李成武

1 概述

目前無霜冰箱在國內(nèi)市場占有率加大，消費者對無霜冰箱的接受程度越來越高，也說明無霜冰箱的技術(shù)得到較大的進步，尤其在控制、性能與可靠性等方面取得較大的進步，對比以前的無霜冰箱主要存在能耗大、噪音大，食物容易風干等問題也得到較大的改進。作為對無霜冰箱的研究，尤其在許多的關(guān)鍵零部件方面的性能研究，目前還不是非常充分，例如在翅片蒸發(fā)器方面，主要是關(guān)注換熱系數(shù)與換熱面積，而對于通風的阻力研究還存在許多不足，這也與許多的研究工具或研究基礎(chǔ)條件不足有關(guān)。雖然目前大量采用計算機進行CAE模擬計算，但它的結(jié)果也需要通過實際的測試進行修正，另外這種工具只是對單件進行輔助設(shè)計分析，對于快速計算與動態(tài)仿真分析還是有不方便的地方。綜合上述問題的分析，本論文主要是通過對翅片蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點進行分析，在基于蒸發(fā)器的生產(chǎn)工藝與設(shè)計變化的特點，研究影響蒸發(fā)器阻力的關(guān)鍵因素，確定建立分析計算的數(shù)學模型，結(jié)合許多的通風經(jīng)驗數(shù)據(jù)，計算出蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的變化與通風阻力變化之間的關(guān)系式，并通過風洞試驗設(shè)備的測試數(shù)據(jù)，對計算的結(jié)果進行檢驗與修正，從而為快速確定各種蒸發(fā)器的通風阻力計算，并為仿真分析系統(tǒng)提供計算方程，研究如何提高無霜冰箱的性能，以及降低噪音等。

圖1 斜排翅片蒸發(fā)器的正面圖

2 蒸發(fā)器計算模型設(shè)計

對于翅片蒸發(fā)器的模型建立，首先要了解蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特點，如圖1與圖2為蒸發(fā)器的整體結(jié)構(gòu)。

從圖1中可以見到上部的翅片間距小，距離為5mm，下部間距為10mm，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計適合無霜冰箱的結(jié)霜特點:下部結(jié)霜量大，容易堵塞蒸發(fā)器的翅片間距，加大下部的距離可以改善蒸發(fā)器的換熱效果。這種翅片間距的設(shè)計對于批量生產(chǎn)有利，可以提高生產(chǎn)效率;翅片為整體翅片，鋁管為整體鋁管，中間無需焊接，質(zhì)量的可靠性更高。但是由于鋁管與翅片間的傳熱效果差一點，但可以通過加大鋁管的表面積得到補償。

從圖2中可以看到鋁管的高度間距為19mm，斜排式設(shè)計，翅片的深度尺寸為60mm。在實際的應(yīng)用中，蒸發(fā)器兩端因為無翅片，一般都進行密封，阻止空氣流過。這樣對于設(shè)計來說，主要通風是在有翅片的蒸發(fā)器中間位置，所以在圖1中尺寸為L為計算通風的主要參數(shù)。

針對蒸發(fā)器的這種結(jié)構(gòu)，可以將蒸發(fā)器分為5mm間距和10mm間距的空間模型，將蒸發(fā)器劃分為小格后，建立計算模型如圖3和圖4。

對于一般翅片蒸發(fā)器的尺寸，其參數(shù)可參見表1中的數(shù)據(jù)。

圖2 斜排翅片蒸發(fā)器的側(cè)視局部圖

圖3 蒸發(fā)器阻力計算模型

圖4 蒸發(fā)器通風空間模型

表1 蒸發(fā)器的尺寸參數(shù)單位:mm

在建立計算模型后，計算出每兩管間的阻力值，對于不同管排計算，分別對應(yīng)于不同的密片管與疏片管的阻力，這樣在不同蒸發(fā)器中對應(yīng)的是除管排數(shù)不同外，差別關(guān)鍵在于密片的管排數(shù)與疏片的管排數(shù)。

3 蒸發(fā)器阻力計算

通過上面計算模型的建立，針對圖3中的模型結(jié)構(gòu)，在計算阻力值時分別按照直線段阻力計算與局部阻力計算，這兩種阻力計算分別按照下面的系列公式進行:

3.1 直線段阻力和局部阻力計算公式

上述各式中符號意義:

R—直線段阻力系數(shù)，Pa/m;

P1—直線段阻力值，Pa;

P2—局部阻力值，Pa;

λ—摩擦阻力系數(shù);

ρ—空氣密度，kg/m3;

v1—無管處翅片流速，m/s;

v2—管間處翅片流速，m/s;

D—當量管直徑，m;

ν—空氣粘度系數(shù)，m2/s;

Re—雷諾數(shù);

ξ—局部阻力系數(shù)

在上述的計算公式中，(6)主要是進行局部阻力計算，而其它公式則進行直線段阻力計算。分析目前無霜冰箱的通風量大小，初步計算出雷諾數(shù)不超過1000，因此可以判定流過蒸發(fā)器翅片中的流體為層流狀態(tài)，可以選用摩擦阻力系數(shù)的計算公式(4)，而(6)中的流速v2主要是根據(jù)蒸發(fā)器尺寸數(shù)據(jù)c與a之間的變化影響。對于局部阻力系數(shù)目前并沒有準確的參數(shù)，但針對于此類蒸發(fā)器的特點以及模型建立的特點，最后修正此參數(shù)，本論文的重點也主要是如何確定局部阻力系數(shù)值。

由于蒸發(fā)器在實際的過程中是一個非常復雜的狀態(tài)，通過的空氣為濕度較大的低溫空氣，它的參數(shù)是一個不穩(wěn)態(tài)的過程，但為便于研究與對比分析，計算是在常溫的狀態(tài)下進行，也便于與風洞設(shè)備的測試參數(shù)一致。

3.2 蒸發(fā)器模型阻力計算實例

計算時按空氣溫度在20℃的環(huán)境下進行測試，因此空氣的粘度系數(shù)ν為16×10－6，空氣的密度ρ為1.2 kg/m3，通過改變流過蒸發(fā)器的不同速度，也就是說當流過蒸發(fā)器(V1)的速度不同時，產(chǎn)生的雷諾數(shù)也不同，按公式(2)進行計算，可以得出圖5的曲線。

通過公式(4)，可以由雷諾數(shù)大約求出摩擦阻力系數(shù)與蒸發(fā)器流速(V1)之間的關(guān)系。如圖6。

圖5 雷諾數(shù)與蒸發(fā)器流速的關(guān)系

圖6 摩擦阻力系數(shù)與蒸發(fā)器流速的關(guān)系

根據(jù)圖3的模型，可以通過公式(6)計算出蒸發(fā)管局部阻力變化關(guān)系曲線，式中的局部阻力系數(shù)ξ是一個關(guān)鍵的參數(shù)，無法采用理論計算出來，本文是通過參考文獻建立縮口與擴口類似模型計算，得出一個初步值約為0.32，最后通過與實際測量的結(jié)果對比進行修正。

通過圖4的模型，可以將蒸發(fā)器分別建立密片與疏片的模型方式，通過公式(1)和(5)系列計算公式，分別計算出單排管模型的阻力變化關(guān)系曲線。

通過系列計算后，單排管段(密片)阻力與速度的關(guān)系，如圖7。

同樣，可以計算出單排管(疏片)蒸發(fā)器阻力與流速的關(guān)系，如圖8。

圖7 單排管(密片)阻力與流速的關(guān)系

圖8 單排管(疏片)阻力與流速的關(guān)系

在分別計算出蒸發(fā)器單排管的阻力與流速的變化關(guān)系后，可以針對不同的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)計算出整體蒸發(fā)器的阻力與流速的關(guān)系。

3.3 蒸發(fā)器整體阻力計算

其中:

n1—密片管排數(shù)

n2—疏片管排數(shù)

P1，P'1—單排管直線段阻力

P2，P'2—單排管局部阻力

另外可以通過曲線求出各阻力的曲線方程。如:

(1)對于密片管總阻力，曲線方程為:

y=0.39x2+0.137x

(2)對于疏片管總阻力，曲線方程為:

y=0.39x2+0.039x

對于完整蒸發(fā)器，總的方程也可以表示為:

式中的V1為空氣流過蒸發(fā)器的速度，但對于一般的設(shè)計來說，主要是考慮到通過蒸發(fā)器的通風量，在這一點上，通風量與流速主要是與蒸發(fā)器的寬度L和深度a尺寸相關(guān)，可以通過轉(zhuǎn)化計算出關(guān)系式。由于本模型主要是基于a為60mm尺寸的蒸發(fā)器設(shè)計，所以公式(8)也可用風量Q與蒸發(fā)器寬度L來表示，如公式(9)。

從公式(9)可以看出，蒸發(fā)器的阻力主要與風量的變化、蒸發(fā)器的寬度、密片管排的數(shù)量及疏片管排的數(shù)量有關(guān)。

4 阻力測試及對比分析

由于在阻力的計算中有許多的經(jīng)驗數(shù)據(jù)是否準確會影響到計算結(jié)果的精度，特別是局部阻力系數(shù)是通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行選擇，它的準確程度會影響計算的結(jié)果與實際的偏差，正因為如此，通過風洞試驗測試設(shè)備對不同蒸發(fā)器進行阻力測試，對比兩者的結(jié)果，并進行修正，可以較好地整理出此類蒸發(fā)器阻力的計算值。

圖9為蒸發(fā)器3的實物圖。

三種蒸發(fā)器的阻力測試結(jié)果如圖10。

具體測試數(shù)據(jù)如表3。

表2 三種蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)特征

圖9 蒸發(fā)器3的實圖

圖10 三種蒸發(fā)器阻力與風量的關(guān)系

表3 三種蒸發(fā)器的阻力測試數(shù)據(jù)

通過上述模型計算的結(jié)果，可以與實際測試的三種蒸發(fā)器的阻力測試值進行分別對比。為更準確對比兩組數(shù)據(jù)，對實際測試的結(jié)果曲線找出曲線方程，更方便與計算的結(jié)果進行對比，對比結(jié)果分別如圖11，圖12，圖13。

通過對局部阻力系數(shù)ξ的修正，本文選定為0.35后，經(jīng)過理論計算后與實際測試的結(jié)果比較一致，說明計算的方向是正確的，計算的結(jié)果可以應(yīng)用。

圖11 蒸發(fā)器1的計算結(jié)果與實際測試結(jié)果對比

圖12 蒸發(fā)器2的計算結(jié)果與實際測試結(jié)果對比

圖13 蒸發(fā)器3的計算結(jié)果與實際測試結(jié)果對比

經(jīng)過上面的對比研究，發(fā)現(xiàn)在實際的測量中L的準確度對結(jié)果的影響比較大，同時蒸發(fā)器兩側(cè)的密封性也會影響到測試結(jié)果的偏差，在經(jīng)過更多不同尺寸的蒸發(fā)器測試對比后，總的偏差并不大。

從蒸發(fā)器阻力的計算公式中可以發(fā)現(xiàn)，只需要了解蒸發(fā)器的幾個關(guān)鍵尺寸后，可以計算出不同風量下的蒸發(fā)器阻力，有了這種簡單的計算方式后，可以用軟件仿真出無霜冰箱的風道阻力與風扇性能參數(shù)的匹配，從而可以找出冰箱的工作點。當然這種方式對于冰箱在實際工況下有很大的不同，如空氣的參數(shù)不同，冰箱的結(jié)霜狀態(tài)不同等，但對于對比分析不同風道系統(tǒng)的好壞是可行的。

5 結(jié)論

通過對翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的研究，建立簡易計算模型，并基于蒸發(fā)器的設(shè)計變化方式，有利于蒸發(fā)器的規(guī)格在實際使用中的變化，通過一些固定的尺寸，在可變的結(jié)構(gòu)方面進行模型建立，如蒸發(fā)器的寬度、不同翅片的高度等，通過計算后的方程可以較快地分析出新蒸發(fā)器的阻力值隨風量變化的情況。

通過與實際產(chǎn)品經(jīng)風洞測試設(shè)備對比后，可以對模型計算的結(jié)果進行較好的修正，關(guān)鍵是局部阻力系數(shù)的修正與確定，使理論計算結(jié)果與實際測試結(jié)果較好地接近。

通過理論計算與實際測試結(jié)果的對比，在風量不大的情況下，兩者的結(jié)果偏差比較小，說明理論計算的模塊化可以對同類型的蒸發(fā)器進行分析，尤其與制冷系統(tǒng)的仿真分析結(jié)合后，可以更好地動態(tài)研究無霜冰箱的風道阻力與風量的變化，從而更好地研究無霜冰箱的性能。

*:本論文所使用的風洞試驗設(shè)備得到國家技術(shù)中心能力建設(shè)資金贊助

［1］陳沛霖，岳孝方.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊［M］．上海:同濟大學出版社，1990，7