冰箱用旋翅式冷凝器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

劉杰 辛海亞 陳艷君

（合肥晶弘電器有限公司 安徽合肥 230601）

冰箱用旋翅式冷凝器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

劉杰 辛海亞 陳艷君

（合肥晶弘電器有限公司 安徽合肥 230601）

本文介紹了冰箱用旋翅式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在冷凝器設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)比較冰箱常用制冷劑的物性特點(diǎn)，選擇R600a作為設(shè)計(jì)計(jì)算的制冷劑，提出了冷凝器的換熱四區(qū)模型，并建立了冷凝器的數(shù)學(xué)計(jì)算模型以及計(jì)算程序流程圖，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果相比較，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果可以較好的吻合，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型與計(jì)算程序的可靠性。

旋翅式冷凝器；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)計(jì)算模型

1 引言

旋翅式冷凝器是一種緊湊高效的換熱器，廣泛應(yīng)用于大容積風(fēng)冷冰箱上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的絲管式冷凝器以及翅片式冷凝器相比，換熱效率可以提高30%以上。如圖1、圖2所示，旋翅式冷凝器使用螺旋翅片管，螺旋翅片以螺旋的形狀緊密地纏繞在冷凝管的外表面上，這種特殊的設(shè)計(jì)可以使更多的空氣與螺旋翅片相接觸，從而提高冷凝器的換熱能力。

在冰箱旋翅式冷凝器的設(shè)計(jì)中，目前主要采用兩種方法，一種是傳統(tǒng)的人工手算設(shè)計(jì)，另外一種是借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，即模擬仿真設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的人工手算方法在計(jì)算過(guò)程中有大量的參數(shù)都是憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)而選擇的，加之在設(shè)計(jì)中存在許多迭代計(jì)算，因而設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)計(jì)算工作量巨大，且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、精度不高。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作為迅速發(fā)展起來(lái)的綜合性計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)，可以建立冷凝器的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到其制冷劑和空氣的流動(dòng)特性與換熱特性，從而把設(shè)計(jì)人員從繁冗復(fù)雜的人工計(jì)算中解放出來(lái)。本文利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)旋翅式冷凝器進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，編制一種旋翅式冷凝器的設(shè)計(jì)軟件，能夠顯著提高冷凝器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

圖1 旋翅冷凝器

圖2 旋翅冷凝器局部放大圖

2 制冷劑的選擇與物性分析

目前冰箱使用的制冷劑主要是R600a、R134a以及混合類工質(zhì)，由于混合類工質(zhì)對(duì)臭氧層具有一定的破壞作用，而且使用該類工質(zhì)的冰箱具有噪音大、能耗大等缺陷，因此目前R600a與R134a為公認(rèn)的兩種冰箱用制冷劑。

從表1可知：

（1）R600a的ODP與GWP幾乎均為零，對(duì)環(huán)境完全沒(méi)有破壞作用，而R134a對(duì)全球變暖有較大的影響；

（2）R600a較低的冷凝壓力、蒸發(fā)壓力和排氣溫度減小了制冷系統(tǒng)制冷劑泄露的可能性，提高系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)了壓縮機(jī)的使用壽命；

（3）R600a較高的蒸發(fā)潛熱以及較低的液相密度，使得制冷劑的灌注量較R134a大為減少。

通過(guò)對(duì)R600a與R134a兩種制冷劑的物性比較，可知R600a具有熱力性能好、能效高、環(huán)境友好性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇R600a作為本文軟件設(shè)計(jì)的制冷劑。

3 旋翅冷凝器的設(shè)計(jì)

3.1 模型分區(qū)

按照制冷劑的狀態(tài)和流動(dòng)換熱狀態(tài)的不同，將冷凝器分為四個(gè)區(qū)(A、B、C、D)的一維流動(dòng)換熱模型，如圖3所示。

A. 干壁面過(guò)熱氣體區(qū)

冷凝管管壁的溫度高于冷凝管內(nèi)制冷劑的飽和溫度（圖中虛線所示），所以壁面是干的，換熱系數(shù)按照單相換熱系數(shù)計(jì)算。

B. 濕壁面過(guò)熱氣體區(qū)

冷凝管管壁的溫度低于冷凝管內(nèi)制冷劑的飽和溫度（圖中虛線所示），所以壁面上有蒸汽凝結(jié)，是濕潤(rùn)的，換熱系數(shù)按照干度為1的兩相換熱系數(shù)計(jì)算，換熱溫度按照真實(shí)的溫度計(jì)算。

C. 兩相冷凝區(qū)

在這個(gè)區(qū)域，制冷劑從飽和氣體完全冷凝為飽和液體。

圖3 冷凝器分區(qū)示意圖

圖4 微元示意圖

圖5 旋翅冷凝器設(shè)計(jì)計(jì)算程序流程圖

圖6 冷凝器管排數(shù)與冷凝器出口溫度的關(guān)系

D. 過(guò)冷液體區(qū)

在這個(gè)區(qū)域，制冷劑飽和液體被進(jìn)一步過(guò)冷。

3.2 基本模型

如圖4所示為冷凝器一維模型的微元示意圖。

對(duì)任一微元，可以建立如下的方程組：

空氣側(cè)流動(dòng)換熱方程：

制冷劑側(cè)流動(dòng)換熱方程：

管內(nèi)外換熱量平衡方程：

微元導(dǎo)熱方程：

上式中，Ai為管內(nèi)表面積：

Tm為制冷劑平均溫度：

空氣側(cè)平均溫度：

管壁長(zhǎng)度：

在以上各方程中，Q、h、T和m分別為換熱量、焓值、溫度和質(zhì)量流動(dòng)速率；下標(biāo)a代表空氣側(cè)，r代表制冷劑側(cè)，m代表平均值，i代表管內(nèi)。漏熱系數(shù)ξ一般為0.8＜ξ＜1，在冷凝器的基本模型中取作平均值0.9。K為總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，其定義溫差為空氣側(cè)和制冷劑側(cè)算術(shù)平均溫度差。計(jì)算公式為：

式中，αi為制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，αo為空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

Ao冷凝器外有效傳熱面積：

Ab為單位管長(zhǎng)冷凝管表面積：

Af為單位管長(zhǎng)翅片表面積：

可以通過(guò)下述微元方程組求得微元的長(zhǎng)度：

對(duì)于單相區(qū)（過(guò)冷區(qū)、過(guò)熱區(qū)），制冷劑側(cè)換熱系數(shù)αi由Dittus Boeler(1947)的換熱關(guān)聯(lián)式計(jì)算：

對(duì)于兩相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用Shah關(guān)聯(lián)式：

其中，αTP為兩相區(qū)換熱系數(shù)，αl為單相區(qū)換熱系數(shù)，x為兩相區(qū)干度。

對(duì)于空氣側(cè)的換熱系數(shù)，由于旋翅冷凝器的特殊翅片形式以及翅片與冷凝管的結(jié)構(gòu)，采用以下正弦波紋形翅片結(jié)構(gòu)的換熱關(guān)聯(lián)式：

3.3 算法設(shè)計(jì)

本文采用順序算法來(lái)求解微元模型的旋翅冷凝模型，即沿制冷劑或空氣流向來(lái)順序求解每個(gè)微元模型，并在冷凝器層面迭代計(jì)算進(jìn)口或出口參數(shù)。

3.3.1 假設(shè)條件

（1）冷凝器內(nèi)制冷劑的流動(dòng)為一維均相流動(dòng)，且不考慮壓降；

（2）冷凝器外空氣的流動(dòng)也視作一維均相流動(dòng)；

圖7 冷凝器管排數(shù)與冷凝器過(guò)冷度的關(guān)系

圖8 冷凝器管排數(shù)與冷凝器換熱量的關(guān)系

（3）制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)放熱的顯熱段，管壁熱阻忽略不計(jì)；

（4）制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)放熱的潛熱段，管壁熱阻忽略不計(jì)，同時(shí)因阻力引起的溫度變化也忽略不計(jì)。

3.3.2 輸入輸出參數(shù)

（1）輸入?yún)?shù)：旋翅冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括冷凝管的總管長(zhǎng)、管排數(shù)、管間距、管外徑、管內(nèi)徑、翅片間距、翅片厚度等；制冷劑質(zhì)量流量。

表1 R600a與R134a主要物性對(duì)比表

表2 旋翅冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)工況

（2）輸出參數(shù)：冷凝器換熱量、冷凝溫度、過(guò)冷度、冷凝壓力等。

3.3.3 計(jì)算流程圖

如圖5所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

用上述冷凝器計(jì)算模型對(duì)某對(duì)開門風(fēng)冷冰箱用旋翅式冷凝器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。假設(shè)旋翅冷凝器的冷凝管和翅片的規(guī)格以及實(shí)驗(yàn)工況不變，變量為冷凝器的管排數(shù)，表2為旋翅冷凝器確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)工況。

圖6～圖8為在相同的參數(shù)（旋翅冷凝器管排數(shù)）變化條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)圖。

由圖6～圖8中所示的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，本文所建立的旋翅冷凝器計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以較好地吻合，計(jì)算結(jié)果是可信的。

5 結(jié)論

（1）本文介紹了冰箱用旋翅式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并說(shuō)明了通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)旋翅式冷凝器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算能夠顯著提高設(shè)計(jì)質(zhì)量并縮短設(shè)計(jì)周期；

（2）對(duì)比分析了兩種冰箱常用制冷劑的物性特點(diǎn)，提出了冷凝器的換熱四區(qū)模型，并建立了冷凝器的數(shù)學(xué)計(jì)算模型以及計(jì)算程序流程圖；

（3）對(duì)旋翅冷凝器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)學(xué)計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出本文所建立的計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以較好地吻合，計(jì)算結(jié)果可信。

[1] 丁國(guó)量，張春路. 制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化[M]. 北京，科學(xué)出版社，2001

[2] 張春路. 制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真原理與技術(shù). 北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2012

Computer-aided design method for spiral-fin condenser of refrigerator

LIU Jie XIN Haiya CHEN Yanjun
（Hefei Kinghome Electrical Co.,LTD Hefei 230601）

The paper introduces the structure features of spiral-fin condenser and the advantages of computer-aided design in the design of the condenser. Choose R600a as the design calculation through the comparison of characteristics of commonly used refrigerator. The four region model of the condenser heat exchanger was raised, and establish the mathematical model and calculation program flowchart, compare with the results of the experimental and the calculation of mathematical model, both can be in good agreement, and verify the reliability of the mathematical model and calculating program.

Spiral-fin condenser; Computer-aided design; Mathematical model