缩机自防方案间室温升随着除霜进度的推进温差逐渐拉大，单点空载温差最大在6左右。综上所述，压缩机自防设计相较储液器方案化霜功率高、化霜时间短。从该箱体的对比验证情况看，压缩机自防设计较储液器防液击方式节能略有优势，但间室温度回升呈劣势。图4 不同压缩机防液击方案功率对比图5 不同压缩机防液击方案蒸发器进口温度对比图6 不同压缩机防液击方案回气温度对比272 2023中国家电科技年会论文集图7 不同压缩机防液击方案蒸发器空气侧温度对比图8 不同压缩机防液击方案储藏间室温升对比4 结论本研究主要对比了热气旁通除霜系统下两种压缩机防液击设计方案对于除霜效果的影响，并得出以下结论：（1）储液器方案和压缩机自防设计方案对热气旁通除霜效果的主要影响因素在于对回气气液两相的气化或分离度的差异以及参与除霜过程系统流量的差异。（2）热气旁通除霜系统热量越多，融霜速度越快，同样也越节能。因此压缩机自防设计方案可较储液器方案除霜部分功耗节能8%左右，由于除霜部分功耗仅占整机能耗5%10%，对整机能耗影响在0.4%0.8%。（3）压缩机自防方案相较储液器方案间室温升随着除霜进程的推进温差逐渐拉大，单点空载温差最高约6左右。（4）结合以上两种方案的效果对比，可从不同制冷系统的回液程度按需选用，本研究仅为验证两种方案对除霜效果的影响情况开展的单独方案验证，要彻底解决该系统的液击问题应从压缩机单品和整机冰箱两方面同时出发、综合考虑。参考文献1 陈建平,黄劲松,史雪菲,等.某冷冻库电热融霜和热气融霜功耗对比分析J.制冷与空调,2022,22(06):101-104+109.2 李大伟,丁剑波,卞伟,等.热气融霜冷柜的实验研究与分析A/中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集C.电器杂志社,2015:109-115.3 汪俊勇.热气旁通化霜技术在空调机组上的应用J.制冷,2014,33(03):35-37.4 朱金松.R600a制冷系统液击和对策研究J.家电科技,2005(10):48-50.5 缪道平,吴业正.制冷压缩机M.北京:机械工业出版社,2002.