李成武，李　宇

( 海信容聲(廣東)冰箱有限公司，廣東 528300 )

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無(wú)霜冰箱翅片蒸發(fā)器換熱研究分析

李成武，李宇

( 海信容聲(廣東)冰箱有限公司，廣東 528300 )

[摘要]通過(guò)對(duì)無(wú)霜冰箱翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)理論的計(jì)算與實(shí)際的測(cè)試，對(duì)比兩者結(jié)果的數(shù)據(jù)差異，從而修正計(jì)算參數(shù)。通過(guò)理論計(jì)算數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，研究影響換熱系數(shù)的主要因素。

[關(guān)鍵詞]翅片蒸發(fā)器；換熱系數(shù)；理論計(jì)算；測(cè)試

0前言

目前對(duì)換熱的研究較多，但在實(shí)際使用中還是存在許多的問(wèn)題，尤其許多的研究都與實(shí)際應(yīng)用方面存在差異，研究的數(shù)據(jù)結(jié)果如何應(yīng)用也無(wú)法具體了解，同時(shí)由于制造工藝的發(fā)展，有一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不完全基于換熱系數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且基于制造成本與生產(chǎn)效率等方面。

采用斜排式翅片蒸發(fā)器具有生產(chǎn)簡(jiǎn)單、效率高、無(wú)焊接、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在目前的冰箱制造行業(yè)中大量采用，但這種蒸發(fā)器的換熱系數(shù)如何，研究的不多，同時(shí)還存在面對(duì)復(fù)雜的流體通風(fēng)系統(tǒng)，無(wú)霜冰箱的循環(huán)風(fēng)量等的變化對(duì)換熱的影響，實(shí)際換熱數(shù)據(jù)與理論計(jì)算分析的結(jié)果偏差與影響因素分析，以及如何通過(guò)對(duì)換熱數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，更有利于計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的應(yīng)用等問(wèn)題。

本論文主要是基于上述問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析研究，尋找出目前常規(guī)采用無(wú)霜冰箱翅片蒸發(fā)器的換熱系數(shù)確定方法。

1理論計(jì)算

目前針對(duì)翅片蒸發(fā)器的換熱系數(shù)計(jì)算有許多的經(jīng)驗(yàn)公式，本論文主要是按文獻(xiàn)[1]的方式進(jìn)行計(jì)算。

圖1　斜排翅片蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

理論計(jì)算的空氣參數(shù)與實(shí)際測(cè)試的空氣參數(shù)近似，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1空氣參數(shù)表

項(xiàng)目參數(shù)空氣溫度(℃)22空氣相對(duì)濕度(%)43運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)15.3×10-6導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K)0.0258

所研究的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖1。

相關(guān)蒸發(fā)器參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　蒸發(fā)器相關(guān)參數(shù)　單位：mm

由于蒸發(fā)器翅片間距不同，在理論計(jì)算中分別按照密片區(qū)與疏片區(qū)分別計(jì)算，最后根據(jù)所占面積的比例進(jìn)行綜合計(jì)算。

當(dāng)總風(fēng)量為60m3/h時(shí)，可以按公式(1)進(jìn)行計(jì)算[1]，計(jì)算出結(jié)果如表3。

表3蒸發(fā)器換熱理論計(jì)算數(shù)據(jù)

參數(shù)密片疏片翅片面積(m2)Ff0.2080.104管外表面積(m2)Fb0.02440.0247翅化系數(shù)β11.5586.404Ft0.23230.1287Amin/Af0.61730.6268速度(m/s)Vmin0.92590.9259Vmax1.26261.2626Wmax1.51.477管當(dāng)量直徑(mm)Deq7.94813.607雷諾系數(shù)Ref779.2161313.78其它系數(shù)K16.7346.394A0.23560.3866C0.27630.4039n0.56040.4922m-0.2177-0.1749換熱系數(shù)(W/m2·K)αB20.2818.97換熱面積(m2)1.07760.3344綜合換熱系數(shù)(W/m2·K)αT19.969交叉管換熱系數(shù)(W/m2·K)αS21.966

公式(1)：

(1)

式中：

K=H/Deq

A=0.518-0.02315·K+0.000425·K2

-0.000003·K3

C=A·(1.36-0.00024·Ref)

通過(guò)上述的計(jì)算，可以算出在不同的風(fēng)量下的換熱系數(shù)，在通風(fēng)循環(huán)風(fēng)量確定后，可以計(jì)算出在蒸發(fā)器最小風(fēng)速的影響下，此蒸發(fā)器的換熱系數(shù)隨風(fēng)速的變化曲線，如圖2。

圖2　翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)理論計(jì)算曲線

2實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

為測(cè)試蒸發(fā)器換熱系數(shù)，建立如圖3的測(cè)試裝置，通過(guò)風(fēng)洞改變不同的循環(huán)風(fēng)量，了解空氣流速對(duì)換熱系數(shù)的影響，通過(guò)加熱循環(huán)水建立溫度差，了解在合理的溫度差下盡量與冰箱制冷系統(tǒng)有相似的溫度差變化范圍，改變不同的溫度差，研究這溫度差對(duì)換熱的實(shí)際影響，從而分析不同壓縮機(jī)制冷量變化時(shí)產(chǎn)生的溫度差對(duì)換熱系數(shù)的影響。

蒸發(fā)器換熱系數(shù)測(cè)試原理圖如圖3。

圖3　翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)測(cè)試裝置1-加熱水箱；2-循環(huán)水泵；3-蒸發(fā)器保溫材料；4-被測(cè)蒸發(fā)器；5-風(fēng)洞裝置

在試驗(yàn)裝置中主要測(cè)試幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)：

(1)在蒸發(fā)器的進(jìn)口與出口進(jìn)行了溫度測(cè)試，通過(guò)溫度差與循環(huán)水的流量計(jì)算熱量變化。

(2)在蒸發(fā)器的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試溫度，通過(guò)溫度變化與循環(huán)風(fēng)量計(jì)算熱量的變化。

(3)環(huán)境循環(huán)風(fēng)的溫度與濕度測(cè)量，計(jì)算空氣的熱力參數(shù)，同時(shí)通過(guò)風(fēng)洞設(shè)備，測(cè)試風(fēng)量與蒸發(fā)器的阻力值。

(4)循環(huán)水的循環(huán)通過(guò)水泵進(jìn)行稱量，本次試驗(yàn)為25.617 g/s。

(5)加熱水箱溫度控制，主要是調(diào)節(jié)蒸發(fā)器進(jìn)水溫度與進(jìn)風(fēng)溫度差，了解不同溫度差對(duì)換熱系數(shù)的影響。

在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)對(duì)兩種熱量計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度差計(jì)算的熱量明顯小于通過(guò)對(duì)空氣溫度變化產(chǎn)生的熱量，通過(guò)分析原因，主要是由于蒸發(fā)器中的進(jìn)出管比較接近，在溫度差不大的情況下，容易由于翅片間的金屬導(dǎo)熱產(chǎn)生測(cè)試的誤差，而空氣的溫度則不受此因素的影響，因此在數(shù)據(jù)處理中主要是通過(guò)測(cè)試蒸發(fā)器進(jìn)出空氣的溫度差與循環(huán)風(fēng)的風(fēng)量進(jìn)行熱量計(jì)算。

在蒸發(fā)器進(jìn)水溫度與空氣進(jìn)口溫度的溫度差約為8.5℃的條件下，測(cè)試的結(jié)果如圖4。

圖4　翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)實(shí)際測(cè)試曲線

在同樣的環(huán)境下，改變蒸發(fā)器進(jìn)水溫度與空氣進(jìn)入的溫度差，測(cè)試的結(jié)果如圖5。

圖5　不同溫度差對(duì)換熱系數(shù)影響曲線

上述數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)蒸發(fā)管內(nèi)的溫度與空氣溫度的溫度差在變化時(shí)，對(duì)換熱系數(shù)的影響比較小，影響換熱系數(shù)的主要因素是流過(guò)蒸發(fā)器翅片的空氣速度。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，對(duì)不同的蒸發(fā)器分別進(jìn)行了換熱測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同蒸發(fā)器由于結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的換熱系數(shù)也不同，比較難于從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行尋找換熱系數(shù)的變化規(guī)律。

3數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)際的測(cè)試，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，將圖2與圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并后，結(jié)果如圖6。

圖6　翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)理論與實(shí)測(cè)對(duì)比

從圖6的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果相差并不大，但曲線的斜率不同，實(shí)際的結(jié)果顯示斜率要大于理論值，說(shuō)明實(shí)際中的換熱系數(shù)變化量高于理論的計(jì)算結(jié)果。

由于蒸發(fā)器的特殊性，尤其是翅片與蒸發(fā)管的接觸等不同特點(diǎn)，這種差異性是存在的，說(shuō)明所采用的理論計(jì)算公式的模型與目前的蒸發(fā)器之間存在差異。

另外，對(duì)于斜排蒸發(fā)器的結(jié)果是通過(guò)加大10%進(jìn)行計(jì)算，為更好地使采用理論公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的測(cè)試相符合，可以在原計(jì)算的結(jié)果上進(jìn)行斜率修改，如在公式(1)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，見(jiàn)公式(2)。

公式(2):

(2)

采用公式(2)后的理論計(jì)算結(jié)果為修正后的換熱系數(shù)。

分別對(duì)理論換熱系數(shù)、實(shí)際換熱系數(shù)、修正后的換熱系數(shù)進(jìn)行整合對(duì)比如圖7。

圖7　翅片蒸發(fā)器換熱系數(shù)修正后曲線對(duì)比

通過(guò)線性修正后，取消蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)差異10%的修正量，重新根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行修正，可以較好地利用目前的理論計(jì)算出蒸發(fā)器的換熱系數(shù)。

經(jīng)過(guò)修正后的曲線，可以得出相應(yīng)的擬合曲線方程，從而通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器的阻力與無(wú)霜冰箱的風(fēng)道阻力曲線[3]，較好地計(jì)算出蒸發(fā)器的換熱量。

由于試驗(yàn)是在加熱的環(huán)境下進(jìn)行，但實(shí)際冰箱是在低溫環(huán)境下進(jìn)行，在排除結(jié)霜對(duì)實(shí)際換熱影響的前提下，當(dāng)空氣溫度在-22℃時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算的結(jié)果偏差不大，但是通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算，低溫下的換熱系數(shù)比高溫下的換熱系數(shù)會(huì)高于4%[2]，這數(shù)據(jù)對(duì)于蒸發(fā)器的大體上影響并不大。

通過(guò)對(duì)其它不同結(jié)構(gòu)尺寸的蒸發(fā)器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果也顯示出理論計(jì)算與實(shí)際的一致性。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器理論的計(jì)算與實(shí)際的測(cè)試，了解兩組數(shù)據(jù)間的差異，通過(guò)對(duì)理論數(shù)據(jù)的修正，可以通過(guò)新的計(jì)算公式對(duì)目前特殊蒸發(fā)器換熱系數(shù)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的計(jì)算，同時(shí)通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器的實(shí)際測(cè)試，可以看出蒸發(fā)器的風(fēng)速對(duì)換熱系數(shù)的影響較大，而不同溫度差對(duì)換熱系數(shù)的影響較小。

5參考文獻(xiàn)

[1] 張祉佑.制冷原理與設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986

[2] J.P.Holman.傳熱學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

[3] 李成武.無(wú)霜冰箱翅片蒸發(fā)器通風(fēng)阻力研究[J].制冷，2013，32(3):1-6

The Convection Heat transfer of No-frost refrigerators′Fin-evaporator Research and Analytics

LI Chengwu，LI Yu

( Hisense Rongshen(Guangdong)Refrigerator Co.,Ltd.Guangdong 528300 )

Abstract：After theory calculation and actual test about no-frost refrigerators′fin-evaporator，analysis the different of data，and change the parameter of calculation.By the data of calculation，with the test data，research the key factor of effecting

Key words：Fin-evaporator；Convection heat transfer；Theory calculate；Test

收稿日期：2015-10-9

作者簡(jiǎn)介：李成武(1968-)，男，教授級(jí)高工，主要從事冰箱節(jié)能和性能優(yōu)化等研究。Email：Lichengwubx@hisense.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2016)01-011-05

中圖分類號(hào)：TM925.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.003