冰箱外置冷凝模塊換熱性能對(duì)比分析研究

尚殿波 陳開松

（長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

前言

目前，冰箱已經(jīng)成為百姓家最常見的一款家用電器，因其與人們的食用食品聯(lián)系緊密，成為家庭中每日必須打交道的一種家用電器，冰箱制冷保鮮的功能，確保了人們的健康需求。

風(fēng)冷冰箱間室內(nèi)的熱量通過(guò)蒸發(fā)器在間室內(nèi)吸熱，制冷劑的熱量輸送至冷凝器后，再依靠冷凝器將熱量排放至常規(guī)環(huán)境中，循環(huán)往復(fù)達(dá)到冰箱的制冷功能。但隨著人們生活水平的提高以及高房?jī)r(jià)的限制，對(duì)家裝的要求也越來(lái)越高。將冰箱置于家中房間的凹槽墻面中或者置于櫥柜中，因冷凝器需要散熱，以冰箱置于家中房間的凹槽墻面中且與墻面距離較小的狀態(tài)為例，俗稱“自由嵌入式”[1]，該種擺放會(huì)導(dǎo)致常規(guī)的側(cè)幫式冷凝散熱不滿足設(shè)計(jì)要求，壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)頻繁跳機(jī)，制冷效果不佳等問(wèn)題。如果側(cè)幫式冷凝散熱的冰箱置于櫥柜中，因櫥柜為密封空間，冰箱兩個(gè)側(cè)面與櫥柜接觸更緊密，冷凝器的散熱效果會(huì)更差，使用較長(zhǎng)時(shí)間的話，最終可能出現(xiàn)冰箱徹底不制冷的結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致冰箱起不到制冷保鮮功能，不能很好地滿足用戶的使用需求。

基于以上存在的問(wèn)題，以一款側(cè)幫冷凝設(shè)計(jì)的冰箱為研究載體，設(shè)計(jì)出一種最佳性價(jià)比的外置冷凝模塊[2]，確保冰箱自由嵌入式擺放時(shí)可靠性滿足設(shè)計(jì)，同時(shí)整機(jī)性能較原狀態(tài)不降低，應(yīng)用新型外置冷凝器的冰箱載體的主要可靠性實(shí)驗(yàn)需滿足設(shè)計(jì)要求。

1 具體方案

以BCD-500W*風(fēng)冷冰箱為研究載體，由側(cè)幫冷凝器配置更換為外置冷凝器設(shè)計(jì)，確保外置冷凝器具有最佳性價(jià)比，整機(jī)能耗不升高，同時(shí)自由嵌入式狀態(tài)下的主要可靠性滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1 外置冷凝模塊的選型與優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)前500 L冰箱主要用的外置冷凝模塊分為以下三種，見圖1（a）、（b）與（c）。

從圖1（a）中可知，該種外置冷凝器為絲管式冷凝器，從圖片直接看過(guò)去，寬度尺寸較大。為了確保裝入壓縮機(jī)倉(cāng)中可以與壓縮機(jī)倉(cāng)四周有較好的密封性，在絲管式冷凝器四周置有密封材料，同時(shí)絲管式冷凝器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，在絲管式冷凝器中間位置也需要有密封材料，才可以確保在冷凝風(fēng)扇擾流作用寫的冷凝風(fēng)可以盡可能多地掃略過(guò)絲管冷凝器表面，達(dá)到較好地?fù)Q熱效果。絲管式冷凝器本身由絲管與管道組成，絲管之間的間距較大，實(shí)際換熱效果較差。成本方面，絲管與管道件成本不高，但置于壓縮機(jī)倉(cāng)后，絲管冷凝器四周的密封材料與中間的封堵材料成本較高，導(dǎo)致絲管式冷凝器性價(jià)比不好。

從圖1（b）中可知，該種外置冷凝器為微通道冷凝器，從圖片直接看過(guò)去，寬度尺寸較小，常規(guī)尺寸為10～15 mm。為了確保裝入壓縮機(jī)倉(cāng)中可以與壓縮機(jī)倉(cāng)四周有較好的密封性，也需要有密封材料，置于微通道冷凝器三個(gè)面上，才可以確保在冷凝風(fēng)扇擾流作用寫的冷凝風(fēng)可以盡可能多地掃略過(guò)微通道冷凝器表面，達(dá)到較好地?fù)Q熱效果。微通道冷凝器由鋁材質(zhì)管道與鋁材質(zhì)翅片構(gòu)組成，再通過(guò)熔爐焊接成一體式結(jié)構(gòu)，確保換熱性能更優(yōu)。成本方面，微通道冷凝器管道材料成本不高，但熔爐焊接成本較高，加之微通道冷凝器在冰箱上才開始應(yīng)用，故用量較少，成本也偏高，導(dǎo)致微通道冷凝器性價(jià)比價(jià)比不好。

從圖1（c）中可知，該種外置冷凝器為旋翅式冷凝器，從圖片直接看過(guò)去，寬度尺寸相對(duì)絲管冷凝器而言，比較小，但相對(duì)微通道冷凝器而言，則比較大。主要由6排旋翅組成。為了確保裝入壓縮機(jī)倉(cāng)中可以與壓縮機(jī)倉(cāng)四周有較好的密封性，也需要有密封材料，置于旋翅式冷凝器三個(gè)面上靠近冷凝風(fēng)機(jī)處，才可以確保在冷凝風(fēng)扇擾流作用寫的冷凝風(fēng)可以盡可能多地掃略過(guò)旋翅式冷凝器表面，達(dá)到較好地?fù)Q熱效果。旋翅式冷凝器目前主要由鋁材質(zhì)管道與鋁材質(zhì)翅片構(gòu)組成。成本方面，旋翅式冷凝器成本與絲管式冷凝器相當(dāng)，稍偏高，比微通道冷凝器便宜，綜合而言，6排旋翅式冷凝器性價(jià)比較好。

圖1 各種冷凝模塊結(jié)構(gòu)

但本項(xiàng)目要求開發(fā)出性能更優(yōu)，性價(jià)比更好的外置冷凝模塊，同時(shí)冰箱整機(jī)性能與原狀態(tài)相當(dāng)即可，基于此，設(shè)計(jì)出一種5排旋翅式冷凝模塊，見圖1（d），該款冷凝器狀態(tài)與6排基本形態(tài)，但管道與翅片之間采用拉脹管設(shè)計(jì)，確保換熱性能得到進(jìn)一步提升。性價(jià)比方面，五排旋翅式冷凝器比6排旋翅式冷凝去成本更低，屬于以上四款冷凝模塊中性價(jià)比最優(yōu)的一款外置冷凝模塊。

1.2 冷凝器換熱量測(cè)試驗(yàn)證

以上四款外置冷凝模塊需要進(jìn)行單體換熱量測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比分析以上四款外置冷凝模塊的換熱量，確保最佳性價(jià)比冷凝模塊的換熱量較優(yōu)。

換熱量測(cè)試設(shè)備主要有恒溫水箱、水泵、流量計(jì)等組成，見圖2所示。實(shí)際在測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，采用冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)為冷凝風(fēng)道，更加貼近現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)方案，確保測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。換熱器進(jìn)口水溫維持在65 ℃左右，冷凝風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口溫度維持在26 ℃左右，確保初始狀態(tài)基本一致，測(cè)試結(jié)果具有可比性。

測(cè)試過(guò)程中，恒溫水箱出來(lái)的高溫水經(jīng)過(guò)水泵、流量計(jì)，再鍋臺(tái)保溫管道進(jìn)入冷凝器入口，經(jīng)過(guò)換熱后，再通過(guò)回水管返回至恒溫水箱中，實(shí)現(xiàn)水側(cè)換熱的溫度，水流量的相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)試要求。冷凝器風(fēng)側(cè)換熱，在冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)中，從圖中可知，從右下角進(jìn)風(fēng)，冰箱靠?jī)?nèi)的壓機(jī)后蓋板出風(fēng)口處出風(fēng)，實(shí)現(xiàn)冷凝器風(fēng)側(cè)換熱要求。

1.3 嵌入式可靠性測(cè)試驗(yàn)證

外置冷凝器與側(cè)幫冷凝器對(duì)比而言，嵌入式狀態(tài)下，可靠性更高。依托外置冷凝模塊的冷凝風(fēng)扇的擾流，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流換熱，確保冷凝換熱能力更強(qiáng)，換熱效果更好。只有具有更優(yōu)的冷凝換熱效果，才可以確保自由嵌入式狀態(tài)下的整機(jī)運(yùn)行可靠性。該款冰箱載體采用5排旋翅式冷凝器，設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)后蓋板進(jìn)出風(fēng)口結(jié)構(gòu)，確保冷凝風(fēng)循環(huán)的換熱可靠性。具體冰箱嵌入式狀態(tài)可靠性測(cè)試見圖3。

從圖3中可知，該款500 L容積的風(fēng)冷冰箱，四周是木材制作的類似家庭中的凹槽結(jié)構(gòu)，冰箱兩側(cè)與木箱兩側(cè)的間距為10 mm，后部壓縮機(jī)倉(cāng)與后背板距離為15 mm設(shè)計(jì)。

1.4 接水盤溢水實(shí)驗(yàn)

接水盤溢水實(shí)驗(yàn)屬于化霜可靠性試驗(yàn)，對(duì)于風(fēng)冷冰箱而言，存在不定期的蒸發(fā)器自動(dòng)除霜功能，尤其是在冰箱開關(guān)門條件下，同時(shí)測(cè)試室為高溫高濕，結(jié)霜量大，化霜水較多，確保接水盤不溢水就顯得尤為重要。

圖2 換熱量測(cè)試設(shè)備

圖3 冰箱載體嵌入式狀態(tài)

圖4 改進(jìn)前后接水盤實(shí)物圖

原狀態(tài)冰箱采用側(cè)幫冷凝方式，接水盤內(nèi)主要是化霜水的蒸發(fā)管，可以確?；梢缘玫接行д舭l(fā)，滿足可靠性要求，接水盤結(jié)構(gòu)見圖4（a）。但采用外置冷凝模塊設(shè)計(jì)后，接水盤上需要擺放冷凝器與冷凝風(fēng)機(jī)，故接水盤只能做成高度較小、長(zhǎng)度較大的結(jié)構(gòu)，確保冷凝器模塊化設(shè)計(jì)要求，接水盤結(jié)構(gòu)見4（b）。

按照企業(yè)接水盤溢水實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將該款風(fēng)冷冰箱載體置于測(cè)試臺(tái)位中，設(shè)置好環(huán)境室的溫濕度，同時(shí)自動(dòng)開關(guān)門機(jī)按照既定程序完成設(shè)定，具體見圖5。

1.5 性能驗(yàn)證

載體冰箱由側(cè)幫冷凝更改為外置冷凝模塊冷凝，需要進(jìn)行整機(jī)能耗驗(yàn)證，確保整機(jī)性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 冷凝器單體性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)方法，依托換熱器測(cè)試設(shè)備，在冰箱壓縮機(jī)倉(cāng)中進(jìn)行冷凝器換熱量測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制成曲線圖，見圖6。

從表1與圖6中可知，不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下，6排旋翅式冷凝器換熱量最高，5排旋翅冷凝器與微通道冷凝器換熱量相當(dāng)。低轉(zhuǎn)速下微通道優(yōu)于5排旋翅冷凝器，絲管冷凝器換熱量最低。風(fēng)扇為1 018 rpm，5排旋翅與微通道換熱量較絲管換熱量較絲管式冷凝器的換熱量分別提升約4 %與5.5 %。故5排旋翅式冷凝器換熱量滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 整機(jī)能耗結(jié)果

根據(jù)能耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，在32 ℃環(huán)溫下，側(cè)幫冷凝器與外置冷凝器兩種狀態(tài)的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

從表2中可知，低特性條件下，外置冷凝模塊的載體較原側(cè)幫冷凝狀態(tài)節(jié)能約6 %，高特性條件下，節(jié)能約4 %?？傮w來(lái)說(shuō)，采用外置冷凝模塊設(shè)計(jì)方案，整機(jī)能效更優(yōu),能耗降低約5 %。

2.3 嵌入式狀態(tài)可靠性結(jié)果

根據(jù)前面描述的冰箱載體嵌入式擺放方式，環(huán)溫43 ℃，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求完成高低壓?jiǎn)?dòng)測(cè)試，見測(cè)試曲線圖7。從圖7中可知，壓縮機(jī)在高壓與低壓兩種狀態(tài)下，連續(xù)三次均可以正常啟動(dòng)，啟動(dòng)后運(yùn)行正常，故可靠性結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 接水盤溢水結(jié)果

圖5 溢水實(shí)驗(yàn)冰箱擺放示意圖

表1 各種換熱器測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)

圖6 測(cè)試數(shù)據(jù)曲線圖

圖7 高低壓?jiǎn)?dòng)運(yùn)行曲線

根據(jù)前面描述的新舊接水盤的設(shè)計(jì)方案，首先進(jìn)行接水盤容積對(duì)比測(cè)試，采用量杯進(jìn)行接水與往接水盤中注水試驗(yàn)，在兩個(gè)接水盤水均到達(dá)最大存水量時(shí)，得出設(shè)計(jì)存水結(jié)果，數(shù)據(jù)見表3。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，新設(shè)計(jì)的接水盤容積較原狀態(tài)提升約7 %，滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)按照接水盤溢水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整機(jī)可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果為，接水盤未溢水，滿是溢水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析四款外置冷凝器的單體換熱量，完成應(yīng)用5排旋翅式冷凝器的冰箱整機(jī)能耗、高低壓?jiǎn)?dòng)與接水盤溢水等可靠性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知5排旋翅式冷凝器模塊滿足設(shè)計(jì)要求，且具有最佳性價(jià)比特性。

表2 能耗對(duì)比結(jié)果

表3 接水盤水量結(jié)果