冰箱用鼠籠式絲管冷凝器換熱性能的實驗研究

龔勤勤,黃東,唐學強,白連社,魏邦福

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安;2.合肥美菱股份有限公司, 230601, 合肥)

冰箱用鼠籠式絲管冷凝器換熱性能的實驗研究

龔勤勤1,黃東1,唐學強1,白連社2,魏邦福2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安;2.合肥美菱股份有限公司, 230601, 合肥)

基于鼠籠式絲管冷凝器周圍空氣溫度場的實驗研究結果,為優化空氣側流場和強化換熱,對冷凝器結構進行改進,即在冷凝器下游增設了外繞泡沫擋圈以增加通過徑向可有效換熱的空氣流量,同時在其上游最內圈設置泡沫堵芯以減少通過軸向基本不參與換熱的空氣流量。結構改進前后的實驗結果表明:通過對冷凝器結構的改進,冷凝器出口溫度降低約0.7 ℃,開機工作系數減小了2.02%,冰箱耗電量降低了2.37%。實驗數據還表明,外繞擋圈和泡沫堵芯能有效減少停機時從壓縮機倉和冷凝器下游向冷凝器出口所在的上游擴散的熱空氣量,有利于下次開機后冷凝器快速散熱和降溫。

鼠籠式絲管冷凝器;空氣溫度場;強化換熱

冷凝器作為冰箱的重要部件之一,其性能改進是家用冰箱節能研究的重點。絲管冷凝器由于其制造成本低,占據空間小等優點,在冰箱中經常被使用。以往傳統直冷冰箱和冷柜中所采用的絲管冷凝器多為自然對流換熱的外掛式絲管冷凝器或強制對流的內置板式絲管冷凝器。近幾年,隨著風冷冰箱的快速發展,企業設計和生產中對強制對流換熱的鼠籠式絲管冷凝器的使用量逐漸增大。

目前,學者們對絲管冷凝器的研究均集中于自然對流方式換熱的絲管冷凝器,對風冷冰箱所用鼠籠式絲管冷凝器的研究幾乎無從得到,且該冷凝器在冰箱實際應用中的性能改進也未有涉及。文獻[1]顯示,絲管冷凝器通過自然對流和輻射兩種方式換熱,其中自然對流換熱量占總換熱量的65%;文獻[2]表明,足夠的散熱空間(s>200mm)可以增加冷凝器向空氣散熱的驅動力;文獻[3]表明,絲管冷凝器的自然對流換熱空間在完全自由和擴大0.3 m時,其傳熱系數可分別提高14%和7%～9%;文獻[4]指出,冷凝器表面溫度分布與平均溫度水平取決于管內流體溫度,而管內流體流量影響較小;文獻[5]用化學試劑TiCl4對絲管冷凝器周圍空氣流動進行了可視化研究,結果表明絲管冷凝器的周圍空氣流動屬于混合流;文獻[6]利用真空法確定絲管冷凝器的系統黑度,并指出隨著單位管長鋼絲根數增加,系統黑度減小;文獻[7]針對絲管冷凝器的動態變化提出了一個分散式的瞬態模型,并指出該模型可以很好地預測冷凝器的動態變化,尤其是對于飽和段和過熱段的過渡區的變化;文獻[8]提出了一種考慮絲管的存在和空氣流向影響的空氣側對流傳熱系數計算的關聯式,并驗證得出數值分析結果和實驗結果的平均誤差為3.7%;文獻[9]為了將直冷冰箱中冷凝器和壓機表面輻射換熱對冰箱室內溫度的影響最小化,建議在冰箱后背與冷凝器和壓機之間添加鋁箔使冰箱室內溫度下降約2 ℃;文獻[10]在風道系統中對鼠籠式絲管冷凝器的管程、線間距、徑向和縱向管間距等幾何參數對換熱性能的影響進行了實驗研究,發現線間距影響最顯著。

本文以一臺單循環風冷冰箱為載體,先對鼠籠式絲管冷凝器的性能進行實驗研究,之后結合實際情況,分析得出相應的冷凝器結構改進措施來改善冷凝器周圍空氣流場,并做出了結構改進前后的對比分析。最后,分析統計了冷凝器結構改進對冰箱整體性能的影響。

1 實驗裝置和測試條件

1.1 實驗裝置

本次實驗研究選用了一臺型號為BCD-537 WPB的單循環風冷變頻冰箱為載體,其冷藏風門通過冷藏感溫包控制,壓縮機啟停由冷藏、冷凍感溫包共同控制。該冰箱主要由一組變頻往復式壓縮機,鼠籠式絲管冷凝器,毛細管和叉排翅片管蒸發器組成。另外,冷凝器位于冰箱后背的壓縮機倉內,其底側放置有接水盤,接水盤與冷凝器中間有副冷凝器(壓機排氣先經過副冷凝器與接水盤中的化霜水進行換熱);另外,冷凝器與壓縮機之間安裝有軸流式風機,通過從后背板進風格柵和底板內側條縫抽吸外界空氣對冷凝器進行強制對流換熱。

實驗通過對冷凝器的結構改進來改善冷凝器周圍空氣流場分布,具體改進措施如圖1所示,給冷凝器設置外繞泡沫擋圈和泡沫堵芯。其中,外繞泡沫擋圈放置在冷凝器迎風方向的下游,與相應的后背板進風格柵開口邊緣齊平,且包圍冷凝器前后兩個側面和頂面,底側留出空隙以便接水盤內無化霜水時風機快速抽吸上升的熱空氣,避免影響底部冷凝器的散熱。泡沫堵芯放置在冷凝器迎風方向的上游并處于端頭軸心位置,以減少未同冷凝器換熱而直接從中心穿過的軸向無效氣流量。

(a)冷凝器右視圖

(b)冷凝器正視圖及測點位置

1.2 測試條件

實驗在環境溫度為(25.0±0.8) ℃、相對濕度為65%的條件下進行。在測試過程中,冰箱冷藏、冷凍室溫度分別設定為5 ℃和-18 ℃。溫度測量采用直徑為0.2 mm的銅-康銅熱電偶,精度為±0.2 ℃。在冷凝器進口、中部和出口及周圍空氣流場中均布置有熱電偶,實時監測冰箱運行期間的測點溫度變化,結構改進前、后冷凝器的測點名稱和位置分布如圖1所示。數據采集使用Aglient34970A多功能數據采集儀,采集間隔設定為10s。冰箱運行功率采用青智8775A數字電參數測試儀測量,通過電能累計測得一定時間內的耗電量,精度為0.5級。

測點位置說明:實驗過程中所布測點除冷凝器進口、中部和出口為制冷劑測點外,其余均為冷凝器周圍空氣測點。空氣測點命名中的“左”和“右”以冷凝器軸向為基準,“內”指冷凝器與冰箱內背之間的空隙,“外”指冷凝器與后背板之間的間隙,“上”指冷凝器頂側空氣,冷凝器底側代表冷凝器與底部接水盤之間的空氣。

2 實驗結果分析

實驗中,冷凝器與周圍空氣進行強制對流換熱,總換熱系數由制冷劑側和空氣側傳熱系數共同決定,而后者遠小于前者,因此提高空氣側傳熱系數對增大總傳熱系數具有重要作用。本次研究通過冷凝器下游設置外繞泡沫擋圈和上游增設泡沫堵芯的方式對冷凝器結構進行改進,以改善冷凝器整體換熱性能,最終降低冰箱耗電量。另外,為盡量避免冰箱運行過程動態特性的影響,特選取結構改進前后冰箱耗電量測試中間階段的一個穩定運行單周期為代表進行對比分析。所謂單周期是指,冰箱穩定運行時進行了一次先冷藏、冷凍同時供冷后,冷凍單獨供冷,最后停機的過程。

2.1 結構改進前后冷凝器周圍空氣流場對比分析

冰箱運行模式為先冷藏、冷凍同時供冷,之后冷凍單獨供冷,最后停機。如圖2所示,在冷藏、冷凍同時供冷的過程中,隨著壓縮機的啟動,冷凝器開始散熱,冷凝器周圍空氣溫度逐漸升高;切換為冷凍單獨供冷后,由于冰箱熱負荷的降低,冷凝器周圍空氣溫度普遍降低;在停機的瞬間,冷凝器周圍空氣溫度均有個突升,之后快速下降,這是由停機時冷凝風機瞬間停止而冷凝器繼續散熱造成的。

如圖2a和圖2b所示,冷凝器下游設置外繞擋圈和上游增設泡沫堵芯之后,在壓縮機工作過程中,冷凝器外左和外右中圈周圍空氣溫度平均分別降低約1.5 ℃和0.7 ℃,冷凝器中心左和中心右溫度分別降低了1.0℃和0.5 ℃左右。其原因是:外繞擋圈的設置阻擋了直接從冷凝器與后背板之間的空隙穿過而不與冷凝器換熱的軸向無效氣流;鼠籠式絲管冷凝器內圈有較大的軸向通路,使得大量氣流從中心直接穿過并未與冷凝器進行換熱,泡沫堵芯的增設減小了這部分軸向無效氣流量。兩者共同作用改變冷凝器附近空氣流場分布,增加了冷凝器整體軸向有效氣流量和徑向氣流量,而且擋圈與堵芯的存在減小了空氣的軸向流通面積,進而能增大冷凝器附近的空氣流速。另外,冷凝器周圍有效換熱氣流量及氣流速度的增加提高了冷凝器的換熱性能,使得冷凝器左右端溫差降低。同時,徑向氣流量和流速增加也使得冷凝器內外圈之間的溫差(鼠籠式絲管冷凝器截面呈渦旋狀,內外共有三圈管路,與其進行換熱的空氣從外圈流入,造成同一截面上外圈管路附近空氣溫度明顯低于內圈,故內外圈周圍空氣有溫差存在)降低。如圖3所示,冷凝器外左右中圈溫差降低約0.8 ℃,冷凝器外右中圈與外右溫差降低0.5 ℃左右,即冷凝器周圍空氣溫度場分布均勻性增強。

(a)結構改進前后冷凝器外左右中圈的溫度和功率變化

(b)結構改進前后冷凝器中心左右的溫度和功率變化

(c)結構改進前后冷凝器外左上和外右上的溫度和功率變化

(d)結構改進前后冷凝器內右和底側的溫度和功率變化

(a)結構改進前后冷凝器外左右中圈的溫差和功率變化

(b)結構改進前后冷凝器外右中圈與外右溫差和功率變化

如圖2c所示,對冷凝器結構改進后,壓縮機工作過程中冷凝器外左上溫度增加了1.8 ℃左右,冷凝器外右上降低了0.7 ℃左右。說明添加外繞泡沫擋圈使得擋圈左側有熱量積聚,但是由于冷凝器進口所在的下游部分與空氣的換熱量對溫差變化不敏感,受風量和風速影響更大,最終仍可能加強冷凝器下游與空氣的換熱。設置外繞擋圈和泡沫堵芯使得冷凝器出口所在的上游部分的進風量增大,冷凝器中上游部分周圍空氣溫度降低(如冷凝器外右上),進而使冷凝器中上游部分的換熱效果得到改善。

如圖2d所示,對冷凝器結構改進后,冷凝器底部空氣溫度降低約0.4 ℃,說明外繞擋圈在底部留出的空隙增大了底部進風量,進而弱化了底部接水盤負熱的影響,同時由于接水盤與冷凝器底部的間距小,又不至于造成過多的無效氣流。圖2d還顯示,冷凝器內右溫度降低0.6 ℃左右,說明外繞擋圈和泡沫堵芯的配合使得冷凝器內側換熱性能改善,同時避免了內側出現熱量積聚。

總之,設置外繞擋圈和泡沫堵芯改變了冷凝器的氣流組織,使得冷凝器軸向無效氣流減少,有效氣流增大,同時增加了徑向有效氣流。另外,圖3a顯示,結構改進前冷凝器外左右中圈溫差在停機后快速下降,即外左右中圈附近空氣溫度迅速均勻化,而結構改進后冷凝器外左右中圈溫差在停機過程中有所上升,最終高于結構改進前的溫差。這說明對冷凝器結構改進后的停機過程中,冷凝器上、下游空氣溫度均勻化趨勢減弱。此結論同樣也可由圖2b中停機時冷凝器中心左右測點溫度均勻化趨勢的差異來印證。圖2c顯示,冷凝器結構改進后的停機過程中,處于外繞擋圈左側的冷凝器外左上溫度下降速度有所減小,而外繞擋圈右側的外右上空氣溫度下降速度有所提高。以上兩點變化表明,擋圈的存在使停機后冷凝器下游高溫空氣被阻隔,從而改善了停機過程中冷凝器周圍空氣溫度分布,有利于冰箱下一個穩定運行單周期內冷凝器的快速散熱和降溫。

2.2 改進冷凝器結構對冰箱整體性能的影響

通過以上對結構改進前后冷凝器周圍空氣流場的分析可知,實驗通過設置外繞擋圈和泡沫堵芯改變了冷凝器的氣流組織,從而改善了冷凝器的整體換熱效果,冷凝器進口、中部和出口溫度均得到降低,具體變化如表1所示。

表1 冷藏風門關閉瞬間冷凝器的溫度變化 ℃

如表1所示,對冷凝器結構改進后,冷凝器進口,中部和出口溫度分別下降1.04 ℃、0.76 ℃和0.70℃。這進一步證明了上節對結構改進前后冷凝器周圍空氣流場的對比分析結果,即外繞擋圈和泡沫堵芯的設置減少了冷凝器軸向無效氣流量,增加了徑向有效氣流量,進而使冷凝器整體換熱性能得到提升。

如圖4所示,對冷凝器結構改進后,在壓縮機工作過程中,冷凝器出口溫度降低約0.7 ℃。冷凝器出口溫度的降低可以提高過冷度,從而減小蒸發器的入口干度,增大制冷量,最終降低冰箱耗電量。通過對數據的分析統計發現,冷凝器結構改進后冰箱的開機工作系數下降,運行功率也有略微的降低,進而使得冰箱耗電量減少,具體結果如表2所示。

圖4 冷凝器結構改進前后冰箱穩定運行單周期內冷凝器出口溫度和功率變化

表2 冰箱的開機工作系數及耗電量變化

3 結 論

(1)設置冷凝器外繞擋圈減小了冷凝器外側與后背板之間不與冷凝器換熱而直接流過的軸向無效氣流,增加了徑向有效氣流。添加泡沫堵芯阻擋了直接從冷凝器中心穿過而不與冷凝器進行換熱的軸向無效氣流,增大了冷凝器的軸向有效氣流,二者共同作用使冷凝器的整體換熱效果得到改善。

(2)冷凝器結構改進后,除外繞擋圈左側的冷凝器外左上溫度升高外,其余均降低,其中冷凝器外左中圈和中心左溫度分別減少約1.5 ℃和1.0℃,從而使得冷凝器與周圍空氣的換熱加強,冷凝器出口溫度降低0.7 ℃,冰箱運行的開機工作系數和耗電量分別降低了2.02%和2.37%。

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(編輯 杜秀杰)

ExperimentalInvestigationonHeatTransferPerformanceofSpiralWire-on-TubeCondenserinDomesticRefrigerator

GONG Qinqin1,HUANG Dong1,TANG Xueqiang1,BAI Lianshe2,WEI Bangfu2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. Hefei Meiling Co. Ltd., Hefei 230601, China)

The air temperature filed around a spiral wire-on-tube condenser of a no-frost refrigerator was investigated experimentally, and then the condenser was optimized accordingly to enhance air-side heat transfer. A wind-broken foam ring was wrapped around downstream part of the condenser to increase airflow in the radial direction, and a wind-broken foam block was set in upstream part of the condenser centerline to reduce airflow in the axial direction, which nearly does not transfer heat. The results show that the condenser outlet temperature decreases by about 0.7 ℃, the compressor operation time ratio drops by 2.02%, and the refrigerator’s electricity consumption descends by 2.37% after the optimization. Moreover, both the wind-broken ring and the wind-broken block effectively prevent high-temperature air around the compressor and downstream part of the condenser from flowing to upstream part of the condenser during the outage of compressor, which benefits the heat transfer of the condenser in next operation.

spiral wire-on-tube condenser; air temperature filed; heat transfer enhancement

2014-05-25。

龔勤勤(1989—),女,碩士生;黃東(通信作者),男,副教授。

時間:2014-07-28

10.7652/xjtuxb201412022

TB657.4

:A

:0253-987X(2014)12-0140-05

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140728.1036.003.html