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中小型商用制冷设备的技术现状及发展趋势

发表日期:2020/8/17 11:35:18 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

中小型商用制冷设备是指冷链物流终端的小型制冷设备,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。根据产业在线监测数据,2018年我国中小型商用制冷设备的总销量约1 198万台,总销售额约274亿元,同比分别增长14.5%和15.6%。总量并不算大,但是随着新商业模式的出现,发展潜力巨大。中小型商用制冷设备与我国冷链物流同处于初级发展阶段,部分设备能耗大、控制精度有待提高,如陈列柜能耗占超市总能耗约2/3。因此,实现技术升级,特别是提升“节能”和“环保”技术的核心竞争力,是我国中小型商用制冷设备制造产业在全球竞争中占据优势的关键。

相比家用制冷设备较为单一的应用场合,中小型商用制冷设备产品种类多,应用场合多,工况复杂,其技术要求相对也较高,如饮料柜、冰淇淋柜等需要频繁开关门,自动售卖机长期位于室外环境中,酒柜对温湿度、光线、振动等储藏环境条件都有较高要求。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。

1  绝热性能提高技术

1.1  箱体保温技术

中小型商用制冷设备热负荷分为2部分:降温过程的动态热负荷和恒温过程的稳态热负荷,主要为箱体漏热,其与保温材料及加工有关。箱体本身的保温性能提升是减小热负荷的重中之重,也是减小箱体内部温度波动的关键。

通过平壁的传热系数计算公式为

式(1)中:k 为总传热系数(W/(m2·K));α in和α out分别为内、外表面对流换热系数(W/(m2·K));δ 为厚度(m);λ 是材料导热系数(W/(m·K))。

由此可见,增加保温层厚度和寻求导热系数更低的保温材料是提高箱体保温技术的两大途径。保温层越厚,漏热量越少,但是材料成本高,且影响箱体内部有效容积,因此保温层厚度的增加受限制。国内中小型商用制冷设备保温材料主要采用硬质聚氨酯发泡,因其含氟化物,会破坏臭氧层,近年来出现了一些聚氨酯发泡剂的替代产品,如烷烃(环戊烷)、HFC类(R245fa和R365mfc)以及LBA(反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯)等。其中,VIPs(vacuum insulation panels,真空绝热板)由于保温效果好备受关注。

VIPs是真空保温材料中的一种,由填充芯材与真空保护表层复合而成,它可以有效避免空气对流引起的热传递,导热系数为0.002~0.004 W/(m·K),为传统保温材料导热系数的1/10。冷柜采用VIPs隔热,可以节能10%~30%,并且有效容积可以增加20%~30%。虽然VIPs保温效果好,但其成本较高,在应用过程中多与传统的保温材料结合使用(图1)。

图1  聚酯氨发泡层嵌入VIPs

保温层厚度在箱体不同位置的分布很重要。例如可采用拉格朗日多项式建立不同约束条件下的漏热最小目标函数;建立COP与不同位置厚度分布的关系式求解最优箱体厚度,在串并联与并联双系统冰箱中采用最优箱体厚度算法可以分别节能5.7%和6.1%。箱体结构的改进,即减少箱体各部分之间的连接,可减小“冷桥”的发生,也是增强箱体保温的重要手段之一。

此外,对于采用透明玻璃门的箱体,由于玻璃门的传热系数较高,不仅造成箱体热负荷高,而且在玻璃门表面容易出现结露现象,影响展示效果。目前,常采用的玻璃门材料有中空玻璃、双中空玻璃及Low-E中空玻璃,适用于仅有冷藏功能的箱体,对于要实现冷冻功能的箱体,一般采用真空玻璃。

1.2  密封加强技术

门封是一种镶嵌在制冷设备门体与箱体间的重要密封元件,其功能为阻止箱体内外空气的交换。门封部位引起的热负荷占设备总热负荷的15%左右:一是以传导、对流和辐射形式引起的传热热负荷;二是通过磁条安装面和卡槽安装面的间隙进行空气交换引起的传质热负荷。

一直以来,PVC(聚氯乙烯)都是门封条采用的主要材料,经过十几年的技术完善,基于PVC的密封技术更是趋于成熟,被企业广泛应用。但是PVC材料质地硬、含有卤素,限制了其使用范围。针对此问题,除了采用NBR(丁晴橡胶)改性PVC提高材料的低温弹性,触感柔软、不含有卤素且不会随着时间变硬的TPE(热塑性弹性体)成为业界呼声最高的材料。

如图2所示,门封基础结构为平直型。为适应不同箱体与门体的配合间隙,门封的结构不断改变,主要为改变气囊结构、增加辅助气囊和飞边、减小胶条厚度。几十年来,门封从单一的平直结构逐渐衍生到复杂的各向异性结构,其密封效果越来越好,但是对生产模具的要求越来越高。因作用力不同,立式设备与卧式设备的门封结构略有不同。陈列柜、饮料柜、酒柜等立式门体制冷装置的门封由2部分组成:一部分是门封主体,大多为软质聚氯乙烯(SPVC);另一部分是与箱体钢板相互吸引的磁条。卧式冷柜等制冷设备的门封密封作用力由门体本身的重力提供,多为热塑性弹性体材料(TPE)。

图2  门封截面

1.3  敞开式柜体风幕技术

为方便消费者直接接触、购买商品,超市、商店中通常设有储存食品的敞开式陈列柜及饮料柜,采用风幕技术减少敞口处与外界环境之间的热、湿交换。该类冷柜与封闭式冷柜相比,能耗较高,有研究表明柜内50%~70%的冷量通过风幕而损失,即该类冷柜的制冷效果与能耗水平受风幕特性的影响较大。研究人员通常采用CFD与试验研究相结合的方式为风幕的优化设计提供依据,利用CFD模拟计算流场、温度场,数字粒子图像测速仪测试流场,热成像仪测试温度场。

风幕的流动与换热受射流速度、射流温度、射流初始紊流度、风幕宽度等的影响。常见风幕优化措施有:立式敞开式陈列柜采用双层(或三层)风幕设计可提高风幕的隔热效率;采用高效蜂窝式出风口,使风幕气流平稳且均匀,减弱环境空气与柜内冷气之间的换热,同时可减少风机风量;保证最小当量直径;卧式陈列柜易受环境辐射热的影响,使风幕气流略带波动可减少陈列商品表面的辐射热。

2  蒸气压缩制冷系统循环改进

蒸气压缩制冷系统循环改进方式非常多,如多级压缩、回热、过冷、分凝及外加喷射器等,笔者介绍其中3种比较典型的改进方式。

2.1  双压缩机并联制冷系统

中小型商用制冷设备降温过程与恒温过程中的冷负荷需求相差较大,为了满足降温速率,通常会选择较大制冷功率的压缩机及其制冷系统,但是在恒温过程中,实际热负荷远远小于系统制冷能力,出现“大马拉小车”的现象,使得制冷系统长期运行在能效较低的部分负荷状态。双压缩机并联制冷系统可较好解决这个问题:在降温过程满负荷运行,在恒温过程单压缩机运行,起到变制冷能力的作用。如图3所示的风冷式陈列柜双压缩机并联制冷系统,通过合理的控制手段,可实现较明显的节能效果。

图3  风冷式陈列柜双压缩机并联制冷系统

2.2  新型双温制冷系统

双温或者多温制冷需求在中小型商用领域比较常见,如多温冷柜、厨房冰箱等。传统双温制冷系统采用冷藏蒸发器和冷冻蒸发器串联或串并联的方式,柜内温度与冷藏蒸发温度差值大,即冷藏蒸发器的换热温差较大,存在较大的不可逆损失。若能够采用2个独立的蒸发温度,从热力学原理来看,比单蒸发温度制冷循环的能效要高。可采用的技术有并联双循环与非共沸混合制冷剂分凝式双温循环。

2.2.1  并联双循环制冷系统

目前双循环风冷式冰箱的制冷形式,主要包括双回路双循环、串并联双循环和并联双循环。双回路双循环系统采用2台压缩机,能耗大、成本高 。串并联双循环制冷系统的冷藏蒸发器和冷冻蒸发器串联,冷藏蒸发器的换热温差较大,存在较大的不可逆损失,进而增加了冰箱的耗电量。并联双循环制冷系统(图4)较好地解决了双回路循环系统和串并联循环系统存在的问题。一方面,并联双循环制冷系统的冷冻蒸发器和冷藏蒸发器并联,实现了冷藏回路和冷冻回路独立运行,成本低;另一方面,并联双循环制冷系统的冷藏蒸发温度高、换热温差小、不可逆损失小、压缩机压比小,从而有较大的节能潜力。但是,并联双循环制冷系统存在回路频繁切换以及制冷剂动态迁移过程中系统运行能效低的问题。

图4  并联双循环制冷系统

2.2.2  非共沸混合制冷剂分凝式双温制冷系统

非共沸混合制冷剂在冷凝和蒸发过程中存在温度滑移,在传统蒸气压缩制冷系统中可实现Lorenz-Meutzner循环,制冷剂在定压冷凝和蒸发过程中的温度滑移降低了换热温差,减小了不可逆损失,降低了压比,有利于系统性能的提高。为实现高低沸点制冷剂的分离,关键元件为气液分离器,其分离效率直接影响双温制冷效果。图5所示为分凝式双温制冷系统原理图,基于相变过程中非共沸混合制冷剂气液相组分偏移的机制,采用“冷凝器部分冷凝+气液分离器中间分凝”的方法,不同组分分别进入冷藏、冷冻回路,同一蒸发压力下提供双蒸发温度;降低蒸发器两端温差,保证制冷间室温度均匀性,减小冷藏室换热不可逆损失,提高系统性能。

图5  分凝式双温制冷系统(R290/R600a)

2.3  喷射器增效制冷系统

喷射器结构简单,无运动部件,可代替传统节流阀回收膨胀功,改善系统性能,应用潜力巨大。如图6所示,针对传统低温冷柜循环性能较低的缺点,采用分凝思想,降低冷凝压力和提升蒸发压力,结合喷射器回收膨胀功的特性,进一步提高压缩机吸气压力,降低压缩机压比,改善系统性能。

 

图6  喷射器增效制冷系统

3  重要部件性能优化

3.1  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、转子式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。

3.2  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面积、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)如图7和图8所示。


图7  常见蒸发器型式

图8  常见冷凝器型式

3.2.1  翅片管式换热器

翅片管式换热器是应用最为广泛的换热器,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。

3.2.2  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。

4  制冷剂替代

4.1  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%,并且最佳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。

4.2  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,海尔集团曾为可口可乐生产数千台CO2冷柜;大连三洋冷链有限公司于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。

5  相变材料的应用

相变材料(PCM)作为储能技术的核心,主要分为有机PCM,无机PCM和复合PCM,目前有超过88种材料可作为PCM,逐渐在冷冻冷藏行业中推广应用。

PCM在冰箱的应用可以减少间室的温度波动以及改善制冷系统性能。M. Visek等在双蒸发器并联回路采用PCM优化系统能效,结果表明,冷藏室蒸发温度从-22.9 ℃提升到-20.6 ℃,冷藏室能耗降低5.7%,总能耗降低2.3%。PCM多数应用在蒸发器侧,冷凝器相变材料由于其不良的测试结果并未被成功推广,蒸发器和冷凝器同时应用PCM效果更好。

PCM在制冷陈列柜中的应用逐渐被关注。PCM在一定时间内替代制冷系统,将柜内温度保持在设定范围内,减少压缩机的运行时间,减小陈列柜的能耗。

6  智能化管理系统

冷链物流过程环节多、时间长、路程远,随着工业物联网、人工智能、大数据等新兴技术的兴起,“智慧冷链”势在必行。中小型商用制冷设备作为冷链物流的末端环节,其智能化水平直接影响客户体验度。中小型商用制冷设备的智能控制除现场控制器外,通常采用云服务器后台管理数据和发送命令,现场控制器与云服务器间采用无线网络,无线网络的稳定性是保证数据传输及时性的关键。

智能化管理系统在中小型商用制冷设备中有如下应用:

1)就冰箱而言,越来越多地配备了内置摄像模块,通过内置摄像头,可对食材进行识别,记录最佳赏味期限,数据将被人工智能学习,再经由显示屏主动预警提醒,可以帮助用户轻松管理食材。如厨房冰箱可自动生成营养菜谱,打造自己的健康菜品库。

2)智能商用冷柜以终端体验作为产品先导,结合互联网发展,实现商用冷柜的无人化管理和智能化操作,极大方便了终端用户的管理和使用。如把电子芯片安装在商用冷柜上,可以实现与互联网管理数据库的连接,还可以自动进行数据检测分析、数据定时上传与实时查询。

3)智慧零售依靠的是大量智能化技术,可以通过RFID(射频识别)、图像识别等技术实现店铺的自动盘点、智能补货、过期商品回收、智能仓储管理、自动出库、智慧物流、自动分拣、智能供应链管理等,运营商可以实现更加精确的销售及库存管理,具有实时监控功能,运营负责人能够随时通过后台或手机移动端查看运营、运维相关数据。对于消费者,在小区里的蔬菜生鲜售货机就可购买水果蔬菜、冷冻肉类和速冻食品。

4)智能酒柜是一种安装了相应开放式操作系统的普通酒柜,通常配备的智能硬件设备有摄像头、WIFI(无线网)、RFID阅读器、二维码扫描器,可自动进行酒柜模式调换,使葡萄酒始终保持在最佳存储状态,用户通过远程监控可以随时随地了解酒柜中葡萄酒的数量、湿度温度信息,可查看每瓶葡萄酒的详细信息。

7  结论

中小型商用制冷设备作为冷链物流末端,种类较多,应用场合和工况较为复杂。目前在技术层面上,关于中小型商用制冷设备的融合和交叉信息较匮乏,行业的进一步发展需要整合,共享各方面技术。笔者阐述了国内外关于中小型商用制冷设备的技术发展现状,主要结论如下:

1)VIPs导热系数是常规保温材料的1/10,可减少设备的漏热,增加有效容积;TPE材料的使用和结构优化是门封的发展方向。

2)双压缩机并联制冷系统、并联双循环制冷系统、非共沸混合制冷剂分凝式双温制冷系统及喷射器增效制冷系统可提高蒸气压缩制冷系统的运行效率。

3)轻量化、小型化、变频化是压缩机的发展趋势,制冷剂替代给压缩机结构优化设计带来新的挑战;翅片管式换热器是中小型商用制冷设备中应用最广泛的换热器,微通道换热器逐渐在中小型商用制冷设备中推广。

4)自然制冷剂R290和CO2在中小型商用制冷设备中逐渐开始使用,但是R290的可燃性和CO2的高运行压力使它们的应用推广受到限制。

5)PCM材料可限制制冷系统停机时的间室迅速回温,延长压缩机停机时间,降低系统运行能耗。

6)智能化管理系统是中小型商用制冷设备控制方面的发展方向,也是企业抢占的技术战略新高地。








本文选自《制冷与空调》2020年7月刊9-16页


作者:刘国强  晏刚  陆宇  高佳  鱼剑琳  饶学华


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