崔培培 魏邦福 尚殿波 馬長州

合肥美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

冰箱行業(yè)，VIP板的使用越來越受到重視。一方面，GB 12021.2-2015標準強制性能效國家標準正式發(fā)布，一級能效指數(shù)水平由原標準的40%提升至25%，冰箱行業(yè)市場準入門檻提高，而聚氨酯發(fā)泡材料VIP板是一種更高效的保溫節(jié)能材料，可為冰箱節(jié)能提供直接的提升效果；另一方面，目前高地價，高房價“新常態(tài)”，“新常態(tài)”下的冰箱設(shè)計需要更高的容積率，VIP板的使用可直接提升冰箱箱體的容積率。行業(yè)內(nèi)面臨著新能效標準實施及產(chǎn)業(yè)外圍環(huán)境相關(guān)政策的變化，給冰箱產(chǎn)品設(shè)計要求提出新的挑戰(zhàn)。但如何在冰箱上快速、準確、合理、有效的發(fā)揮VIP板的效果，對冰箱設(shè)計起著關(guān)鍵作用。目前，對絕大多數(shù)冰箱企業(yè)，對“VIP板+保溫層”的優(yōu)化技術(shù)研究以實驗為主，多數(shù)還是依靠經(jīng)驗進行總結(jié)，不具有普遍性。這種靜態(tài)的設(shè)計方法無法分析與研究設(shè)計的合理性與經(jīng)濟性，對于產(chǎn)品的開發(fā)而言，無法提前對產(chǎn)品進行理論分析，不知是否處于最佳優(yōu)化狀態(tài)，尤其設(shè)計質(zhì)量的好壞完全依賴于最后各種試驗的檢驗結(jié)果，造成開發(fā)產(chǎn)品風(fēng)險大、成功率低、成本較高，因此，這種設(shè)計方法已經(jīng)不太適應(yīng)快速變化的冰箱制冷時代。

本文利用傳熱學(xué)理論和工程經(jīng)驗公式對聚氨酯和VIP板兩種保溫材料組成的復(fù)合二維傳熱進行分析，通過熱流傳感器測試修正，并制作樣機，進行能耗驗證，建立帶VIP板的冰箱熱負荷傳熱模型。該仿真模型的建立，對提高VIP板在冰箱上生產(chǎn)和應(yīng)用水平具有一定的指導(dǎo)意義。

2 熱負荷模型建立

2.1 冰箱熱負荷傳熱分析

冰箱熱負荷在冰箱設(shè)計中是一個重要參數(shù)，它是冰箱制冷系統(tǒng)設(shè)計包括蒸發(fā)器、冷凝器設(shè)計和壓縮機選配的設(shè)計參數(shù)。熱負荷與冰箱的箱體結(jié)構(gòu)、冰箱的內(nèi)容積，箱體絕熱層的厚度和絕熱材料的優(yōu)劣等因素有關(guān)。

冰箱的漏熱主要包括：箱體泄漏熱量（Q1）、開門漏熱量（Q2）、貯物熱量（Q3）和其他熱量（Q4）。而箱體泄漏熱量（Q1）包括：箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過箱門和門封條的漏熱量Qb，箱體結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量Qc。箱體漏熱量Q1是箱體設(shè)計中最關(guān)鍵的計算部分，其他均按箱體泄漏熱負荷給出余量。

對于冰箱箱體結(jié)構(gòu)部件的漏熱量Qc部分，箱體內(nèi)外殼體之間支撐方法不同，Qc值也不同，因此同樣也不易通過公式計算。一般可取Qc值為Qa值的3%左右。目前采用聚氨酯發(fā)泡成型隔熱結(jié)構(gòu)的箱體，無支撐架形成的冷橋，因此Qc值可不計算，本文傳熱模型亦忽略此部位的漏熱量。

冰箱箱體漏熱量包括通過箱體隔熱層的漏熱量Qa，通過箱門和門封條的漏熱量Qb，和通過箱體結(jié)構(gòu)形成熱橋的漏熱量Qc。即：

理論上，一般冰箱箱體每個面可按一維平壁傳熱：Q=K×S×Δt，其中1/K=d/λ+1/αo+1/αi，如圖1所示。

箱體隔熱層的漏熱量Qa，由于箱體外殼鋼板很薄，而其熱導(dǎo)率λ值很大，所以熱阻很小，可忽略不計。目前冰箱內(nèi)殼多用ABS或HIPS塑料板真空成形，最薄的四周部位只有1.0mm。塑料熱阻較大，可將其厚度一起計入隔熱層，因此箱體的傳熱可視為單層平壁的傳熱過程。即：

Qa=KA（T1-T2）

式中：A-箱體外表面，單位為m2；

K-傳熱系數(shù) (單位為W／(m2?K)) 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W／(m2?K)；

圖1 一維平壁傳熱過程示意圖

圖2 帶VIP板的保溫層傳熱圖

式中：

αi——內(nèi)箱壁表面對箱為箱內(nèi)表面的空氣表面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

αo——箱外空氣對箱體外表面的內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W／(m2?K)；

δ——聚氨酯發(fā)泡層厚度，單位為m；

λ——聚氨酯發(fā)泡層導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／(m?K)。

2.2 帶VIP冰箱面?zhèn)鳠崮Ｐ头治?/h3>

對于VIP板在冰箱中的使用，主要貼合至冰箱外殼內(nèi)部，經(jīng)聚氨酯發(fā)泡形成“VIP+聚氨酯”兩種保溫材料的復(fù)合二維平壁。增加VIP板的面積，在冰箱正常穩(wěn)定制冷狀態(tài)下，一方面其冰箱保溫層厚度與冰箱尺寸比例大于1；另一方面聚氨酯和VIP板兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)差別較大，故可將兩種保溫材料的復(fù)合平壁傳熱模型看成復(fù)合平壁的二維穩(wěn)態(tài)傳熱，如圖2。

2.2.1 二維穩(wěn)態(tài)傳熱模型修正

VIP板的有效導(dǎo)熱系數(shù)，與發(fā)泡層導(dǎo)熱系數(shù)差距較大，二者疊加后存在二維傳熱變化及接觸傳熱，總熱阻的計算與實際情況有偏差，需將計算結(jié)果乘以由實驗確定的修正系數(shù)，借助工程經(jīng)驗進行修正，如表1，VIP板導(dǎo)熱系數(shù)/聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)比約為0.1，即λ2/λ1=0.1，故修正系數(shù)φ=0.86。

2.2.2 VIP有效導(dǎo)熱系數(shù)修正模型

聚氨酯發(fā)泡材料相比VIP板其結(jié)構(gòu)單一質(zhì)地均勻，屬于各向同性材料。而VIP板則完全不同，它是一個結(jié)構(gòu)性的復(fù)合體，主要由三部分組成，包括外部的薄膜阻隔袋、內(nèi)部的芯材和吸氣劑，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，屬于各向異性材料。VIP板的熱橋效應(yīng)和綜合導(dǎo)熱系數(shù)不同于常規(guī)的絕熱材料，因其結(jié)構(gòu)性整體上為非勻質(zhì)材料，其表面隔膜的熱導(dǎo)率很大，與內(nèi)部芯材的熱導(dǎo)率相比，一般可相差兩個數(shù)量級甚至更大，因此部分熱量會經(jīng)過封口邊緣經(jīng)阻隔袋直接由熱端傳向冷端，在VIP封口邊緣形成熱橋，造成熱量流失，VIP板的邊角位置的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于其中心導(dǎo)熱系數(shù)，熱橋效應(yīng)明顯。邊界的導(dǎo)熱系數(shù)遠大于隔熱板的導(dǎo)熱系數(shù)。這在冰箱的實際應(yīng)用中我們應(yīng)該給予考慮。國內(nèi)外對熱橋效應(yīng)的研究亦較多，本文參考溫永剛等[3]建立的熱橋效應(yīng)擴展模型。產(chǎn)生邊界效應(yīng)的主要原因是由層疊塑料膜中鋁層所引起。鋁層的導(dǎo)熱系數(shù)較大，鋁層越厚，隔熱板的尺寸越小，則真空隔熱板邊界熱損失率越大。因此，使用中必須根據(jù)絕熱板的尺寸大小選定鋁層厚度，在結(jié)構(gòu)允許情況下盡可能減少鋁層厚度并增加隔熱板尺寸，以減少真空隔熱板熱損失率。因此VIP板實際的有效導(dǎo)熱系數(shù)大于中心點測試的導(dǎo)熱系數(shù)。具體影響參數(shù)如下：芯材厚度、導(dǎo)熱系數(shù)、阻隔膜導(dǎo)熱系數(shù)、阻隔膜厚度、VIP尺寸。有文獻擬合VIP整體有效導(dǎo)熱系數(shù)計算公式：

表1 二維穩(wěn)態(tài)傳熱修正系數(shù)表查詢表

圖3 VIP板熱橋效應(yīng)示意圖

圖4 薄膜熱流計測試冰箱示意圖

圖5 薄膜熱流計測試冰箱復(fù)合平壁熱流密度

圖6 45mm厚復(fù)合平壁理論傳熱系數(shù)與實際傳熱系數(shù)對比圖

表2 某冷藏冷凍箱原型機和增加VIP板后熱負荷模型

式中：λeff——使用的VIP板的有效導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／(m?K)；

λcop——VIP板廠家宣稱的VIP板中心導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／(m?K)；

Ip——使用的VIP板周長，單位為m；

Sp——使用的VIP板面積，單位為m2。

2.2.3 帶VIP板傳熱模型建立

冰箱單面增加VIP板后，主要考慮二維復(fù)合傳熱和VIP板邊界效應(yīng)影響，單面使用VIP板：

式中：A為冰箱使用VIP板面的總面積，A1為VIP板使用面積；

αi——內(nèi)箱壁表面對箱為箱內(nèi)表面的空氣表面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

αo——箱外空氣對箱體外表面的內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，單位為W／(m2?K)；

δ——冰箱保溫層總厚度，單位為m，其中δ=δ1+δ2；

δ1——聚氨酯隔熱層厚度，單位為m；

δ2——VIP板厚度，單位為m；

λ1——聚氨酯熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W／(m?K)；

λ2——使用的VIP有效導(dǎo)熱系數(shù)，即上文的λeff，單位為W／(m?K)；

φ——二維復(fù)合導(dǎo)熱系數(shù)修正；

箱體各面的漏熱等于冰箱各面漏熱之和。

3 實驗修正

3.1 門封漏熱量Qb

通過箱門與門封條進入的漏熱量Qb，采用反向熱負荷的方法，即通過箱體外表面貼薄膜熱流計，箱體內(nèi)加熱的方法測得，門封漏熱=箱體總熱負荷減號各面熱流量。

通過反向熱負荷門封漏熱按單位長度擬合：

Qb=klΔt

式中：k——門封漏熱系數(shù)，單位為W／(m?K)；

l——門封長度，單位為W／(m?K)。

3.2 VIP板實際使用修正

為保證VIP板使用模型的準確性，理論模型計算增加VIP板部分熱流密度，與實際箱體使用VIP板面熱流密度做對比。即制作冰箱箱體精確定位VIP板在箱體面的位置，冰箱正常制冷保證箱體內(nèi)外具有一定溫差。通過將需要分析的冰箱面劃分區(qū)域，冰箱表面布置薄膜熱流計測試修正冰箱整個面熱負荷。

通過上述實驗，對冰箱使用VIP板的熱負荷仿真模型進行修正，針對陰陽膜VIP板，VIP板厚度在d=8～15mm范圍內(nèi)，VIP板邊界效應(yīng)影響根據(jù)整體尺寸使用的不同存在2～3d的影響。即直接在二維復(fù)合平壁傳熱模型中將使用VIP板的尺寸減小，如表2，某冷藏冷凍箱原型機和增加VIP板后熱負荷模型。

表3 樣機VIP板的使用情況

表4 BCD-560W VIP板樣機耗電量測試與仿真模型預(yù)測結(jié)果

表5 BCD-650W VIP板樣機耗電量測試與仿真模型預(yù)測結(jié)果

4 樣機實驗驗證

通過冰箱各部分漏熱模型分析和實驗修正后的仿真模型對實際冰箱使用VIP板效果進行驗證。本文以公司BCD-560W對開門和BCD-650W兩個載體各制作2臺VIP板樣機，如表3為兩個產(chǎn)品的樣機使用VIP板的情況。

依據(jù)GB 12021.2-2015能耗測試方法進行測試，考慮影響冰箱耗電量的因素較多，特別是風(fēng)冷冰箱，故僅比較穩(wěn)定狀態(tài)下的穩(wěn)定耗電量，同時為避免系統(tǒng)效率影響穩(wěn)態(tài)耗電量結(jié)果，實驗中，通過在小范圍內(nèi)調(diào)整變頻壓縮機轉(zhuǎn)速以減小原型機與增加VIP板后制冷系統(tǒng)循環(huán)效率的差異。如表4和表5兩款冰箱使用VIP板耗電量測試驗證結(jié)果，560W VIP板樣機實驗測試耗電量結(jié)果與仿真模型預(yù)測結(jié)果誤差均在2%以內(nèi)，650W VIP板樣機實驗測試耗電量結(jié)果與仿真模型預(yù)測結(jié)果誤差均在6%以內(nèi)。從兩款冰箱樣機測試結(jié)果可以推斷，仿真模型預(yù)測熱負荷結(jié)果與實際熱負荷可控制在6%以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文利用傳熱學(xué)理論和工程經(jīng)驗公式對聚氨酯和VIP板兩種保溫材料組成的復(fù)合二維傳熱進行分析，通過熱流傳感器測試修正，并制作樣機進行耗電量測試，驗證了熱負荷仿真模型的準確性。該熱負荷仿真模型一方面可用于預(yù)測目前載體上使用VIP板的效果和VIP板使用性價比；另一方面可用于公司新產(chǎn)品開發(fā)性價比預(yù)測，特別是薄壁冰箱的性價比預(yù)測。對公司冰箱設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)用能起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué). 北京：高等教育出版社（第四版），2006.

[2] 章熙民，任澤霈. 傳熱學(xué). 北京：高等教育出版社（第四版），2002.

[3] 溫永剛，王先榮，陳光奇等. 真空絕熱板VIP熱橋效應(yīng)分析[J]. 2009全國低溫工程大會,2009.

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