家用電冰箱換熱器換熱性能測(cè)試研究

徐曉昂

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210007）

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)方便生活條件的需求推動(dòng)了制冷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。冰箱技術(shù)發(fā)展到目前服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。我國是冰箱消費(fèi)生產(chǎn)大國，冰箱產(chǎn)量居世界首位，隨著國家對(duì)節(jié)能減排的重視，冰箱能耗標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。換熱器性能提高對(duì)冰箱系統(tǒng)性能有很大影響。非穩(wěn)態(tài)沸騰換熱是主要換熱方式，為準(zhǔn)確把握換熱器傳熱性能，需要應(yīng)用試驗(yàn)分析方法。有必要開發(fā)性能可靠的換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試它不同結(jié)構(gòu)冰箱換熱系數(shù)等性能參數(shù)，為冰箱換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

1 冰箱換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

冰箱蒸發(fā)器分為直接與間接冷卻方式，按結(jié)構(gòu)分為板式、管式與翅式蒸發(fā)器。冰箱冷凝器分為板管式、翅片冷凝器。針對(duì)冰箱換熱器部件實(shí)驗(yàn)分析可以排除系統(tǒng)其他部件對(duì)性能的影響。衡量冰箱換熱器性能的參數(shù)包括換熱系數(shù)、進(jìn)出口溫度等。性能參數(shù)大多無法在冰箱整機(jī)進(jìn)行測(cè)量，需要在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況下測(cè)量。測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，換熱量由換熱器進(jìn)出口制冷劑焓值確定。換熱器換熱系數(shù)用換熱量參數(shù)計(jì)算獲得。

蒸發(fā)器換熱量公式為QE=m(h2-h1)，m為制冷劑質(zhì)量流量kg/s，h1，h2為蒸發(fā)器進(jìn)出口制冷劑焓值kJ/kg。冷凝器換熱量公式為Qc=m(h4-h3)，m為制冷劑質(zhì)量流量kg/sh3，h4為冷凝器進(jìn)出口制冷劑焓值kJ/kg。提出換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案。測(cè)試系統(tǒng)包括蒸發(fā)器環(huán)境模擬室、制冷劑供液機(jī)組等。冷凝器模擬室提供冰箱冷凝器恒溫可控工作環(huán)境，蒸發(fā)器花徑模擬室配備制冷機(jī)組，環(huán)境模擬室設(shè)置溫感器，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)模擬室溫度進(jìn)行監(jiān)控。

考慮實(shí)驗(yàn)操作方便性，擬設(shè)計(jì)蒸發(fā)器環(huán)境模擬室尺寸為3000×2500×2500mm，外殼采用彩鋼板制作導(dǎo)熱系數(shù)λ=58.2W/m·K，中間使用添加防火劑的聚氨酯泡沫保溫介質(zhì)，密度ρ=40kg/m3，在模擬室底部布置36塊墊木，木頭導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.15W/m·K。模擬室對(duì)選配制冷機(jī)組設(shè)計(jì)計(jì)算選取不利工況。采用照明功率為N的熒光燈，散熱量為Q2=n1，n2N，n1為鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)1.2。N為照明燈具所需功率kW。蒸發(fā)器模擬室選用功率36W熒光燈。實(shí)驗(yàn)室要求模擬室溫在半小時(shí)內(nèi)達(dá)到要求溫度，計(jì)算模擬室空氣蓄熱量Q=Cpm△t/τ，△t為空氣溫度變化值℃；Cp為空氣比熱容J/kg·k；蒸發(fā)器環(huán)境模擬室負(fù)荷為3.075kW，冷凝器模擬室選取制冷量W2為3.5kW制冷機(jī)組。

冰箱換熱器熱量小，測(cè)量制冷劑液體流量對(duì)流量計(jì)精度要求高，設(shè)置輔助回路分流，流量可由主回路流量與輔助流量差值確定，制冷劑供氣系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、電磁閥等。制冷劑供液回路中設(shè)置流量傳感器，制冷劑流量通過流量傳感器數(shù)值比較獲得，蒸發(fā)器提供流量調(diào)節(jié)通過電子膨脹閥調(diào)整，壓感器用于測(cè)量冷凝壓力，溫感器測(cè)量冷凝器制冷劑進(jìn)出口溫度，蒸發(fā)器回路制冷劑節(jié)流前溫度。不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ角袚Q通過閥門完成。冷凝器測(cè)試回路不接入測(cè)試系統(tǒng)，電磁法關(guān)閉。蒸發(fā)器測(cè)試回路不接入測(cè)試系統(tǒng)。

2 冰箱換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為測(cè)試不同工況下冰箱換熱器性能，對(duì)換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化，包括控溫回路與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，改造后系統(tǒng)加入恒溫風(fēng)道，通過對(duì)冰箱用微通道在冷凝器不同質(zhì)量流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證改造系統(tǒng)穩(wěn)定性。兩相流熱交換器廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，換熱器高效利用非常重要。換熱性能影響制冷系統(tǒng)性能。提高換熱性能措施是提高換熱系數(shù)，受到質(zhì)量流量、熱流密度等各種因素影響。

換熱器幾何形狀等影響其換熱性能，通過對(duì)換熱性能影響因素分析實(shí)現(xiàn)換熱器設(shè)計(jì)。許多研究人員對(duì)換熱器進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)中制冷劑流量較大，開發(fā)小流量調(diào)節(jié)精確換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)非常重要?？蓪?duì)不同結(jié)構(gòu)換熱器性能進(jìn)行測(cè)試。原測(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)試回路，回路包括齒輪泵、蒸發(fā)加熱器，直流電加熱器、板式換熱器等。測(cè)試回路壓力通過儲(chǔ)液器制冷劑溫度控制，控溫回路包括冷凝器、控溫電加熱器?？販貕嚎s機(jī)前設(shè)置電加熱器。測(cè)試回路中電加熱器，將盲管放入制冷劑管路中。

測(cè)試回路與控溫回路同時(shí)運(yùn)行，測(cè)試回路與儲(chǔ)液器控溫回路同時(shí)運(yùn)行。驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性，流量可通過泵轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)故障時(shí)易出現(xiàn)局部加熱溫度過高，導(dǎo)致測(cè)試對(duì)時(shí)間要求較高。改造測(cè)試系統(tǒng)包括恒溫循環(huán)風(fēng)道等。冷凝器、壓縮機(jī)回氣加熱器為銅罐，避免控制系統(tǒng)故障持續(xù)加熱引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)利用流量噴嘴測(cè)量，選擇開啟不同噴嘴，在噴嘴前后安裝導(dǎo)流柵。

改造后系統(tǒng)測(cè)試蒸發(fā)器，根據(jù)需要設(shè)定內(nèi)部溫度，關(guān)閉MV1，開啟測(cè)試回路，通過PID控制調(diào)節(jié)換熱罐中加熱器功率。預(yù)熱器調(diào)節(jié)測(cè)試?yán)淠魅肟谥评鋭顟B(tài)，冷凝器出口液態(tài)制冷劑吸熱蒸發(fā)。對(duì)某工況進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)測(cè)試蒸發(fā)器入口制冷劑溫度，三次實(shí)驗(yàn)中制冷劑流量與壓力穩(wěn)定性良好。根據(jù)測(cè)試蒸發(fā)器生產(chǎn)商提供實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)測(cè)試蒸發(fā)器換熱量測(cè)試。由于系統(tǒng)內(nèi)潤滑油含量等因素，測(cè)試蒸發(fā)器換熱量偏差為0.9%。

3 家用電冰箱換熱器性能測(cè)試

電冰箱等家電廣泛用于日常生活中，為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制冷等功能需要在特定空間布置換熱部件。換熱器隨著產(chǎn)品更新其種類結(jié)構(gòu)不斷多樣化，當(dāng)前用戶關(guān)注產(chǎn)品綠色環(huán)保、安全可靠，對(duì)換熱器性能要求不斷提高。

如冰箱柜為提高制冷效果要求換熱器換熱效率高，要求換熱器體積小，管內(nèi)外側(cè)流動(dòng)阻力低。換熱器設(shè)計(jì)檢測(cè)中要關(guān)注材質(zhì)等外觀要求，了解流體阻力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。制定技術(shù)可行、保證產(chǎn)品性能的家用電冰箱換熱器性能行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常迫切。

表1 設(shè)備參數(shù)選取范圍

通過測(cè)試裝置獲得數(shù)據(jù)，可確定法換熱性能相關(guān)指標(biāo)值。如空氣側(cè)流體阻力等，測(cè)繪系統(tǒng)由風(fēng)洞系統(tǒng)、被測(cè)換熱器等組成，試件A為強(qiáng)制對(duì)流式換熱器；試件B為自然對(duì)流式換熱器。試件管內(nèi)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水。采用水代替制冷劑實(shí)驗(yàn)可縮短測(cè)試時(shí)間，換熱熱阻比制冷劑大。測(cè)控系統(tǒng)適用于試件AB任意換熱器測(cè)試，通過采集相關(guān)數(shù)據(jù)輸出換熱性能指標(biāo)按設(shè)備參數(shù)選取范圍確定參數(shù)組合，使空氣側(cè)測(cè)試參數(shù)達(dá)到規(guī)定取值。每次測(cè)量延續(xù)時(shí)間不少于30min。時(shí)間間隔不少于1min。

根據(jù)測(cè)試方法收集分析測(cè)試數(shù)據(jù)，提出換熱器換熱性能測(cè)試方法，家用電冰箱蒸發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容彌補(bǔ)現(xiàn)行家用電冰箱換熱器標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)空缺，為量化評(píng)價(jià)換熱器性能提供技術(shù)依據(jù)；試件管內(nèi)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水，可簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，便于測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確計(jì)算；針對(duì)不同結(jié)構(gòu)換熱器統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況，便于不同換熱器性能橫向比較。標(biāo)準(zhǔn)家用電冰箱換熱器性能測(cè)試方法制定對(duì)類似用途電氣換熱器相關(guān)行業(yè)具有指導(dǎo)意義，換熱性能試驗(yàn)方法對(duì)優(yōu)化產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)具有重要作用。通過實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)可推動(dòng)電冰箱換熱器性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，推動(dòng)電冰箱核心零部件工作發(fā)展，為我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供標(biāo)準(zhǔn)支撐。

選取某型號(hào)冰箱5種形式風(fēng)冷翅片換熱器樣件，氨強(qiáng)制對(duì)流式換熱器對(duì)比實(shí)驗(yàn)，工況設(shè)定為熱水進(jìn)口溫度54℃。分析樣件實(shí)驗(yàn)平衡比分布圖，僅2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)平衡臂絕對(duì)值大于3%。表明實(shí)驗(yàn)熱平衡較好。C光管蒸發(fā)器換熱量比A原始蒸發(fā)器低25%，B加密翅片蒸發(fā)器換熱量比A換熱量高1.7%～5.5%。D普通打圓孔翅片蒸發(fā)器比A換熱量降低0.13%～1.55%。5種換熱器空氣側(cè)壓降隨著迎風(fēng)速度增大。B的壓降比DEA高25%。通過研究家用電冰箱換熱器性能測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)換熱器獨(dú)立件實(shí)驗(yàn)，獲得換熱器真實(shí)性能參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充，為家用電冰箱性能提升提供技術(shù)基礎(chǔ)。