冰箱外置風(fēng)冷冷凝器研究

陳 俊 湯申杰 黃勝華 圣 潔 駱桂濤

（長(zhǎng)虹股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年來，大容積段冰箱銷售占比逐年攀升。這類大容積冰箱熱負(fù)荷大，一般需配置外置風(fēng)冷冷凝器進(jìn)行散熱。為適用不斷提高的能效要求，對(duì)提升風(fēng)冷冷凝器的換熱能力和換熱效率進(jìn)行研究顯得十分的必要。

本文以一款配置外置風(fēng)冷冷凝器的對(duì)開門冰箱產(chǎn)品作為研究對(duì)象，通過優(yōu)化風(fēng)冷冷凝器的設(shè)計(jì)和冷凝風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)，最終達(dá)成了降低整機(jī)耗電量、改善高環(huán)溫下開機(jī)率提升產(chǎn)品可靠性的目標(biāo)。

1 理論分析

圖1是某款冰箱用壓縮機(jī)制冷量和制冷效率（以下簡(jiǎn)稱“COP”）隨制冷系統(tǒng)冷凝溫度變化而變化的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，壓縮機(jī)的制冷量和COP都會(huì)隨著制冷系統(tǒng)冷凝溫度的降低而上升，即提升冷凝端的換熱效率，降低冷凝溫度能有效的提升制冷系統(tǒng)的制冷量和COP。

圖1 冷凝溫度與COP/制冷量的關(guān)系曲線

根據(jù)傳熱學(xué)[1]知識(shí)，冰箱系統(tǒng)冷凝器的換熱關(guān)聯(lián)式可表示為：

式中：

Qcon—冰箱系統(tǒng)的冷凝負(fù)荷；

h—冷凝器的空氣側(cè)傳熱系數(shù)；

Acon—冷凝器空氣側(cè)有效傳熱面積；

Tcon—冷凝溫度；

Tair—外界環(huán)境空氣溫度。

由式（1）可知，在冰箱系統(tǒng)冷凝負(fù)荷Qcon一定的情況下，可通過提高冷凝器的空氣側(cè)傳熱系數(shù)h和增加冷凝器的換熱面積Acon來達(dá)到縮小換熱溫差，降低系統(tǒng)冷凝溫度，并以此來提升冰箱制冷系統(tǒng)制冷量和制冷效率的目的。

2 優(yōu)化方案

基于上述理論分析，從兩方面著手進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：

1）優(yōu)化風(fēng)冷冷凝器的設(shè)計(jì)方案：在保持冷凝器安裝空間不變的前提下，加大冷凝器的換熱面積；

2）優(yōu)化冷凝風(fēng)循環(huán)設(shè)計(jì)：提升冷凝循環(huán)風(fēng)量；優(yōu)化減少進(jìn)、回風(fēng)的短路問題。

2.1 優(yōu)化冷凝器設(shè)計(jì)

冰箱所用風(fēng)冷冷凝器其主要的換熱形式為對(duì)流換熱，根據(jù)傳熱學(xué)[1]知識(shí)可知，要增加其換熱量可以通過加大溫差、增加表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及增加換熱面積三種方法來實(shí)現(xiàn)。但是增加溫差是以增加過程的不可逆損失為代價(jià)的，同時(shí)也會(huì)受到具體工藝技術(shù)的制約，很少采用。

綜合考慮成本、噪聲等因素，本次優(yōu)化采取增加換熱面積的方案。根據(jù)傳熱學(xué)[1]知識(shí)可知，在換熱管表面增加肋片的方式是一種有效的增加換熱器換熱面積的方法。因此，增加換熱面積具體方案確定為：將原設(shè)計(jì)的絲管式冷凝器替換為旋翅式冷凝器（圖2）。

圖2 兩種風(fēng)冷冷凝器外形對(duì)比

從表1的對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，兩種冷凝器的外形尺寸基本一致，但旋翅式冷凝器冷凝管路的換熱面積增加了7 %，翅片換熱面積增加了140 %。此外，旋翅式冷凝器是將鋼帶（或鋁帶）緊密的纏繞在冷凝管上加工而成，鋼帶（或鋁帶）與冷凝管路之間為緊密的360°包圍式面接觸，相比較于絲管冷凝器點(diǎn)焊絲管的肋化方式，其肋化效率更高，接觸熱阻更小。

表1 風(fēng)冷冷凝器外形尺寸與散熱面積對(duì)比

2.2 優(yōu)化冷凝風(fēng)循環(huán)

優(yōu)化方案的第二步從提高冷凝風(fēng)量和提升冷凝器的利用率著手。

提高冷凝風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、加大冷凝風(fēng)扇的半徑、優(yōu)化扇葉的形狀都是提高風(fēng)量的有效手段。但增加轉(zhuǎn)速意味著增加噪聲；加大扇葉半徑受安裝空間的限制；優(yōu)化扇葉形狀過于專業(yè)，短期內(nèi)無法獲得有效的改進(jìn)方案。因此，提升冷凝器與循環(huán)風(fēng)的接觸面積和減少冷凝循環(huán)風(fēng)短路情況的發(fā)生是可實(shí)現(xiàn)的有效手段。

從圖3所示的冷凝風(fēng)循環(huán)示意圖可以看出，在壓縮機(jī)底板內(nèi)側(cè)開孔（圖3線框位置），可增加冷凝器內(nèi)側(cè)的循環(huán)風(fēng)量，提升冷凝器內(nèi)側(cè)的換熱效果。

圖3 冷凝風(fēng)循環(huán)示意圖

此外，由于進(jìn)風(fēng)端和出風(fēng)端之間不能設(shè)計(jì)隔斷進(jìn)行分隔，因此不可避免的會(huì)有一部分循環(huán)風(fēng)從出風(fēng)端排出后在還沒有來得及將其所帶的熱量釋放到外界環(huán)境就被重新吸入進(jìn)風(fēng)端參與下一循環(huán)的換熱，即俗稱的風(fēng)循環(huán)“短路”。借助CFD仿真分析，對(duì)壓縮機(jī)后蓋板的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，將進(jìn)風(fēng)端風(fēng)口和出風(fēng)端的風(fēng)口設(shè)計(jì)為背靠背帶導(dǎo)向的形式（圖4所示），增加風(fēng)循環(huán)從出風(fēng)端循環(huán)至進(jìn)風(fēng)端的阻力，可有效的減少風(fēng)循環(huán)短路的發(fā)生。CFD的分析結(jié)果（圖5）證實(shí)只有少量循環(huán)風(fēng)存在短路現(xiàn)象。

圖4 壓縮機(jī)后蓋板優(yōu)化示意圖

圖5 改進(jìn)后CFD分析流線圖

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

依據(jù)GB/T 8059-2016[2]標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比對(duì)測(cè)試。根據(jù)表2所示的測(cè)試結(jié)果可知：通過優(yōu)化冷凝器和冷凝風(fēng)循環(huán)設(shè)計(jì)，整機(jī)性能得到了明顯的改善（結(jié)果見表2）：

表2 對(duì)比測(cè)試結(jié)果

1）冷凝溫度明顯下降；

2）整機(jī)耗電量大幅降低了7 %；

3）43℃環(huán)境下的開機(jī)率由接近不停機(jī)的狀態(tài)降到了90 %附近，有效的提升了產(chǎn)品的可靠性。

3 結(jié)論

通過本文的研究可知：

1）改善冷凝側(cè)的換熱效果，確實(shí)能有效的提升整機(jī)的制冷能力與制冷效率，優(yōu)化產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)；

2）旋翅式冷凝器用機(jī)械加工的方式將金屬片緊緊的纏繞在冷凝管外側(cè)形成環(huán)肋，在有效的減小接觸熱阻的同時(shí)還能有效的增加肋化面積，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于同體積的絲管冷凝器；

3）在風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，利用CFD分析手段對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模擬分析，能快速、直觀的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，并形成有效的改進(jìn)指導(dǎo)意見。