輕型商用制冷設(shè)備的冷凝器關(guān)鍵技術(shù)分析

朱曉娟 鄧萍萍 李建周

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230000）

引言

隨著居民消費(fèi)需求不斷升級、中產(chǎn)階級數(shù)量增多，食品保鮮意識不斷提高，這些因素促進(jìn)了我國冷鏈物流行業(yè)逐漸增長，陳列柜、冰激凌柜、廚房冰箱、智能無人售賣柜等冷鏈物流終端設(shè)備需求不斷增大。相比家用制冷設(shè)備的銷量而言，輕型商用制冷設(shè)備還處于初步發(fā)展階段，產(chǎn)品存在能耗大、噪音高等問題，如陳列柜的能耗占據(jù)了超市總能耗的2/3[1]。國家發(fā)改委等七部委聯(lián)合印發(fā)的《綠色高效制冷行動方案》提出，到2022年，要求商用冷柜、冷藏陳列柜能效提高20 %，制冷總體能效水平提高25 %以上，實(shí)現(xiàn)年節(jié)電約1 000億千瓦時。因此，降低輕型商用制冷設(shè)備的能耗、提升產(chǎn)品節(jié)能技術(shù)，是我國輕型商用制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)突破性增長的關(guān)鍵。

在立式陳列柜、臥式冷凍柜等輕型商用制冷設(shè)備中，開發(fā)高效節(jié)能換熱器依然是制冷系統(tǒng)節(jié)能的主要途徑。冷凝器作為制冷系統(tǒng)四大部件之一，在效率和功耗方面都占很大比重。提升冷凝器的換熱能力、減少壓降一直是制冷技術(shù)研究的重點(diǎn)。從“能量守恒”的角度來說，冷凝器散失的熱量一部分來自于壓縮機(jī)消耗的軸功，另一部分來自于蒸發(fā)器吸收的熱量。因此，冷凝器的性能優(yōu)化顯得十分必要。

隨著冷鏈物流行業(yè)市場快速發(fā)展，對各類冷凝器的強(qiáng)化換熱技術(shù)現(xiàn)在進(jìn)行梳理是很有必要的。目前，有關(guān)傳熱面的強(qiáng)化換熱如翅片管結(jié)構(gòu)類型[2-4]、管內(nèi)強(qiáng)化[5,6]等對冷凝換熱性能影響的研究已獲得了一定的研究成果。其中，微通道冷凝器以其結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點(diǎn)在輕型商用制冷設(shè)備中廣泛應(yīng)用，但其表面容易堆積灰塵，導(dǎo)致空氣側(cè)壓降增加，導(dǎo)致其性能嚴(yán)重衰減。

本文將對常見冷凝器的強(qiáng)化換熱技術(shù)進(jìn)行研究總結(jié)，如翅片類型對冷凝器傳熱性能的影響、小管徑冷凝器的換熱性能等。在此基礎(chǔ)上，對常規(guī)的冷凝器除塵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果提出輕型商用設(shè)備用冷凝器運(yùn)行時的最佳除塵方案，確保冷凝器的換熱能力不衰減，有助于提高制冷系統(tǒng)的整體性能。

1 冷凝器關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 冷凝器概述

輕型商用制冷設(shè)備常用的冷凝器主要有絲管冷凝器、翅片管式冷凝器、旋翅冷凝器和微通道冷凝器，如圖1所示。

圖1 常見冷凝器型式[1]

絲管冷凝器是由冷凝管、固定在冷凝管上的散熱鋼絲和支架組成，冷凝管上設(shè)置有與散熱鋼絲外表面適配的圓弧凹槽，散熱鋼絲放置在圓弧凹槽中并焊接固定。小型立式展示柜上應(yīng)用絲管冷凝器較多。

翅片管式冷凝器是目前應(yīng)用最為廣泛的換熱器型式，它通過在普通的傳熱管上加裝翅片來達(dá)到提高傳熱系數(shù)和傳熱面積的目的。與光管相比，散熱翅片與傳熱管接觸面變大，傳熱能力增強(qiáng)。熱量通過緊繞在鋼管上翅片傳給經(jīng)過翅片間的空氣，達(dá)到加熱和冷卻空氣的作用。

旋翅冷凝器是一種使用螺旋翅片緊密地纏繞在冷凝管的外表面，與傳統(tǒng)絲管冷凝器、翅片管式冷凝器相比，換熱效率可以提高30 %[8]。

微通道冷凝器是由內(nèi)置微通道的鋁制扁管，開窗鋁翅片，集流管組成。翅片開窗角度，片間距，集流管的布置方向，扁管內(nèi)通道數(shù)也可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)配置需要確定。與翅片管式冷凝器相比，微通道冷凝器因其質(zhì)量較輕，減少制冷劑充注量，高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)在輕型商用制冷設(shè)備中的應(yīng)用已成為趨勢。

目前，國內(nèi)外對風(fēng)冷冷凝器研究總的趨勢是：強(qiáng)化傳熱的研究；開發(fā)高效、緊湊、重量輕的新型冷凝器。

1.2 風(fēng)冷冷凝器強(qiáng)化傳熱

冷凝器的優(yōu)化是輕型商用制冷設(shè)備提升能效、降低不可逆損失的關(guān)鍵，強(qiáng)化傳熱措施一般通過提高傳熱溫差、拓展傳熱面積和提高傳熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

翅片管式冷凝器的強(qiáng)化換熱一般包括傳熱面的強(qiáng)化和管內(nèi)強(qiáng)化。傳熱面的強(qiáng)化一般通過改變翅片類型和翅片開縫位置實(shí)現(xiàn)，翅片型式一般有波紋菱形開縫翅片、波紋片和平直翅片，現(xiàn)有研究表明，當(dāng)Re數(shù)在5000～7000時，平直翅片表明溫度分布較為均勻，而波紋菱形開縫翅片和波紋片由于流體擾動較大，溫度分布不均勻，因此換熱性能也優(yōu)于平直片，波紋菱形開縫翅片的傳熱效果提高了95～97 %[2]。管內(nèi)強(qiáng)化換熱技術(shù)一般通過改變傳熱管結(jié)構(gòu)和制造工藝，例如變螺距內(nèi)螺紋換熱管、小管徑換熱管，從而提高制冷劑在管內(nèi)的換熱系數(shù)。

微通道冷凝器在飲料柜上應(yīng)用廣泛，常見的強(qiáng)化換熱方式一般有翅片的優(yōu)化、扁管的通道數(shù)和寬度、回路設(shè)置和集流管的布置方向。研究表明，不同流路布置方案對冷凝器換熱量和制冷劑側(cè)壓降影響較大[9]，相同流程不同扁管通道數(shù)對換熱量影響較小。微通道冷凝器流路優(yōu)化是強(qiáng)化換熱的重要手段，通過降低制冷劑的飽和壓力和增加制冷劑的質(zhì)量流量可以提高冷凝器換熱性能。

2 冷凝器除塵技術(shù)分析

2.1 常規(guī)除塵技術(shù)

商用制冷設(shè)備的冷凝器使用一定年限后，空氣中的灰塵會粘附在冷凝器翅片表面，形成空氣側(cè)污垢，影響冷凝器的換熱性能，因此，定期對冷凝器進(jìn)行除塵有助于提高制冷系統(tǒng)的整體性能。

冷凝器常規(guī)除塵技術(shù)主要有靜電除塵技術(shù)、安裝過濾器、優(yōu)化冷凝器結(jié)構(gòu)和EC電機(jī)除塵。靜電除塵技術(shù)是利用兩極之間的高壓電場形成電暈進(jìn)行工作的，在電暈區(qū)里的自由帶電粒子吸附在顆粒物上使其帶電，粉塵與負(fù)離子結(jié)合帶電后，趨向陽極表面放電而沉積；安裝過濾器是指在冷凝器前端安裝過濾器，在氣體吹向換熱器表面之前先將氣體里面的粉塵顆粒吸附下來；優(yōu)化冷凝器結(jié)構(gòu)主要是翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計需要找到換熱能力與防積灰之間的平衡以滿足換熱器高效和長效的要求；EC電機(jī)除塵是控制設(shè)備控制風(fēng)扇反轉(zhuǎn)除塵，進(jìn)入除塵運(yùn)行后壓縮機(jī)停止運(yùn)行，風(fēng)扇以正常運(yùn)行時相反的方向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)冷凝器除塵的目的。

其中，EC電機(jī)除塵是通過控制器定時讓風(fēng)扇自動地為微通道冷凝器進(jìn)行除塵,不再需要人工進(jìn)行除塵,節(jié)省了人力,同時極大地提高了除塵的效率，在輕型商用制冷設(shè)備中應(yīng)用較多。

2.2 冷凝器除塵技術(shù)驗(yàn)證分析

試驗(yàn)分為三組，如表1所示。其中所使用的微通道冷凝器高度H=140 mm，寬度W=140 mm，厚度D=32 mm，所有組中冷凝器換熱面積相同，驗(yàn)證樣機(jī)為美菱某型號商用冷凍柜。

表1 冷凝器除塵試驗(yàn)分組表

三組試驗(yàn)均在相同的環(huán)境溫度和濕度狀態(tài)下測試，通過在不同時間段在冷凝器表明布滿灰塵，記錄三組不同除塵方式試驗(yàn)情況下壓縮機(jī)機(jī)殼最高溫度、24 h耗電量和拉溫速度。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，冷凝器灰堵會引起散熱嚴(yán)重衰減，試驗(yàn)一組在沒有對冷凝器進(jìn)行除塵的條件下，壓縮機(jī)機(jī)殼最高溫度同比EC電機(jī)除塵時高11度，耗電量也高于在運(yùn)行過程中進(jìn)行除塵的試驗(yàn)二組和試驗(yàn)三組，如表2所示。

表2 不同除塵方式機(jī)殼最高溫度、耗電量、拉溫速度對比表

由以上測試結(jié)果可知，在相同測試工況下，人工除塵與EC電機(jī)除塵對耗電量和拉溫速度的影響相差不超過3 %，而不帶除塵設(shè)備的試驗(yàn)一組耗電量、壓縮機(jī)機(jī)殼溫度、拉溫速度的測試結(jié)果同比帶除塵情況下差距較大，24 h耗電量高達(dá)3.17 kW·h / 24 h，相較EC電機(jī)除塵耗電量提高了22 %，不帶除塵設(shè)備長期運(yùn)行會造成壓縮機(jī)壽命減小，系統(tǒng)效率降低。因此，建議定期對商用制冷設(shè)備的冷凝器除塵清灰，以保證制冷系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時達(dá)到最佳工況。

3 結(jié)論

本文闡述了輕型制冷設(shè)備的冷凝器應(yīng)用現(xiàn)狀和冷凝器性能提升方案，同時對冷凝器除塵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，主要結(jié)論如下：

1）翅片管式冷凝器、微通道冷凝器是輕型商用制冷設(shè)備應(yīng)用較廣泛的換熱器，冷凝器強(qiáng)化換熱技術(shù)主要分管外側(cè)強(qiáng)化和管內(nèi)強(qiáng)化兩方面；成本低、換熱效率高是冷凝器的發(fā)展趨勢；

2）微通道冷凝器采用EC電機(jī)除塵的方式效果較好，在實(shí)際使用中可以推廣應(yīng)用。