冰箱冷凝器的節(jié)能效應(yīng)及熱力分析

張 馳，莊友明

( 集美大學(xué)，福建 廈門 361021 )

前言

目前國(guó)內(nèi)外家用冰箱絕大多數(shù)采用自然對(duì)流形式的冷凝器，冷凝盤(pán)管緊貼保溫壁面，增加了箱體外壁的溫度，傳熱效果差，且部分冷凝熱會(huì)傳入箱內(nèi)，增加了隔熱墻體的耗冷量。本文設(shè)想采用風(fēng)冷式冷凝器代替自然對(duì)流式冷凝盤(pán)管，把風(fēng)冷式冷凝器安置于箱體之外的冰箱頂上，這種安排可使冷凝器的換熱方式由原來(lái)箱壁式的自然對(duì)流換熱改變?yōu)閺?qiáng)制對(duì)流換熱，從而明顯提高冷凝器的換熱效率，降低冷凝面積或冷凝溫度，也可以降低冰箱箱體外壁溫度，減少箱體傳入熱，從而整體提高家用冰箱的能耗比。據(jù)天拓咨詢統(tǒng)計(jì)，2013年我國(guó)冰箱產(chǎn)量為7664.3萬(wàn)臺(tái)。目前我國(guó)冰箱的保有量約3億臺(tái)，冰箱耗電已占居民總耗電50%以上，全國(guó)冰箱每年電耗達(dá)千億千瓦·時(shí)，隨著城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，家用冰箱市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，所以家用電冰箱的?jié)能研究對(duì)節(jié)能減排有重要促進(jìn)作用。

本文從實(shí)際使用的普通家用冰箱著手，通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)定工況下冰箱的熱負(fù)荷以及制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算，從而計(jì)算箱壁式冷凝器和翅片管風(fēng)冷式冷凝器的相關(guān)參數(shù)，比較它們?cè)谙嗤r下的有效換熱面積差別及能效比。然后再規(guī)定換熱面積相同的前提下得出翅片管風(fēng)冷式冷凝器換熱的冷凝溫度，由于翅片管風(fēng)冷式冷凝器換熱系數(shù)會(huì)大于自然對(duì)流的箱壁式冷凝器，故冷凝溫度會(huì)有所下降，從而計(jì)算出此時(shí)的能效比，與之前工況下能效比進(jìn)行比較。

1 電冰箱的工作條件

1.1 壓縮機(jī)測(cè)試工況

以某壓縮機(jī)公司生產(chǎn)的型號(hào)：HYE55Y63為例，其蒸發(fā)溫度范圍為低背壓型的(-35℃～-15℃)，壓縮機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)

其測(cè)試工況執(zhí)行表2的ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)[1]。

表2 壓縮機(jī)測(cè)試工況(R134a)

1.2 運(yùn)用壓焓圖求各熱力參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)壓縮機(jī)工況和選用的制冷劑，繪制相應(yīng)的壓-焓圖(圖1)。

圖1 電冰箱制冷系統(tǒng)壓焓圖

圖中：t1′為進(jìn)壓縮機(jī)前過(guò)熱蒸汽溫度；t1″為進(jìn)氣缸前過(guò)熱蒸汽溫度；t3為過(guò)冷溫度；t3′為毛細(xì)管節(jié)流前冷劑溫度；圖1中狀態(tài)點(diǎn)2s，2s′表示定熵壓縮過(guò)程后的狀態(tài)點(diǎn)。

2 箱壁式冷凝器的傳熱計(jì)算

箱壁式冷凝器結(jié)構(gòu)情況：散熱片為0.5～0.6mm的鍍鋅板，盤(pán)管為Φ5×1mm的銅管，將散熱片沖出通風(fēng)孔和凹槽，盤(pán)管積壓在凹槽中。按測(cè)試工況計(jì)算該型號(hào)壓縮機(jī)對(duì)應(yīng)的冷凝器總熱負(fù)荷為266.30W。在家用冰箱中無(wú)論是否設(shè)置預(yù)冷盤(pán)管，進(jìn)入冷凝器管內(nèi)的制冷劑蒸汽均為過(guò)熱蒸氣[2]?？紤]壓縮機(jī)內(nèi)部冷卻腔結(jié)構(gòu)，依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出壓縮機(jī)機(jī)殼出口制冷劑蒸汽溫度一般為80°C左右[3]。

箱壁式冷凝器過(guò)熱段：空氣側(cè)自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)aof′的計(jì)算可采用米海耶夫經(jīng)驗(yàn)公式[4]：

aof′=B(tw-ta)1/3

(1)

式中：

B—空氣的物性集合系數(shù)[4]；

tw—管壁面平均溫度，℃；

ta—空氣溫度，℃。

計(jì)算得出：aof′=4.79 W/(m2·K)

箱壁式冷凝器飽和段：飽和段傳熱溫差[5]

θm=0.88(tk-ta)

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)得出箱壁式冷凝器飽和段空氣側(cè)自然對(duì)流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

aof″=4.23 W/(m2·K)

箱壁式冷凝器傳熱計(jì)算中，輻射傳熱系數(shù)可由以下公式[4]計(jì)算：

式中：

ε—黑度，箱壁式冷凝器取0.85[4]；

Tw—冷凝器外壁面平均熱力學(xué)溫度，K；

Ta—空氣的熱力學(xué)溫度，K；

θ—傳熱溫差，℃。

則輻射傳熱系數(shù)：

過(guò)熱段：aor′=6.22 W/(m2·K)

飽和段：aor″=6.09 W/(m2·K)

由于管內(nèi)流體對(duì)流換熱強(qiáng)度遠(yuǎn)大于空氣側(cè)對(duì)流換熱強(qiáng)度且管壁熱阻也遠(yuǎn)小于空氣側(cè)熱阻[6]，忽略管壁熱阻和管內(nèi)流體傳熱熱阻，所以箱壁式冷凝器總傳熱系數(shù)只考慮管外空氣側(cè)傳熱，可由式(1)和式(3)算出。

過(guò)熱段傳熱系數(shù)：

K1=11.01 W/(m2·K)；

飽和段傳熱系數(shù)：

K2=10.32 W/(m2·K)；

由傳熱學(xué)基本公式：

計(jì)算得實(shí)際總傳熱面積為A=0.947 m2。

在上述測(cè)試工況下，經(jīng)計(jì)算箱壁式冷凝器冰箱的壓縮機(jī)功率P為138 W，COP為1.09。

3 風(fēng)冷式冷凝器熱力計(jì)算

在強(qiáng)制通風(fēng)空氣冷卻式冷凝器中，空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)αof與管排(順排、叉排)，翅片型式(平片、波紋片、條形片或開(kāi)縫片等)有關(guān)，也與冷凝器是采用整張?zhí)灼芄艽剡€是采用單套片管管簇有關(guān)。因此，應(yīng)根據(jù)不同情況采用相應(yīng)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式。

本文選擇Ф10×0.5mm的紫銅管為傳熱管，選用的翅片是厚度δf=0.15mm的波紋型整張鋁制套片。取翅片節(jié)距Sf=2mm，迎風(fēng)面上管中心距S1=25mm，管簇排列采用正三角形叉排，翅片類型選擇波紋型。翅片管結(jié)構(gòu)及微元截面示意圖，如圖2，圖3。

圖2 等邊三角形叉排翅片管簇結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 翅片管簇微元截面示意圖

根據(jù)強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器結(jié)構(gòu)及熱力工況，計(jì)算波紋型整套片叉排管簇空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)，可由下式[3]計(jì)算：

式中，b為翅片寬度；de為當(dāng)量直徑；Ref為雷諾數(shù)；λa為空氣的熱導(dǎo)率。

在空氣溫度和流速已知的情況下，修正系數(shù)ψ、n、c和m可查表獲取[6]，從而可得空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

αof=62.06 W/(m2·K)

R134a在管內(nèi)凝結(jié)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可用下述公式[3]計(jì)算：

式中，twi為管內(nèi)壁溫度，B為R134a在tk=54.4°C時(shí)的物性集合參數(shù)，可查表[6]獲取,由式(6)計(jì)算可得：

aki=1441W/(m2·k)

以外表面為基準(zhǔn)的冷凝器總傳熱系數(shù)為：

參照文獻(xiàn)[3]，取管壁與翅片間接觸熱阻γb=0.004m2·k/W，空氣側(cè)塵埃垢層熱阻γ0=0.0001m2·k/W，紫銅管熱導(dǎo)率λ=393W/(m·k)，則由式(7)算得：

K0=29.20 W/(m2·K)

冷凝器外側(cè)傳熱面積可由公式(4)計(jì)算得來(lái)，此時(shí)式中傳熱兩側(cè)介質(zhì)的對(duì)數(shù)平均溫差θ由冷凝器進(jìn)出口空氣溫度和進(jìn)出口制冷劑溫度決定，經(jīng)濟(jì)溫差范圍一般控制在10～20℃之間[5]，本文參照文獻(xiàn)[5]取θ=18℃，得冷凝器所需面積0.511 m2。

在強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器冰箱設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，冰箱的整體耗能還要考慮風(fēng)機(jī)選型后增加的電功率。風(fēng)機(jī)采用電動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)，其功率計(jì)算式[3]如下：

Pfan=qv(Δp′+Δp″)/ηfanηm

(8)

式中，ηm為傳動(dòng)效率[2]；ηfan為風(fēng)機(jī)的全壓效率[2]；qv為空氣體積流量，由傳熱對(duì)數(shù)平均經(jīng)濟(jì)溫差和冷凝器負(fù)荷決定；Δp′為風(fēng)機(jī)迎風(fēng)面動(dòng)壓，由空氣密度和迎面風(fēng)速計(jì)算取得；Δp″為風(fēng)機(jī)迎風(fēng)面靜壓，由翅片寬度，最窄截面當(dāng)量直徑，以及最窄界面風(fēng)速計(jì)算取得。

由式(8)計(jì)算得到的風(fēng)扇電機(jī)功率：

Pfan=2.45 W

經(jīng)上述計(jì)算，在測(cè)試工況下，強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器冰箱壓縮機(jī)耗電量138 W，冰箱系統(tǒng)總能耗140.45W，COP為1.07。

4 節(jié)能優(yōu)化分析

4.1 能耗分析

冰箱冷凝器的主要熱阻在空氣側(cè)，由于空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)不同，當(dāng)傳熱面積相同的情況下，翅片風(fēng)冷式冷凝器的冷凝溫度會(huì)比箱壁式冷凝器低。在本例的計(jì)算中，當(dāng)蒸發(fā)溫度均為-23℃和環(huán)境溫度均為32℃，壓縮機(jī)的輸氣容積不變，假設(shè)壓縮機(jī)的產(chǎn)冷量均為150W，冷凝器傳熱面積相同(A=0.947m2)，測(cè)試工況下箱壁式自然對(duì)流冷凝器的冷凝溫度為54℃，而由第三章的計(jì)算公式可算得風(fēng)冷式冷凝器對(duì)應(yīng)的冷凝溫度為44.25℃，兩者各自對(duì)應(yīng)的制冷循環(huán)工況如表3所示。

表3 新舊制冷循環(huán)工況

基于該兩種循環(huán)工況的運(yùn)行能耗計(jì)算得到的各運(yùn)行參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)冷式冷凝器對(duì)應(yīng)制冷循環(huán)工況各運(yùn)行參數(shù)值

4.2 耗材量及傳熱面積對(duì)比

冰箱冷凝器的主要熱阻在空氣側(cè)，同理，由于空氣側(cè)對(duì)流放熱系數(shù)不同，當(dāng)風(fēng)冷式冷凝器的冷凝溫度和箱壁式冷凝器冷凝溫度相同時(shí)，風(fēng)冷式冷凝器由于熱阻小所需的傳熱面積也小，按第二章和第三章公式分別得出兩種冷凝器的傳熱面積和相應(yīng)的耗材量如表5。

表5 傳熱面積及耗材量分析

5 箱體傳入熱對(duì)比

在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入熱Qa時(shí)，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導(dǎo)率λ值很大，所以熱阻很小，可忽略不計(jì)。內(nèi)殼為ABS塑料板真空成形，最薄處只有1mm。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計(jì)入隔熱層，隔熱層主體由聚氨酯構(gòu)成，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過(guò)程[3]。即：

Qa=KA(ta-t2)

(9)

式中：

A—箱體外表面積，m2；

ta—箱外空氣溫度，℃；

t2—箱內(nèi)空氣溫度，℃。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，采用箱壁式冷凝器的電冰箱，箱體壁面的表面溫度近似取冷凝溫度tk。

冰箱箱內(nèi)空氣溫度t2比冷凝溫度t0高約10℃[3]。

對(duì)于本文兩種冷凝器形式的冰箱，箱體外表面沒(méi)有任何不同。因采用強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器而移出冰箱兩側(cè)面及后壁面的冷凝盤(pán)管，強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器冰箱的外壁溫度為箱外空氣溫度ta。經(jīng)實(shí)物測(cè)量，在箱壁式冷凝器冰箱中，裝有冷凝盤(pán)管冰箱側(cè)面及后壁面面積占冰箱總表面積的65%。經(jīng)計(jì)算可得風(fēng)冷式冷凝器冰箱箱體傳入熱比箱壁式冷凝器冰箱箱體減少24%。

6 結(jié)論

根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果和分析對(duì)比，在冰箱中用強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器代替箱壁式冷凝器后，可得到以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)由于冷凝器傳熱系數(shù)的明顯增加，在壓縮機(jī)運(yùn)行工況不變的情況下，冷凝器傳熱面積明顯減少，傳熱銅管的耗材量可減少93%，雖增加了部分鋁翅片的耗材量，但是鋁的經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)低于銅。

(2)由于傳熱效率的改善，相同冷凝面積下冷凝溫度下降10℃，在考慮風(fēng)扇的耗電后，制冷循環(huán)的能效比EER提高約11%。

(3)冷凝器傳熱管從箱體移出，箱體總傳熱量可減少24%，從而減少蒸發(fā)器冷負(fù)荷，節(jié)省壓縮機(jī)耗電量。同時(shí)，冰箱可直接靠墻擺放，節(jié)省冰箱在廚房的占地面積。

(4)制冷量150W的冰箱，風(fēng)冷式冷凝器所需風(fēng)扇功率只有約3W左右，如此小功率風(fēng)扇對(duì)噪音的影響可忽略不計(jì)。

上述結(jié)論說(shuō)明，強(qiáng)制風(fēng)冷式冷凝器的冰箱在節(jié)約電能，節(jié)省擺放空間和節(jié)省冷凝器耗材方面均優(yōu)于箱壁式冷凝器冰箱。

[1] American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc.ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989[S]

[2] 吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998，8

[3] 莊友明.制冷裝置設(shè)計(jì)(修訂版)[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2006，12

[4] 林鋼.小型制冷裝置[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003，7

[5] 王生軟.自動(dòng)復(fù)疊雙溫冰箱兩器設(shè)計(jì)[J].制冷，2011，30(2)：13-17

[6] 楊世銘、陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006，8

[7] 李成武，隆瑩，楊敏.無(wú)霜冰箱風(fēng)扇電機(jī)性能及對(duì)節(jié)能的影響[6] .制冷，2014，33(2)：1-6