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中小型商用制冷设备:压缩机、换热器、制冷剂替代优化

2022-05-20 15:07:28


      中小型商用制冷设备广泛应用于超市、便利店、饭店等场所,包括制冷陈列柜、冷柜、厨房冰箱、饮料柜、酒柜、自动售卖机、冰淇淋柜及商用制冰机等。


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中小型商用制冷设备的技术发展趋势主要包括3个方面:一是减少用冷需求,增强设备绝热性能;二是制冷系统的优化,如循环流路的改进、系统部件的性能优化及新型制冷剂的应用等;三是智能化管理系统的应用。本文,我们将来分享提高制冷系统性能的一些技术手段。主要包括:蒸气压缩制冷系统循环改进、重要部件性能优化、新型制冷剂替代。


1、压缩机效率提升

   

中小型商用制冷设备主要采用全封闭活塞式压缩机、转子压缩机和涡旋式压缩机。目前,全封闭活塞式压缩机占95%以上,但是转子式压缩机保持快速增长趋势,抢占全封闭活塞式压缩机和涡旋式压缩机的市场。中小型商用制冷设备用压缩机的发展趋势如下:


1)紧凑化、轻量化,可降低材料成本,节约空间;

2)变频化,具有温度控制精度高、能量调节范围大、部分负荷效率较高等优点;

3)制冷剂替代对压缩机的研究、设计和制造提出了许多新的要求,如为减少制冷剂泄漏而提高压缩机的密封性和可靠性等;

4)多物理场耦合仿真、液冷替代风冷消除通风噪声及高速低噪声轴承技术是压缩机低噪声化的主要研究方向。

    

2、换热器强化传热

   

换热器的强化传热一直是热门的研究方向,通过强化传热减少不可逆损失。从原理来说有增大传热积、增大传热温差、提高传热系数3类强化传热技术。中小型商用制冷设备两器(蒸发器和冷凝器)如下图所示。



2.1翅片管式换热器翅片


管式换热器是应用Z为广泛的换热器,具有结构紧凑、质量轻、成本低等特点。空气侧热阻占主导,为总热阻的85%以上。利用翅片强化换热的机制主要包括2个方面:


①特殊的翅片通道,如波纹片通道,因其内部会产生边界层分离现象而导致混合作用;

② 在翅片通道内会产生边界层的重复生长与尾流破坏。常用的翅片型式有平片、波纹片、百叶窗片、锯齿片和打孔片。

 

2.2微通道换热器  


微通道换热器具有结构紧凑、质量轻、换热效率高、成本低等特点,近年来在中小型商用制冷领域得到了较快发展。对翅片管式冷凝器的饮料柜和微通道冷凝器的饮料柜进行性能试验,结果表明:用微通道换热器作为饮料柜的冷凝器具有高效、减少制冷剂充注量、成本低等优点。微通道换热器在中小型商用制冷领域的优化方向:


1)研究翅片型式及其参数,如开窗角度、片间距等与流量、压降、空气侧气流组织及风机功耗间的关系;

2)换热器的集流管的布置方向,水平、垂直或是倾斜;

3)扁管的宽度及其内部开孔的型式和数目,对换热性能和制冷剂充注量影响较大,针对不同的需求,对扁管的结构进行优化设计;

4)流路优化是重要影响因素;

5)特殊结构集流管的设计使得微通道换热器做蒸发器时,制冷剂分配较为均匀,换热性能得以改善。

   

3、制冷剂替代

   

3.1 R290的推广  


碳氢化合物制冷剂丙烷(R290)因具有无氟、低碳、天然、高效、价格低等诸多优势,可用于中小型商用制冷领域。产业在线监测数据显示,2018年 R290在中小型商用制冷设备中的应用在30%左右。


如在立式冷柜中应用R290替代R404A,换热器的内容积比原型机小40%,开机周期功率和开停机周期功率分别降低2.7%和0.6%,并且工况下的制冷剂充注量低于原型机30%。

在商用冷柜中,与原R134a系统相比,制冷温度下降1℃,耗电量减少约10%。此外,制冷剂充注量降低可减少冷凝器耗材。然而,R290的可燃性限制了其在行业内的推广使用,这也是下一步需要重点解决的问题。

 

3.2  co2的使用  


co2具有良好的低温流动特性和换热特性,co2制冷系统可用于超市食品的保鲜储藏和低温冷冻保存。在欧美和日本,co2在商业和超市制冷系统的使用处于领先地位。


在我国,2008年北京奥运会期间,A公司曾为可口可乐生产数千台co2冷柜;B公司于2011年研发了co2商用制冷陈列柜和制冷机组产品,并通过试验研究发现在环境温度低于20℃时,co2商用制冷陈列柜比传统产品的能效提高16%。受运行压力的限制,co2在中小型商用制冷领域的推广应用,给系统及部件的设计带来许多新的挑战。

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