冰箱故障及维修

冰箱故障及维修 李刚 蔡颖玲 张凤林 王军 车景顺 摘要摘要:冷冻室蒸发器采用多层换热片的复合立体结构,在,型制冷盘管壁外侧固定套装翅片,增加冷冻室顶部和低部两个高温区制冷量。将冷冻室按1摘要:1划分出变温室,通过其中温度传感器控制双稳态电磁阀通断实现制冷剂回路切换,将变温室按冷冻、软冷冻、冷藏使用,也可关闭。通过横、竖盘管混排结构的丝管式冷凝器设计,借助制冷系统压缩机、冷凝器、蒸发器负荷匹配及其和毛细管制冷剂流量匹配,通过防凝露管走向及位置设计、蒸发器管道位置及走向布置和回气换热器设计,研制的,,,-186,,,直冷电冰箱最大负荷日耗电0.39度,在变温室为节能状态时耗电在0.35度以下,最低达0.31度。 摘要:热工学 优化设计 理论 直冷电冰箱 制冷系统 1 前言 电冰箱发展速度很快,我国电冰箱的产量由1991年的470万台增加到2001年的1349万台,平均年增长11.1%[1。而电冰箱的耗电量占家用电器总耗电量的32%[2,所以,节能降耗和环保是电冰箱研发工作的重要课题,而蒸发器和冷凝器的传热能力、软冷冻及变温技术优化设计则是关键因素。 2 蒸发器的优化设计 研制采取了以下办法。第一,减小冷藏、冷冻两蒸发器的面积比差值,在总面积一定情况下,尽量加大冷藏室蒸发器的面积,采用大内径蒸发管、增加蒸发管长度及双管并行排列结构等,保证在低温或高温环境下有最佳的开停比,从而保证在一定环境温度下耗电最少。第二,设计高效蒸发器。冷冻室蒸发器是由从上到下依次排列多个换热层片和连接所有换热层片的连接管组成的复合立体式结构[3,换热层片由多个并列,型制冷盘管构成,且在其盘管壁外侧固定套装翅片,大大增加了制冷盘管和空气间接触面积,如图1示。该蒸发器在不改变电冰箱结构情况下,大幅度增加冷冻室蒸发面积,增加冷冻室顶部和低部两个高温区制冷量,使其快速达到规定要求,缩短压缩机工作时间,大幅降低能耗。冷藏室采用导热粘接胶膜将压扁铜管紧紧粘在传热铝板上,并通过高粘合双面胶粘贴在冷藏室内胆上,增强传热效果。第三,合理布置蒸发器位置和制冷剂走向。据箱内自然对流情况,制冷剂流向采用逆流式换热,毛细管和回气管采用较长的并行锡焊或热塑等,以提高换热效果。第四,通过理论计算和试验相结合,合理匹配蒸发器和冷凝器的传热面积,努力减小冰箱工作系数,避免过低蒸发压力和过高冷凝压力,达节能目的。 3 冷凝器优化设计 在优化冷凝器设计中除合理增大冷凝面积外,还应充分考虑以下几点摘要: 3.1 设计横、竖盘管混排结构冷凝器摘要:在冷凝器内为制冷剂气液两相状态,分析冷凝器中制冷剂流态变化和内、外部换热条件,横排管冷凝器的换热系数比竖排管冷凝器增加3倍以上,为加强流体扰动,破坏流动边界层,采用横、竖盘管相结合走向的冷凝器将会提高冷凝器换热效果,同时也可降低制冷剂流动噪声。 3.2 丝管式冷凝器代替百叶窗式冷凝器摘要:在其它条件不变情况下,丝管式冷凝器传热性能好,对应的制冷循环效率提高,能耗减小。 3.3 改内藏式冷凝器为外挂式摘要:外挂式冷凝器散热条件比内 藏式冷凝器好得多,对降低冷凝温度和过冷温度十分有利,可有效节能降耗。 3.4 防凝露管节能设计摘要:从压缩机排气管至干燥过滤器出口整个高压区域皆为冷凝器负荷对应区域,包括制冷剂蒸汽的冷却、冷凝及再冷(过冷)三个过程,对应设备包括付冷凝器、主冷凝器及门边防露管。由于排气温度的不同,采用不同制冷剂时管路布置也不相同。项目研制中采用制冷剂,600,,由于采用,600,使压缩机排气温度降低,约55?左右,故将压缩机排出的高压气体先进门边防露管,再进主、副冷凝器,这样即使条件变化,门边防露管末端对应温度也高于最高环境温度,既可保证加热门框、提高防露效果,同时,在管路布置时尽量使防露管远离箱体内腔,又可减小热量向箱内传递,实现节能之目的,系统图如图2示。 4 软冷冻及变温技术设计 过高的环境温度或过低的箱内温度对电冰箱的能耗均有直接影响。环境温度过高,冷凝器散热受到影响,而冰箱内温度过低,一方面增加传热温差,另一方面需较低的蒸发温度从而降低制冷系统循环效率,甚至延长压缩机开机时间,造成能耗上升。过低的、不必要的冷冻室温度设计会加剧冰箱能耗上升。为满足消费者需要,又使冰箱降耗节能,软冷冻及变温设计就显得十分重要。 目前,传统冰箱的两个温区,,室5?,,室为-18?,而且,室相对较大。将,室划分两区域,其一温度仍保持-18?,其二温度为-10?。,室内冻结物很难在短时间内用刀进行切削处理,在食用前必须解冻,此举一耗费时间,二造成营养成分流失。将,室分离出一个-10?温区, 既可使鱼、肉等食品在-7,-10?低温下冻结,又能达到短时间内用刀进行切削处理的目的,同时,据使用冰箱需要,也可将此温区温度设定为,室温度5?或,室温度-18?,甚至关闭。此即所谓软冷冻及变温技术。 图2为软冷冻及变温技术设计制冷系统示意图[4。从图中可以看出制冷剂经压缩机压缩,在冷凝器中冷凝后流经干燥过滤器和毛细管,系统分为两个支路。支路一摘要:制冷剂经变温室蒸发器、冷冻室蒸发器、冷藏室蒸发器、贮液器和回气换热器后回到压缩机形成循环回路。支路二摘要:制冷剂经双稳态电磁阀1、冷冻室蒸发器、冷藏室蒸发器、贮液器和回气换热器后回到压缩机形成循环回路。 在结构设计中,电冰箱由上而下分为冷冻室、变温室和冷藏室(变温室由冷冻室按1摘要:1分割形成),各间室都有相对独立的蒸发器。变温室蒸发器设计时较大,满足变温室作为三星冷冻室的匹配。而该间室作为其他功能间室(如冷藏、软冷冻等)使用时,可以通过设在变温室的温度传感器将温度信号送至电冰箱的控制装置中,控制装置据温度设定值对双稳态电磁阀的通路进行切换实现。当电冰箱启动运行时,电磁阀1、2处于通电状态,系统按照支路二形成的循环回路运行,同时变温室的温度传感器检测变温室的温度。变温室温度若在变温室的设定温度范围内,系统按照支路二形成的循环回路继续运行。若检测到温度高于变温室设定值上限,电冰箱的控制装置使双稳态电磁阀1处于断电状态,而双稳态电磁阀2仍通电,系统按照支路一形成的循环回路运行, 直到温度传感器感应到温度低于变温室的温度设定值下限时,双稳态电磁阀1执行通电操作,而双稳态电磁阀2断电,系统又按支路二循环回路运行。此时冷冻室和冷藏室温度继续下降,直到冷藏室温度达到标准后,压缩机停机,系统如此往复循环。这种设计,控制压缩机启停的是冷藏室温度,而变温室温度的设定及变化仅控制双稳态电磁阀的通断,以切换制冷剂流向,并不直接控制压缩机的运行,故可较好解决双路循环系统存在的频繁开、停机现象,既使压缩机及其附件寿命延长,又减少启动功率,耗电量也随之降低。 需要指出,变温室蒸发器按三星级冷冻室要求(-18?)和冷冻、冷藏室蒸发器匹配,制冷剂充注量也按变温室为冷冻室制冷能力充注,这样一来,通过温度设定控制双稳态电磁阀以切换制冷剂流向,可将变温室按冷冻室或软冷冻(-7,-10?)或冷藏室使用,也可关闭,和同样大小固定冷冻室容积的电冰箱相比,此变温技术既满足消费者对冰箱温区的多方需求,又节能降耗。1为能耗实测数据,可以看出,单独调高变温室温度(将变温室作为软冷冻室或冷藏室)可以节能,单独关闭变温室更加节能。 5 制冷系统优化匹配及管路走向节能设计 5.1 制冷系统优化匹配 项目综合考虑箱体热负荷、系统制冷量、压缩机效率、电冰箱工作周期等相关参数,使之达最佳匹配状态。 5.1.1 设计中的气候类型应和使用地区的气候匹配,否则耗电增加,甚至出现不停机现象,同时,根据产品的气候类型(项目研制中设计 为亚热带型)确定冷冻室、冷藏室的热负荷匹配关系。在产品设计和样机试验中,反复调节系统回路各有关参数,使冷冻、冷藏室之间以及蒸发器和冷凝器之间,压缩机排气量和蒸发器蒸发能力之间以及毛细管节流和蒸发温度之间达到最佳的节能匹配关系。表2是调整过程必须控制的系统关键状态点和相应的调整办法[5。 5.1.2 在设计冰箱系统时,工作时间系数的选配非常重要。压缩 机工作时间太短,启动频繁,则因启动功率大,会带来能耗的升高;假如工作时间太长,压缩机总是工作在较低蒸发温度状态,则压缩机工作效率太低,能耗也将上升。在选配压缩机时,应满足冰箱最大热负荷要求,在满足负荷要求下尽可能选用较小型号的压缩机。项目研制中选用高效压缩机,功率90,,经测定,冰箱工作时间系数适当,能耗较少,见表1。 5.1.3 制冷系统的优化匹配也包括制冷系统中制冷剂量的匹配,制冷剂量偏多或偏少都会影响制冷系统制冷效果,造成耗电增加。因此,系统的性能在其结构决定后,还必须对它的制冷剂量进行匹配试验。项目研制中采取和普通电冰箱不同的充注量试验,同时使用高精度充注系统确保最佳充注量,使系统在高效下进行工作,达到节能降耗目的。 5.1.4 改进节流系统,正确选择毛细管长度和管径以确定最佳毛细管流量是重要新问题,和蒸发器的优化匹配、和冷凝器的优化匹配是紧密相关的。若毛细管长度较长或管径较小,节流时产生较大的压差,制冷剂流量小,蒸发温度低,压缩机排气量小,使制冷系统制冷能力减小。在设计中最初的理论计算往往只具指导意义,必须经多次试验调试才能确定。项目在调试过程中,将制冷系统各主要部件的主要状态参数点处分布感温电偶,在压缩机高、低压端安装压力表,通过各种工况的试验曲线及试验数据,借助压焓图,寻找优化制冷循环工况,确定最佳的流量和充注量。 5.2 制冷系统管路走向节能设计 5.2.1 防凝露管节能设计,文中3.4已介绍。 5.2.2 回气换热器节能设计。采用环保型制冷剂如,600,、,134,等和,12一样,在系统中设置回气换热器,采用回热循环是提高制冷系数和单位容积制冷量的有效办法。 从以下三个方面对换热效率进行了强化摘要:(1)毛细管和回气管中的制冷剂采用逆流换热;(2)毛细管和回气管采用并行锡焊(或热塑工艺)的方式;(3)尽可能增加毛细管和回气管的锡焊长度使之最终换热效率达到98%,这样可明显提高系统制冷量。 5.2.3 两大换热设备(蒸发器和冷凝器)中制冷剂管道的合理布置。两大换热设备换热能力的提高对提高系统制冷量,降低能耗十分重要,而换热能力的提高和其中制冷剂管道的合理布置紧密相关。项目研制中,冷藏室蒸发器双排并行盘管紧贴于内胆之上,冷冻室蒸发器采用分层立体结构。冷凝器设计为横、竖盘管混排结构,并采用外挂式。通过这些办法,大大增强了蒸发器和冷凝器的换热能力,经实测,电冰箱最大负荷时日耗电仅0.39度,而在节能状态下耗电在0.35度以下。 5.2.4 在制冷系统管路走向节能设计中注重降低冰箱噪声,保证冰箱在节能的同时将噪声控制在合理范围内。 6 结语 通过改进换热器结构,采用多层排列的复合立体式蒸发器设计,改单一的竖排管排列为横、竖混合排列的丝管式外挂冷凝器,借助于电冰箱压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管的优化匹配,并且借助于制冷剂管路走向节能设计等办法,通过变温控制技术的优化设计,研制的,,,-186,,,直冷电冰箱最大负荷时日耗电0.39度,而在节能状态下耗电在0.35度以下,最低达0.31度。和同样大小固定冷冻室容积的直冷电冰箱相比,项目研制的电冰箱,既满足消费者对温区的多方需求,又显著节能降耗。 电冰箱制冷系统堵塞故障分析及维修 电冰箱制冷系统堵塞故障排除 电冰箱制冷系统堵塞故障一般分为冰堵、脏堵两种情况。 若制冷剂含有一定水分，水分在系统内随制冷剂循环，当循环到毛细管出口处时，由于压力减小，制冷剂很快蒸发温度降低，但水分就会结成冰。冰堵常发生在毛细管与蒸发器连接处。发生冰堵后，制冷剂不能循环，箱内温度升高，蒸发器上的霜就会融化。箱内温度升至一定程度时，冰堵处小冰块会融化，管道恢复畅通，制冷剂又能正常循环制冷，所以蒸发器又开始结霜，待温度降到一定程度时，制冷剂中的水分又在毛细管出口处结冰，发生冰堵。这种周期性的结霜、化霜现象就是冰堵故障。 冰堵排除方法:发生轻微冰堵时，可用热毛巾热敷毛细管出口处或用酒精棉花球点燃烘烤，能消除冰堵，制冷剂开始流动， 且有"嘶嘶"流动声。如果冰堵经常发生，应拆开制冷系统，将零部件进行干燥抽空，重新充灌制冷剂。注意不宜向制冷系统加灌甲醇，解决冰堵的根本措施还是彻底抽空干燥和灌注合格制冷剂。 当制冷系统清洗不彻底或冰箱使用一段时间，压缩机发生磨损，制冷系统内有污物时，这些污物极易在毛细管或过滤器内发生堵塞，称为脏堵。脏堵发生后，制冷剂无法流动，现象与冰堵差不多。若用加热融冰的办法处理无效，听不到液体流动声即说明是脏堵。 脏堵与制冷剂泄漏呈现的故障很类似(蒸发器化霜)，两者的区别方法是，将电源插头拔下，将压缩机的灌气管顶端用钳子剪断一点，仔细观察，若有制冷剂流出为脏堵，相反即为制冷剂发生泄漏。 脏堵排除方法:用气焊拆下毛细管、过滤器、冷凝器、蒸发器，更换毛细管和过滤器中的分子筛，清洗冷凝器和蒸发器，进行干燥、抽真空，再焊好，充上制冷剂。 超市内由于冷冻冷藏陈列柜的使用而形成了“冷过道效应”，并且 冷柜冷量的溢出也造成了能源的浪费。从人体的舒适性及节能角度出 发，空调系统的设计应充分考虑到这两方面因素的存在，以设计出合理的空调方式在达到节能的目的的同时，消除“冷过道效应”，满足人体舒适性要求。 从冷柜中溢出的冷量，在夏季可以作为有效冷量用来制冷，那么，就必然会寻求到一种合理的空调方式，在充分利用这部分冷量的同时，降低“冷过道效应”。Ralph S.Pizer et al. [5] 提出，可以通过设置合理的回风方式，来达到此目的。他们认为，在进行空调系统设计时，要考虑到陈列柜的制冷系统对空调空间温湿度产生的影响，使外溢的冷空气与空调空间的其他空气充分混合。为了达到混合的目的，空调系统的回风口应设在地板附近，以使冷空气最大限度地被抽走，从而降低“冷过道效应”，提高室内温度分布的均匀性和人体的热舒适感，同时可以充分利用溢出的冷量。因此，可以考虑将回风口设在冷柜底部，而将送风口设置在冷过道顶部。传统的回风方式一般是将回风口设在地板以上3m以上的高度，或者是设在1.2m高度以下。而冷柜底部回风是将冷柜放置区域的回风口设在冷柜底部，再由风管送至空调机组进行空气处理。 本文对采用冷柜底部回风的空调系统设计时的参数确定及其负荷计算作了介绍，同时简要分析了其经济性和适用性。从空调系统空气处理过程的焓湿图上可以看出，冷柜底部回风的温度比传统的回风系统的回风温度低，并且相对湿度也较小，这主要是由冷柜制冷系统与 其周围空气进行热湿交换造成的。两部分回风混合后，再与室外新风混合，进入空调系统的制冷设备进行空气处理。当相对湿度降低时，陈列柜能耗会有所降低，但是空调负荷会相应增加。那么，一定存在一个最佳的相对湿度值，使冷柜和空调系统的总能耗最小(当然还要考虑到人体的热舒适性)。在国内这个最佳湿度还需要进一步的研究证明。夏季考虑到冷柜冷量溢出后，由于空调空间对冷量的需求减少，若采用与传统回风方式一样的送风温度、机器露点以及相同的新风比，则空调空间所需的送风量会相应减少，即制冷系统所需承担的制冷负荷也相应减少。而对于冬季来说，由于空调系统必须使用额外的热量来补偿冷柜的冷量的溢出，所以，冬季空调系统的热负荷会有所增加。并且，由于送风量的减少，需要提高送风温度。 所以，考虑到冷柜冷量溢出后，采用冷柜底部回风，冷过道顶部送风的空调系统不仅可以降低空调系统的能耗，节约能源，降低系统的初投资及运行费用，而且可以极大程度上降低“冷过道效应”，提高人体的舒适性，从而给超市带来更好的经济利益。 欧洲及美国、日本和许多其他国家都制定了法规来降低家用电器尤其是家用制冷装置的能耗。由于这些法规的制定，设备和部件的设计者不得不改进设计来提高它们产品的能效比。对于制冷装置能效比提高的可行进行的技术评测表明，全封闭压缩机引入的许多技术革新 已经将其能效比提高了约60,;通过增加保温层厚度来减少漏热，保温层的厚度已经增加了20,30,;在无霜制冷装置和冰箱中由电机驱动的风扇的效率也由于技术进步有了提高，电子控制的引入可以更好地控制设备的温度并减小了家用压缩机开/停的高效和低效的差别;换热器的优化提高了蒸发温度并降低了冷凝温度。许多制造商都采用了这些措施使得它们的产品达到了欧洲A级标准，但是新的能耗限制标准的引进对能耗提出了更高的要求，因此生产厂家需要用更先进的方法使制冷装置达到更好的运行性能。 1.制冷系统模型研究 随着计算机技术的发展，制冷系统的计算模拟已经成为冰箱节能研究的重要手段之一，因此不断地研究制冷系统计算模型并提高其预测的准确性已经成为一项重要课题。在冰箱制冷系统计算模拟中，有限元法、有限差分法、有限容积法以及计算流体动力学等方法得到了广泛地应用，然而这些模型均比较复杂，也运用不够灵活，同时需要比较长的求解时间。为了得到一个简单且方便实用的集中参数模型，Giovanni Cerri等人[1]对一台冰箱样机(RE125 Aut.)在无负载条件下进行了动态性能实验研究，将冰箱一个运行周期分成若干时间段，研究了每个特征时间段冰箱运行的特点以及与总体能耗的关系，提出了研究冰箱动态运行性能的模型。该模型的计算结果与实验结果吻合良好，说明该模型可以很好地体现冰箱的实际运行性能，是研究 冰箱在一段时间内温度和能耗随时间变化的有力工具，并将为冰箱性能的改进提供依据。 2. 影响冰箱能耗的因素 从工作环境进入冰箱内的水蒸气是冰箱的主要负荷之一。在冰箱门处于关闭状态时，水蒸气通过门封和壁面渗透进入冰箱内。当冰箱门打开时，大量流入的空气携带的水蒸气造成了冰箱内水的凝结。Cemil Inan等人[2]分析了冰箱门处于开启和关闭两种状态下，冰箱内部与环境之间的湿交换。在冰箱门处于关闭状态时，提出了两个理想模型和一个经验模型。第一个理想模型就是简单的水蒸气扩散模型来描述水蒸气通过门封的传递。另一个理想模型将冰箱视为定压而不是定容系统，在冰箱制冷系统的一个开停循环中，间室内温度的变化引起压力的变化，使得冰箱内部压力与环境压力存在压差变化，造成水蒸气的渗入，该模型被形象地称为间室呼吸模型。经验模型是基于一系列实验数据提出的。当冰箱门处于开启状态时，由于冰箱内冷空气与环境空气的密度差造成内外空气自然对流。实验研究表明此时的内外空气交换可以分为两个基本阶段，初始阶段和稳定阶段。初始阶段时间在10秒以内，10秒后空气交换进入稳定阶段。由于不知道箱内空气和环境空气的混合情况，因此很难给出精确描述初始阶段的模型，而给出了一个简化的空气流量模型。在稳定阶段，流入冰箱内的空气气流的面积大于流出箱内气流面积，而其速度相对较小。文献中给出了 质量传递系数的一个估算公式。冰箱间室内外水蒸气的传递影响了冰箱蒸发器的结霜和除霜过程，也从而影响了系统能耗。为了更准确得出冰箱内外水蒸气的传递规律，需要进行进一步的研究工作。例如，进行热质传递模型的验证来确定基于自然对流的质量传递模型是否可行，研究当食品暂时从间室内取出时对于冰箱湿负荷的影响，进一步研究冰箱内外水蒸气传递的现象和机理等。 为了更详细了解冰箱内自然对流换热和空气流动情况，Sami Ben Amara等人[3]对一台直冷冰箱样机在环境温度20??0.2?条件下空箱状态安装食品层架和不安装食品层架的运行性能进行了实验研究，测量了箱内空气温度分布。同时采用CFD软件对箱内空气流动和换热情况进行了数值模拟。数值模拟的结果表明，箱内温度从底部到顶部逐渐升高。在没有层架时，同一高度上温度分布大致是均匀的，热边界层的厚度在蒸发器的顶部较小并且逐渐增大一直到蒸发器的底部，平均厚度约1.5cm。在安装了透明层架时，温度层分布与没有层架类似，且温度边界层基本相同，但是在两个层架之间温度分布相对均匀。尽管在两种情况下冰箱上半部的温度接近，但是下半部的温度比没有层架时低。层架的存在将平均温度提高了约0.5?。速度场的计算结果表明，在没有层架时，冷空气以加速度沿着蒸发器壁面向下流动，直到蒸发器底部速度矢量达到最大，然后空气沿着门的壁面以减速向上流动，而由通过门的传热使空气温度上升。冰箱顶部空气几乎不流动，这也是造成顶部温度高的原因。当安装了层架时，空气 在沿着蒸发器壁面和门流动的同时在层架之间有回流产生。回流在地层最明显而其他各层更加混乱。最大流速低于没有层架时的最大流速。与实验结果相比，在没有安装层架时，计算结果中温度普遍高于实验测量温度，尤其在顶部更加明显。这可能是由于在计算模型中没有考虑壁面辐射造成的。因此在进一步的研究中需要考虑箱体各壁面之间的辐射换热对于箱内温度分布的影响。而在安装了层架的情况下，温度预测与实验测量更加接近，这可能是由于层架起到了阻隔辐射作用的结果。这些研究结果对于设计者和用户都有很好的指导作用。 冰箱使用环境如房间的温度和湿度，也是影响冰箱能耗的重要因素。Yamina Saheb等人[4]在假定制冷剂流动为一维牛顿稳态流动，制冷剂在任何横截面上均匀分布，两相流处于动态平衡状态，液体和蒸汽均匀混合且速度相同等条件下，分析并得出了毛细管、换热器和压缩机的模型，构造了制冷系统和工作环境的耦合模型，并预测了厨房温度对于冰箱能耗的影响。同时对处于不同环境下的两台冰箱样机进行了实验研究，得出了环境条件变化对于冰箱能耗影响的实验数据。 研究结果表明，所构建的厨房环境和家用冰箱的耦合模型可以用来预测厨房温度对冰箱能耗和家庭总能耗的影响。同时用稳态模型预测了制冷系统各个部件中的制冷剂参数如压力、温度和速度等，预测结 果与以前文献中给定的一致。实验结果表明随着室内温度的不同，冰箱的能耗也将发生变化。 节能、环保和方便使用将是冰箱发展的主要方向，而其中节能将是冰箱产品竞争力中的最主要因素。我国冰箱行业起步较晚，虽然发展很快，但是与世界先进水平仍然存在一定的差距。不断获取和应用国内外先进的技术和经验，提高产品的质量，是当前国内冰箱企业面临的重要任务，也只有这样才能在国际市场竞争中取得一定的位置。