斯特林制冷机在冰箱系统中的应用及可行性研究

李 靖 刘青山 杨 鹏 刘迎文

(西安交通大学能源与动力工程学院 西安 710049)

随着生活水平不断提高,用户对家用冰箱的需求已由传统的冷藏保鲜单一要求转向环保节能、智能、多功能化等高端化需求。尤其海鲜产品的冻藏品质对冰箱技术提出了更高要求,亟需发展低温冰箱技术。董浩等[1]发现,-60 ℃冻藏能够更好地维持三文鱼等海鲜产品的原有风味及品质。在-40 ℃以下温区,制冷技术主要包括混合工质、自复叠等常规蒸气压缩制冷技术以及斯特林制冷技术[2]。斯特林制冷技术相对成熟,成本较低,并且在医疗冷柜领域有应用案例。常规蒸气压缩式制冷系统仅在设计温度附近实现高效工作,相比常规制冷,斯特林制冷技术在高(低)环境温度及宽制冷温度下,均能实现高效率运行。此外,随着中国加入《基加利修正案》后,传统的蒸气压缩式制冷系统采用的制冷剂,尤其低温制冷剂的环保问题也越来越突出[3]。

综上可知,研究多数集中于斯特林制冷机性能以及自身结构优化方面,而对装载有斯特林制冷机的冰箱技术则鲜有研究。本文研制了一台蒸气压缩和斯特林机联合制冷的多温区冰箱,开展了斯特林制冷机性能测试、散热和导冷结构设计优化及斯特林冰箱的整机性能研究,为斯特林制冷机在冰箱制冷系统中的应用奠定了基础。

1 实验系统及装置

选取620 L十字对开门冰箱作为研究对象,拥有三个子间室,基本参数如下:1)冷藏室容积为430 L,在冰箱上部;2)冷冻室容积为90 L,在冰箱左下部;3)变温室容积为100 L,在冰箱右下部。将变温室进行改造分隔成两部分,一部分仍然保持原变温室的设定温度范围,一部分设计为低温室。经过市场调研,确定低温室温度设定范围为-60～5 ℃,容积为30 L。通过理论计算获得低温室热负荷为17.6 W,考虑一定制冷余量,选用80 W斯特林制冷机,如图1所示,工作参数如表1所示。

表1 斯特林制冷机工作参数

图1 斯特林制冷机结构

2 实验测试

2.1 测试系统

本文搭建的斯特林制冷机性能测试系统如图2所示,该测试系统由斯特林制冷机系统、电加热系统和数据采集系统三部分组成。斯特林制冷系统由一台斯特林制冷机及其控制面板组成;电加热系统包括绝热保温材料、可调直流电源IT6322和钢管加热器等;数据采集系统包括T型热电偶、Agilent34970A型数据采集器以及计算机。实验装置的恒定环境温度由恒温恒湿标准实验室提供。

图2 斯特林制冷机性能测试系统

2.2 实验方案及方法

1)实验方案

以热平衡法测量斯特林制冷机在不同环境温度(0、10、20、30 ℃)、不同输入功率和不同冷端温度下的制冷量,即保持斯特林制冷机的输入功率不变时,通过调节加热电源的输出功率,改变钢管加热器的输出加热量。相应的,钢管加热器的表面温度和斯特林制冷机的冷端温度将发生变化。一段时间后,斯特林制冷机的冷端温度和钢管加热器的表面温度不再变化,此时系统达到平衡,钢管加热器的输出加热量即为此时斯特林制冷机在该冷端温度下输出的制冷量。

2)实验方法

实验全程在恒温环境工况实验室中进行,且实验室的环境温度稳定在设定温度后才启动斯特林制冷机性能测试实验台,实验步骤如下:

(1)工况实验室的环境温度稳定在设定温度时,调节斯特林制冷机的目标冷端温度使其保持满负荷(输入最大固定功率)状态运行;

(2)斯特林制冷机冷端温度不再变化时,记录相应温度数据和直流电源输出功率;

(3)调节加热电源的输出电压,改变钢管加热器的加热量;

(4)重复步骤(2)和(3),直至冷端温度或钢管加热器表面温度足够高。

图3所示为实验过程中斯特林制冷机冷端降温曲线。由图可知,该斯特林制冷机的冷端降温速率较快,运行约0.5 h后便可达到稳定状态。因此,为了取得稳定工况的实验数据,每次调节加热功率之后至少需要等待0.5 h才可读取相应实验数据。

图3 斯特林制冷机冷端降温曲线

3 斯特林制冷机单体性能测试

为了探讨该斯特林制冷机在冰箱中的应用可行性,本文研究了不同输入功率和不同环境温度下该斯特林制冷机的性能特性变化。

图4所示为环境温度在0、10、20、30 ℃下,该斯特林制冷机在不同输入功率下的输出制冷量随冷端温度的变化。

图4 不同环境温度下斯特林制冷机制冷量

由图4(a)可知,随着冷端温度的逐渐上升,该斯特林制冷机的输出制冷量也逐渐增加。图中两种输入功率(67 W和77 W)下的Q-Tc曲线在冷端温度约为-80.0 ℃时出现了交叉,当冷端温度低于-80.0 ℃时,输入功率为67 W时制冷机的输出制冷量更高;而当冷端温度高于-80.0 ℃时,输入功率为77 W时制冷机的输出制冷量更高。这是因为当冷端温度和输入功率变化时,斯特林制冷机的能效比会随之变化。当环境温度为0 ℃且冷端温度低于-80 ℃时,相比67 W输入功率,该斯特林制冷机在77 W输入功率下的能效有所降低。因此,输入功率的增加反而导致输出制冷量降低。

在图4(b)～(d)中,即环境温度分别为10、20、30 ℃时,两种输入功率(67 W和77 W)下的Q-Tc曲线呈现一致的特征:随着冷端温度的逐渐上升,该斯特林制冷机的输出制冷量逐渐增加;当输入功率由67 W增至77 W时,该斯特林制冷机的输出制冷量也相应增加。此外,随着冷端温度逐渐升高,输入功率增加导致的制冷量增加值也逐渐增大。这进一步说明斯特林制冷机的能效比随工作参数差异而产生变化。

图5所示为环境温度在0、10、20、30 ℃下,该斯特林制冷机在不同输入功率下的制冷系数COP值随冷端温度的变化。

图5 不同环境温度下斯特林制冷机COP Fig.5 COP of the Stirling cryocooler under various ambient temperatures

由图5(a)可知,随着冷端温度的逐渐上升,该斯特林制冷机的COP也逐渐增加。当冷端温度较低(低于-50.0 ℃)时,输入功率为67 W时制冷机的COP更高,但随着冷端温度的逐渐上升,该斯特林制冷机在输入功率为77 W下的COP与输入功率为67 W时的差值逐渐减小,甚至在冷端温度高于-50.0 ℃出现重合和反超的现象。在图5(b)～(d)中,两种输入功率(67 W和77 W)下的COP-Tc曲线也呈现一致的特征:随着冷端温度的逐渐上升,该斯特林制冷机的COP也逐渐增加;输入功率由67 W增至77 W 时,该斯特林制冷机的COP减小。

综上所述,增加斯特林制冷机输入功率,可以提高其输出制冷量,但COP会减小。斯特林制冷机工作时,并非功率越大越好,输入功率应与制冷量需求相匹配以实现高效运行。

根据冰箱的使用环境要求,在环境温度分别为0、10、20、32、43 ℃,斯特林制冷机按额定功率(80 W)运行时,进一步研究了冷端温度和输出制冷量的对应关系。实验过程中,在不同工况下,斯特林制冷机输入功率受控制逻辑的限制,其受冷端温度影响存在波动。图6所示为斯特林制冷机在环境温度为0～43 ℃下的输入功率及制冷量测试结果。结果表明,在环境温度43 ℃下,斯特林制冷机在冷端温度为-60 ℃时输出制冷量为28.97 W,COP为0.37,可以满足冰箱低温室的制冷需求,验证了斯特林制冷机在冰箱中的应用可行性。

图6 不同环境温度下斯特林制冷机性能

4 斯特林制冷冰箱

前文测试了斯特林制冷机的单体性能,本节将进一步介绍斯特林制冷冰箱的整机性能。

本文提出的斯特林制冷冰箱的斯特林制冷系统的热端通过热管结合散热翅片的形式向环境散热,散热翅片布置于压缩机散热仓,必然增加散热仓负荷,因此需要对散热仓布局进行改造优化。为验证斯特林制冷冰箱系统的散热性能,首先针对改造前冰箱系统的散热仓进行仿真研究,以获得对比基准。模拟条件如下:环境温度为43 ℃,冰箱散热负荷约为200 W,轴流散热风机额定转速为1 200 r/min,保温层视为绝热壁面。改造前冰箱系统散热仓的仿真结果如图7所示。从仿真结果可知,冰箱系统在改造前,压缩机表面最高温度为68 ℃,压缩机上方最高流速为2.061 m/s;总风量为96.12 m3/h,其中出口风量为21.96 m3/h,后背格栅风量为36.72 m3/h,底部格栅风量为37.44 m3/h。

图7 冰箱改造前散热仓仿真结果

增加斯特林制冷系统后,仿真参数设置如下:热管散热量设定为110 W,用于热管散热的风机转速为2 400 r/min,斯特林制冷机外壳表面温度设定为48 ℃,其余边界条件与原冰箱系统保持一致。经多次结构优化,改造后斯特林制冷冰箱散热仓的仿真结果如图8所示。

图8 冰箱改造后散热仓仿真结果

由图8可知,斯特林制冷机热端翅片温度为45.2 ℃,仅略高于环境温度2.2 ℃,表明翅片散热效果较好。压缩机表面最高温度为74.2 ℃,相比原系统略有提高,对系统影响较小,可以忽略。

另一方面,斯特林制冷机的冷量通过低温热管传导至低温室内,并通过循环风路实现制冷。通过仿真获得低温室内部温度分布云图,保证低温室内各空间平面上的平均温度最大温差不超过1 ℃,且保证低温室内部可达-60 ℃目标。边界条件如下:环境温度为43 ℃,冷藏室和冷冻室温度分别为4 ℃和-18 ℃,斯特林制冷机制冷量为25 W,仿真结果如图9所示。由图9可知,低温间室内部温度均匀性较好,各截面平均温度偏差不超过0.5 ℃;最高温度一般出现在边角区域,但面积较小,对主要空间区域影响可忽略不计;低温室平均温度约为-66 ℃,可以实现-60 ℃的预期目标温度。上述结果表明,本文斯特林制冷冰箱技术所提出的散热导冷结构均可满足系统设计要求。

图9 斯特林制冷冰箱低温室温度场及流场仿真结果

最后,本文开展了斯特林制冷冰箱系统实验性能测试。冰箱在空载条件下的低温室降温实验测试结果如图10所示。在32 ℃环境温度下,冰箱通电运行后,斯特林制冷机按80 W额定功率运行,超低温室内温度从环境温度开始逐渐下降,到达-18 ℃耗时2.6 h,相比冷冻室耗时(3.6 h)缩短28%。

图10 斯特林制冷冰箱低温室降温曲线

斯特林制冷冰箱耗电量实验结果如表2所示。

表2 斯特林制冷冰箱耗电量实验结果

在环境温度为43 ℃、斯特林制冷机功率为95 W条件下,冰箱稳定运行后低温室平均温度可达-64.5 ℃,斯特林制冷机耗电量为2.33 kW·h/d,整机能耗为4.13 kW·h/d。

5 结论

本文研制了一台蒸气压缩和斯特林机联合制冷的多温区冰箱,开展了斯特林制冷机性能测试、散热和导冷结构设计优化及斯特林冰箱的整机性能研究。得到结论如下:

1)随着斯特林制冷机冷端温度的增加,其输出制冷量和COP均不断增加;通过增大输入功率可以有效增加输出制冷量,但COP略有降低。

2)在环境温度43 ℃下,斯特林制冷机在冷端温度为-60 ℃时输出制冷量为28.97 W,COP为0.37。

3)提出了基于热管技术的斯特林制冷冰箱的热端散热和冷端导冷结构,仿真结果表明,制冷机热端翅片温度略高于环境温度2.2 ℃,热端散热效果较好;低温室平均温度在约-66 ℃,且温度均匀性较好,散热导冷结构满足系统设计要求。

4)开展了斯特林制冷冰箱系统实验性能测试,斯特林制冷机在32 ℃环境温度下的空载测试实验表明低温室降温耗时相比冷冻室缩短28%;在环境温度43 ℃下,冰箱稳定运行后低温室平均温度可达-64.5 ℃,斯特林制冷机耗电量为2.33 kW·h/d,整机能耗为4.13 kW·h/d。