一種D型管節(jié)能冷柜產(chǎn)品的研究

李揚(yáng) 張賽 慶增武 張華偉

（美的冰箱事業(yè)部研發(fā)中心 安徽合肥 230601）

0 引言

隨著人們節(jié)能意識(shí)的提高及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，日常生活中的節(jié)能產(chǎn)品也越來(lái)越多。家用電器冷柜的節(jié)能也越來(lái)越多地被關(guān)注，對(duì)冷柜產(chǎn)品的要求不僅體現(xiàn)在能耗低上，更要求其具有冷凍能力大的特點(diǎn)，因此對(duì)冷柜產(chǎn)品節(jié)能的研發(fā)任重而道遠(yuǎn)。冷柜產(chǎn)品的節(jié)能可通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：加厚發(fā)泡層；提高制冷循環(huán)的效率；高效壓縮機(jī)；減小冷柜的熱負(fù)荷；減小循環(huán)開(kāi)停的損失。[1-2]

現(xiàn)今，冷柜產(chǎn)品的繞管式蒸發(fā)器一般采用圓形鋁管，雖然能實(shí)現(xiàn)溫度的降低，但圓管與箱膽的接觸面積較小，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳出的熱量也比較少（由于冷柜的內(nèi)膽與箱體之間充滿發(fā)泡液，故無(wú)需考慮對(duì)流換熱和熱輻射），這就會(huì)在一定程度上造成浪費(fèi)。因此，如何增加鋁管與內(nèi)膽的接觸面積，增大單位面積的換熱量，是研發(fā)設(shè)計(jì)人員的一個(gè)研究方向?；诘湍芎?、高性能、低成本產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)目的，本文提出采用D型管來(lái)增加蒸發(fā)器與箱膽的接觸面積，降低了產(chǎn)品的能耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

1 D型管的成型原理

D型管主要是借助一個(gè)滾輪結(jié)構(gòu)，由繞管機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)牽引拉伸壓扁而成，其主要機(jī)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)圓柱滾輪和一個(gè)U型滾輪及一些其他輔助裝置構(gòu)成。工作原理是繞管機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)兩個(gè)輪子壓緊使管子成型，隨著繞管機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓成型，D型管成型后直接貼附在內(nèi)膽表面，鋁箔膠帶同步貼附，完成繞管之后，自動(dòng)割斷管子。

2 D型管傳熱分析

D型管蒸發(fā)器與同管徑圓管蒸發(fā)器相比，與內(nèi)膽直接接觸面積增加了，從而使其傳熱效率大幅提升，有利于箱內(nèi)溫度的降低；鋁制圓管成D型后，蒸發(fā)器管內(nèi)容積減小，在滿足蒸發(fā)溫度的情況下，相當(dāng)于增大了冷凝器的冷凝效果；另一方面管內(nèi)容積的減小，也降低了制冷劑的充注量[3]，這對(duì)某些對(duì)于有充注量上限要求的產(chǎn)品是十分有利的。

圖1 D型管成型設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

表1 D型管與圓管數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 D型管與圓管能耗及空載PD測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

采用FLUENT軟件對(duì)D型管與圓管傳熱效果的仿真分析，兩者采用相同的邊界條件：換熱系數(shù)取的是空氣常溫下的值10W/(m2?K)，環(huán)境溫度取25℃，初始溫度為25℃，給定D型管的內(nèi)壁溫度。圖2是模擬仿真得到的溫度分布圖。

圖2中，L是距離內(nèi)膽的距離，D是鋁管的外徑，從溫度分布曲線來(lái)看可知，與圓管蒸發(fā)器對(duì)比，采用D型管蒸發(fā)器與箱內(nèi)溫差更小些，這是因?yàn)镈型管與內(nèi)膽接觸面積大，能更有效地利用管內(nèi)制冷劑的氣化潛熱帶走箱內(nèi)的熱量；D型管與內(nèi)膽的貼附比較緊密，不凝氣體的殘留較圓管會(huì)減少，從而減小其傳熱熱阻，提高蒸發(fā)器的換熱效率。

圖3是為FLUENT軟件對(duì)圓管與D型管的傳熱溫度場(chǎng)作出仿真分析，從圖中可以觀察到采用D型管使箱內(nèi)溫度分布更加均勻，這對(duì)儲(chǔ)存在箱內(nèi)的食物是有利的。D型管應(yīng)力較小[4]，減少了繞管過(guò)程中的起翹現(xiàn)象，尤其是拐角處的起翹，這是箱內(nèi)溫度分布均勻的關(guān)鍵影響因素；同時(shí)，D型管的高度H比圓管直徑小，這在一定程度上增加了箱體泡層的厚度，使冷柜的保溫效果提高[5]，減小了冷柜的熱負(fù)荷。

3 D型管截面的研究分析

D型管的管截面是影響其傳熱效果的關(guān)鍵因素，因此，對(duì)其截面作進(jìn)一步的研究具有十分重要的意義。截面太小，D型管與內(nèi)膽之間的接觸面積太小，換熱量也相應(yīng)減小，不能達(dá)到很好的制冷效果；截面太大，就勢(shì)必將管子壓得太扁，造成內(nèi)容積減小，相應(yīng)的蒸發(fā)面積也會(huì)有所減小，反而達(dá)不到預(yù)期的效果，所以D型管的截面必定有一個(gè)最佳的合適的截面。

圖4為7.5*0.75鋁管壓成D型管與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品使用的7*0.75鋁管進(jìn)行理論計(jì)算的對(duì)比分析。其基本原理是將7.5*0.75的鋁管壓制成D型，若要使其內(nèi)容積與原來(lái)的盡可能保持一致，就需要保證成型后的管截面面積一致，理論計(jì)算如圖4。

根據(jù)7*0.75mm鋁管內(nèi)容積不變的原理，要求7*0.75mm圓管截面面積與7.5*0.75mmD型管截面面積相同，即S1=S2，角度a=55°，那么D型管的壓扁尺寸及其截面寬度尺寸如圖5。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行換熱數(shù)據(jù)分析得出表1所示數(shù)據(jù)：圓管蒸發(fā)器的換熱量是0.246W，D型管蒸發(fā)器的換熱量是0.3494W，是圓管的1.42倍，其換熱效率明顯提升，分析數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 D型管與圓管溫度分布曲線

圖3 D型管與圓管溫度分布云圖

圖4 鋁管圓形和D型理論計(jì)算

圖6 空載PD測(cè)試曲線與數(shù)據(jù)圖

圖5 D型管的壓扁尺寸及其截面寬度尺寸

圖7 能耗測(cè)試曲線與數(shù)據(jù)圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)比較

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試以目前本公司正常生產(chǎn)的BD142型號(hào)的冷柜作為研究測(cè)試對(duì)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹饕獙?duì)能耗及空載PD測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

從表2測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，與圓管相對(duì)比，有以下幾個(gè)方面的改變：（1）充注量方面，D型管內(nèi)容積減小，其充注量減少了20g；（2）運(yùn)行功率方面，由于充注量的減少，壓縮機(jī)的輸入功率也降低了3.5W；（3）降溫速度方面，基本上沒(méi)有太大變化PD曲線如圖6；（4）能耗方面，D型管在能耗上的改變較為明顯，能耗值從0.57降低到0.53，約提升7%左右。D型管蒸發(fā)器的節(jié)能主要體現(xiàn)在D型管提升了蒸發(fā)器的換熱效果，降低了運(yùn)行功率和運(yùn)行率，從而使得能耗得以降低，能耗測(cè)試曲線如圖7所示。

5 總結(jié)

與圓管蒸發(fā)器相比，D型管蒸發(fā)器所具有的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：D型管與內(nèi)箱的換熱面積增加了，提高了該蒸發(fā)器的換熱量；D型管的高度H比圓管直徑小，這在一定程度上增加了箱體泡層的厚度，使冷柜的保溫效果提高，減小了冷柜的熱負(fù)荷；D型管的應(yīng)力較小，減少了繞管過(guò)程中的起翹現(xiàn)象，使箱內(nèi)的溫度分布更均勻；D型管與內(nèi)箱粘貼較圓管密實(shí)，減小不凝氣體的殘留，從而使傳熱熱阻減小，提高蒸發(fā)器的換熱效率[6]。

本文所研究的能耗降低對(duì)于目前競(jìng)爭(zhēng)激烈的家電行業(yè)來(lái)說(shuō)意義重大，一是節(jié)能本身就是一個(gè)賣點(diǎn)，而且趨勢(shì)越來(lái)越明顯；二能耗降低了，產(chǎn)品本身的配置就可選用相對(duì)較低效的壓縮機(jī)，這樣使產(chǎn)品成本降低很多，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力也將有所提升。鋁制D型管的制作和成型應(yīng)用目前是行業(yè)首創(chuàng)，并且已經(jīng)申請(qǐng)專利，此鋁管直接成型D型管技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)有很好的市場(chǎng)前景及趨勢(shì)。因此，本文的研究對(duì)節(jié)能領(lǐng)域具有一定的理論指導(dǎo)和實(shí)際價(jià)值。

[1] 李艷芹，張德海. 一種節(jié)能低噪臥式冷柜的設(shè)計(jì)[J].家電科技，2008(3):58-59;61.

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[3] 張波，郭凱，陳旭峰等. 制冷劑充注量對(duì)冷柜系統(tǒng)影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械，2002(4):13-16.

[4] 陳天及，申江，孫英英. 臥式冷柜蒸發(fā)器布置形式的改進(jìn)[J]. 流體機(jī)械，1996(1):56-60.

[5] 俞炳豐，葛軍，王志剛等.冷凍箱內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的計(jì)算模擬[J]. 制冷學(xué)報(bào)，1997(1):53-59.

[6] 毛正榮，趙巍，張華等.低溫冷柜內(nèi)空氣的傳熱與流動(dòng)特性研究[J]. 上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1):21-23;27.