低溫工況環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

段玉晴，陳清華,,，王建剛，王建業(yè)

（1.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，淮南 232001； 2.廣東立佳實(shí)業(yè)有限公司，東莞 523000；3.陜汽淮南專用汽車有限公司博士后工作站，淮南 232033）

引言

制造、電子、食品加工、包裝等行業(yè)在產(chǎn)品投放市場(chǎng)前，通過(guò)壓力、溫度、濕度的變化進(jìn)行氣候相關(guān)的環(huán)境測(cè)試，以及機(jī)械環(huán)境測(cè)試，以評(píng)估產(chǎn)品在各種條件下的可靠性和質(zhì)量。這些測(cè)試是確保產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段，以避免造成成本和聲譽(yù)的損失。低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)提供試驗(yàn)所需的低溫環(huán)境，具體的試驗(yàn)溫度由操作人員通過(guò)系統(tǒng)的前控制面板設(shè)定。如圖1所示為低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，空氣通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)在試驗(yàn)腔、蒸發(fā)器和電加熱絲間不斷循環(huán)。

圖1 低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中蒸發(fā)器是低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成部分，環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)通常采用大套片式翅片管式換熱蒸發(fā)器，制冷劑靠壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓頭在管內(nèi)流動(dòng)。這種大套片式換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較為低廉且換熱效果好，所以得到廣泛應(yīng)用[1]。在低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際使用中翅片管換熱器通常會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，考慮各種因素?fù)Q熱器結(jié)霜面積一般占換熱總面積的60～85 %。結(jié)霜增加了翅片與空氣間傳熱熱阻，同時(shí)霜層過(guò)厚會(huì)降低翅片間的距離，加大空氣流動(dòng)阻力增加傳熱熱阻，降低了制冷系統(tǒng)的制冷量，致使系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)計(jì)的制冷效果[2-6]。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的相關(guān)產(chǎn)品，提出低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)理論。開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品的計(jì)算軟件為低溫工況蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算提供一些參考。

1 箱體絕熱層厚度及制冷負(fù)荷計(jì)算

1.1 工作室箱體絕熱層厚度的確定

制冷工質(zhì)的目的是通過(guò)制冷循環(huán)將所需致冷介質(zhì)的熱量從該介質(zhì)引出，降低目標(biāo)介質(zhì)的溫度。對(duì)人工制造的低溫環(huán)境，應(yīng)盡量減少周圍環(huán)境的熱量流入量，提高制冷效果。采取合理的絕熱措施可以有效的減少冷量的損失。

對(duì)于低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)溫度要求不低于-100 ℃時(shí)，通常的絕熱方法是采用聚胺脂泡沫整體填充，絕熱層厚度計(jì)算的原則是保證絕熱層外表面的溫度不低于當(dāng)?shù)貤l件下的露點(diǎn)溫度，保證外表面不凝露。由于其單位制冷量的設(shè)備費(fèi)用高，適當(dāng)?shù)脑黾咏^熱層厚度的辦法可以減少冷損失，降低使用成本。依據(jù)防止表面結(jié)露原則，計(jì)算絕熱層厚度的公式：

式中：

δ—絕熱層厚度，m；

λ—絕熱材料的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；

α—絕熱層外表面的對(duì)流換系數(shù)，W·m-2·K-1；

tf—絕熱物體的溫度，K；

ta—周圍環(huán)境的空氣溫度，K；

tw—絕熱層外表溫度，K。

1.2 制冷系統(tǒng)負(fù)荷的確定

對(duì)于低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)，計(jì)算制冷量一般只考慮其穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的制冷量。若系統(tǒng)需要迅速降溫，此時(shí)應(yīng)考慮設(shè)備腔體及殼體熱容量所消耗的冷量。根據(jù)實(shí)際的工況要求，取計(jì)算結(jié)果制冷量較大值加上設(shè)計(jì)負(fù)載為低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

低溫箱的穩(wěn)態(tài)冷負(fù)荷主要由以下幾個(gè)部分組成：

1）闈護(hù)結(jié)構(gòu)冷損失（平壁部分的）

式中：

A—接觸表面積，m2；

ΔT—箱體與環(huán)境溫差，K；

α1—內(nèi)壁表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

α2—外壁表面的對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δ—圍護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度，m；

λ—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1。

2）冷橋損失

不同環(huán)境試驗(yàn)箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不同，其冷橋的損失也有差別，通?？梢园磭o(hù)結(jié)構(gòu)冷損失的10%～15%考慮。

3）觀察窗冷損失

為方便觀察試驗(yàn)情況，低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)艙門設(shè)有多層玻璃的觀察窗，通常在零下幾十度的工況下觀察窗會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。為避免觀察窗結(jié)霜影響對(duì)試驗(yàn)狀況的觀察，在觀察窗玻璃架四周布置發(fā)熱線。加熱造成的冷損失為加熱功率wQ。

其穩(wěn)態(tài)冷負(fù)荷：

低溫環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷主要取決于技術(shù)要求的降溫速率，對(duì)于動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷主要來(lái)源包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的冷負(fù)荷以及試驗(yàn)箱體積內(nèi)的空氣冷負(fù)荷：

1）結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷

式中：

G1、G2、G3—試驗(yàn)箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的質(zhì)量，kg；

cp1、cp2、cp3—試驗(yàn)箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的比熱容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷卻箱體所用的時(shí)間，s；

ΔT1—降溫前后的溫差，K。

2）空氣的冷負(fù)荷

式中：

V1—試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)容積，m3；

ρ—空氣初始溫度下的密度，kg·m3；

cp—試驗(yàn)箱內(nèi)空氣的比熱容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷卻箱體所用的時(shí)間，s；

ΔT1—降溫前后的溫差，K。

其動(dòng)態(tài)冷負(fù)荷：

不同的降溫速率要求的制冷量不同，降溫速率越快其所要求的制冷量越大且降溫速率達(dá)到一定值后其所需制冷量會(huì)迅速增大。

2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)

制冷系統(tǒng)中，低溫高壓的制冷劑經(jīng)膨脹閥流入蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器的低壓銅管內(nèi)沸騰相變吸熱。翅片表面溫度迅速降低，低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度，過(guò)飽和水蒸氣在翅片表面析出露水，并在低溫的翅片表面產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。剛開始霜附著于翅片表面改變了其粗糙度，同時(shí)傳熱面積也有所增加，此時(shí)結(jié)霜對(duì)傳熱是有利的。但當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)霜層厚度不斷增加，翅片間距變小，氣體流動(dòng)的空氣阻力變大，同時(shí)霜層厚度方向熱阻影響大于增加傳熱面積和改變表面粗糙度的影響[7]。整體來(lái)說(shuō)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下蒸發(fā)器結(jié)霜對(duì)換熱是不利的。制冷劑在蒸發(fā)器的整個(gè)管程中其狀態(tài)不斷變化，傳熱過(guò)程十分復(fù)雜，為符合工程上的應(yīng)用，本文對(duì)實(shí)際的換熱過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化：

1）采用均勻相模型；

2）傳熱管壁僅考慮徑向?qū)幔?/p>

3）認(rèn)為制冷劑在蒸發(fā)器末端剛好形成飽和蒸汽[8]。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)：

式中：

Rf—污垢熱阻，m2·K·W-1；

δ1—銅管壁厚，m；

λ1—銅管導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

δ2—霜層的厚度，m；

λ1—霜層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

αi—空氣測(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

αf—翅片表面的當(dāng)量換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

ηf—翅片的總效率，無(wú)量綱。

2.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

蒸發(fā)器的翅片是用沖床加工出來(lái)的單個(gè)鋁制翅片按照一定的過(guò)盈量套裝在銅管上，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其銅管的排列方式有兩種，可設(shè)想為單個(gè)矩形或六邊形單管肋片通過(guò)順排或叉排管束組成如圖2所示，按式（8）、（9）計(jì)算肋片的當(dāng)量高度：

表1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 銅管的排列方式

矩形：

六邊形：

2.3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫箱內(nèi)的空氣流經(jīng)蒸發(fā)器與制冷劑迅速進(jìn)行熱交換，使其溫度低于露點(diǎn)。過(guò)飽和水蒸氣在翅片表面析出露水，并在低溫的翅片表面產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，其表面換熱系數(shù)如下：

其中

式中：

ω—空氣在管束最窄截面處流速，m·s-1；

υ—空氣的運(yùn)動(dòng)粘度，m2·s-1；

sc—翅片間距，m；

λ—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

H—翅片高度，m；

φ—紫銅管直徑，m。

管束排列方式和肋片近似幾何形狀的不同，影響著肋片管束外空氣側(cè)的換熱系數(shù)，其系數(shù)按表2查得。

表2 C、n系數(shù)表

肋片的主要作用是增加換熱量，為了得到肋片的實(shí)際散熱量，需要計(jì)算肋效率。因?yàn)槠淅咂问綖榈冉孛嬷崩?，則肋效率按下式計(jì)算：

式中：

λ3—翅片的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

αw—翅片表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δ3—翅片厚度，m；

H—翅片高度，m。

對(duì)于大套片式翅片蒸發(fā)器其翅片由整張鋁片在沖床上加工而成，所以整體的肋效率無(wú)法有效計(jì)算，可近似的認(rèn)為是由多個(gè)單肋片組成，需要計(jì)算翅片的總效率：

由設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件計(jì)算濕析系數(shù)ε，按對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱溫差θm。通過(guò)計(jì)算蒸發(fā)器所需的換熱面積得出蒸發(fā)器的計(jì)算管長(zhǎng)，公式如下：

式中：

Qs—低溫箱總制冷量，W；

k—蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

θm—對(duì)數(shù)平均溫差，K；

Af—每米銅管的表面積，m2。

2.4 設(shè)計(jì)案例

對(duì)于不同的低溫環(huán)境箱，其結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)要求不盡相同。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理針對(duì)最低制冷溫度-40 ℃系列的低溫環(huán)境試驗(yàn)箱設(shè)計(jì)專門的設(shè)計(jì)軟件。軟件的利用減少了人工的計(jì)算量并有效降低了計(jì)算錯(cuò)誤率。利用c#語(yǔ)言進(jìn)行編寫，軟件參數(shù)輸入界面如圖3所示。

圖3 參數(shù)輸入界面

現(xiàn)有低溫環(huán)境試驗(yàn)箱，其工作室空間為1 m3，要求環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，最低工作溫度為-40 ℃，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 整體設(shè)計(jì)圖

通過(guò)計(jì)算輸入蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，程序通過(guò)計(jì)算后輸出結(jié)果界面，如圖5所示。從計(jì)算結(jié)果中可以得知其熱物性參數(shù)結(jié)果和幾何形狀參數(shù)。

根據(jù)圖5的計(jì)算結(jié)果，考慮蒸發(fā)器計(jì)算管長(zhǎng)和箱體結(jié)構(gòu)，合理布置銅管列數(shù)，其中蒸發(fā)器寬度和長(zhǎng)度需要設(shè)計(jì)者來(lái)進(jìn)行選擇，完成后對(duì)參數(shù)進(jìn)行校核，驗(yàn)證實(shí)際的迎風(fēng)面積要大于程序計(jì)算出的理論迎風(fēng)面積，以保證設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器有一定富裕度。設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示。

表3 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5 輸出結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，利用T型熱電偶放置于箱體近出風(fēng)口處，得到降溫速率曲線如圖6。

圖6 降溫曲線

從圖6中可以看出降溫速率逐漸降低，因?yàn)閭鳠釡夭畹牟粩鄿p小制冷量降低。從30 ℃冷卻到-40 ℃用時(shí)約14 min，滿足設(shè)計(jì)要求且系統(tǒng)能耗匹配較優(yōu)。

3 總結(jié)

本文就低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的蒸發(fā)器設(shè)計(jì)展開研究，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提出在低溫工況下蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)過(guò)程。首先結(jié)合低溫環(huán)境箱的設(shè)計(jì)要求，確定所需制冷量，再根據(jù)制冷量計(jì)算蒸發(fā)器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)系統(tǒng)冷負(fù)荷。利用軟件編程簡(jiǎn)化人工的計(jì)算過(guò)程，結(jié)合實(shí)際使用環(huán)境計(jì)算并布局蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。

通過(guò)具體的產(chǎn)品展開研究，以工作室空間為1 m3，環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，最低工作溫度為-40 ℃的試驗(yàn)箱為例很好的滿足使用需求。軟件的應(yīng)用也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的過(guò)程，縮短了同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，為其它低溫工況的環(huán)境設(shè)備蒸發(fā)器設(shè)計(jì)提供參考。