低溫工況環(huán)境試驗系統(tǒng)蒸發(fā)器設(shè)計

段玉晴，陳清華,,，王建剛，王建業(yè)

（1.安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，淮南 232001； 2.廣東立佳實業(yè)有限公司，東莞 523000；3.陜汽淮南專用汽車有限公司博士后工作站，淮南 232033）

引言

制造、電子、食品加工、包裝等行業(yè)在產(chǎn)品投放市場前，通過壓力、溫度、濕度的變化進(jìn)行氣候相關(guān)的環(huán)境測試，以及機械環(huán)境測試，以評估產(chǎn)品在各種條件下的可靠性和質(zhì)量。這些測試是確保產(chǎn)品質(zhì)量的必要手段，以避免造成成本和聲譽的損失。低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)提供試驗所需的低溫環(huán)境，具體的試驗溫度由操作人員通過系統(tǒng)的前控制面板設(shè)定。如圖1所示為低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，空氣通過循環(huán)風(fēng)機在試驗腔、蒸發(fā)器和電加熱絲間不斷循環(huán)。

圖1 低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中蒸發(fā)器是低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)的重要組成部分，環(huán)境試驗系統(tǒng)通常采用大套片式翅片管式換熱蒸發(fā)器，制冷劑靠壓縮機產(chǎn)生的壓頭在管內(nèi)流動。這種大套片式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，成本較為低廉且換熱效果好，所以得到廣泛應(yīng)用[1]。在低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)的實際使用中翅片管換熱器通常會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，考慮各種因素?fù)Q熱器結(jié)霜面積一般占換熱總面積的60～85 %。結(jié)霜增加了翅片與空氣間傳熱熱阻，同時霜層過厚會降低翅片間的距離，加大空氣流動阻力增加傳熱熱阻，降低了制冷系統(tǒng)的制冷量，致使系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)計的制冷效果[2-6]。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合實際的相關(guān)產(chǎn)品，提出低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)的蒸發(fā)器的設(shè)計理論。開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品的計算軟件為低溫工況蒸發(fā)器的設(shè)計計算提供一些參考。

1 箱體絕熱層厚度及制冷負(fù)荷計算

1.1 工作室箱體絕熱層厚度的確定

制冷工質(zhì)的目的是通過制冷循環(huán)將所需致冷介質(zhì)的熱量從該介質(zhì)引出，降低目標(biāo)介質(zhì)的溫度。對人工制造的低溫環(huán)境，應(yīng)盡量減少周圍環(huán)境的熱量流入量，提高制冷效果。采取合理的絕熱措施可以有效的減少冷量的損失。

對于低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)溫度要求不低于-100 ℃時，通常的絕熱方法是采用聚胺脂泡沫整體填充，絕熱層厚度計算的原則是保證絕熱層外表面的溫度不低于當(dāng)?shù)貤l件下的露點溫度，保證外表面不凝露。由于其單位制冷量的設(shè)備費用高，適當(dāng)?shù)脑黾咏^熱層厚度的辦法可以減少冷損失，降低使用成本。依據(jù)防止表面結(jié)露原則，計算絕熱層厚度的公式：

式中：

δ—絕熱層厚度，m；

λ—絕熱材料的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1；

α—絕熱層外表面的對流換系數(shù)，W·m-2·K-1；

tf—絕熱物體的溫度，K；

ta—周圍環(huán)境的空氣溫度，K；

tw—絕熱層外表溫度，K。

1.2 制冷系統(tǒng)負(fù)荷的確定

對于低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)需要長時間連續(xù)工作時，計算制冷量一般只考慮其穩(wěn)定運行時的制冷量。若系統(tǒng)需要迅速降溫，此時應(yīng)考慮設(shè)備腔體及殼體熱容量所消耗的冷量。根據(jù)實際的工況要求，取計算結(jié)果制冷量較大值加上設(shè)計負(fù)載為低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

低溫箱的穩(wěn)態(tài)冷負(fù)荷主要由以下幾個部分組成：

1）闈護(hù)結(jié)構(gòu)冷損失（平壁部分的）

式中：

A—接觸表面積，m2；

ΔT—箱體與環(huán)境溫差，K；

α1—內(nèi)壁表面的對流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

α2—外壁表面的對流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δ—圍護(hù)結(jié)構(gòu)層厚度，m；

λ—圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1。

2）冷橋損失

不同環(huán)境試驗箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不同，其冷橋的損失也有差別，通常可以按圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷損失的10%～15%考慮。

3）觀察窗冷損失

為方便觀察試驗情況，低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)艙門設(shè)有多層玻璃的觀察窗，通常在零下幾十度的工況下觀察窗會出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象。為避免觀察窗結(jié)霜影響對試驗狀況的觀察，在觀察窗玻璃架四周布置發(fā)熱線。加熱造成的冷損失為加熱功率wQ。

其穩(wěn)態(tài)冷負(fù)荷：

低溫環(huán)境試驗系統(tǒng)的動態(tài)冷負(fù)荷主要取決于技術(shù)要求的降溫速率，對于動態(tài)冷負(fù)荷主要來源包括：圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的冷負(fù)荷以及試驗箱體積內(nèi)的空氣冷負(fù)荷：

1）結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷

式中：

G1、G2、G3—試驗箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的質(zhì)量，kg；

cp1、cp2、cp3—試驗箱體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、絕熱保溫材料、孔板的比熱容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷卻箱體所用的時間，s；

ΔT1—降溫前后的溫差，K。

2）空氣的冷負(fù)荷

式中：

V1—試驗箱設(shè)計容積，m3；

ρ—空氣初始溫度下的密度，kg·m3；

cp—試驗箱內(nèi)空氣的比熱容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷卻箱體所用的時間，s；

ΔT1—降溫前后的溫差，K。

其動態(tài)冷負(fù)荷：

不同的降溫速率要求的制冷量不同，降溫速率越快其所要求的制冷量越大且降溫速率達(dá)到一定值后其所需制冷量會迅速增大。

2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)

制冷系統(tǒng)中，低溫高壓的制冷劑經(jīng)膨脹閥流入蒸發(fā)器，制冷劑在蒸發(fā)器的低壓銅管內(nèi)沸騰相變吸熱。翅片表面溫度迅速降低，低于周圍空氣的露點溫度，過飽和水蒸氣在翅片表面析出露水，并在低溫的翅片表面產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。剛開始霜附著于翅片表面改變了其粗糙度，同時傳熱面積也有所增加，此時結(jié)霜對傳熱是有利的。但當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時霜層厚度不斷增加，翅片間距變小，氣體流動的空氣阻力變大，同時霜層厚度方向熱阻影響大于增加傳熱面積和改變表面粗糙度的影響[7]。整體來說穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下蒸發(fā)器結(jié)霜對換熱是不利的。制冷劑在蒸發(fā)器的整個管程中其狀態(tài)不斷變化，傳熱過程十分復(fù)雜，為符合工程上的應(yīng)用，本文對實際的換熱過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

1）采用均勻相模型；

2）傳熱管壁僅考慮徑向?qū)幔?/p>

3）認(rèn)為制冷劑在蒸發(fā)器末端剛好形成飽和蒸汽[8]。

蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)：

式中：

Rf—污垢熱阻，m2·K·W-1；

δ1—銅管壁厚，m；

λ1—銅管導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

δ2—霜層的厚度，m；

λ1—霜層的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

αi—空氣測對流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

αf—翅片表面的當(dāng)量換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

ηf—翅片的總效率，無量綱。

2.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)參數(shù)

蒸發(fā)器的翅片是用沖床加工出來的單個鋁制翅片按照一定的過盈量套裝在銅管上，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。其銅管的排列方式有兩種，可設(shè)想為單個矩形或六邊形單管肋片通過順排或叉排管束組成如圖2所示，按式（8）、（9）計算肋片的當(dāng)量高度：

表1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 銅管的排列方式

矩形：

六邊形：

2.3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

低溫箱內(nèi)的空氣流經(jīng)蒸發(fā)器與制冷劑迅速進(jìn)行熱交換，使其溫度低于露點。過飽和水蒸氣在翅片表面析出露水，并在低溫的翅片表面產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象，其表面換熱系數(shù)如下：

其中

式中：

ω—空氣在管束最窄截面處流速，m·s-1；

υ—空氣的運動粘度，m2·s-1；

sc—翅片間距，m；

λ—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

H—翅片高度，m；

φ—紫銅管直徑，m。

管束排列方式和肋片近似幾何形狀的不同，影響著肋片管束外空氣側(cè)的換熱系數(shù)，其系數(shù)按表2查得。

表2 C、n系數(shù)表

肋片的主要作用是增加換熱量，為了得到肋片的實際散熱量，需要計算肋效率。因為其肋片形式為等截面直肋，則肋效率按下式計算：

式中：

λ3—翅片的導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

αw—翅片表面換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；

δ3—翅片厚度，m；

H—翅片高度，m。

對于大套片式翅片蒸發(fā)器其翅片由整張鋁片在沖床上加工而成，所以整體的肋效率無法有效計算，可近似的認(rèn)為是由多個單肋片組成，需要計算翅片的總效率：

由設(shè)計參數(shù)并結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件計算濕析系數(shù)ε，按對數(shù)平均溫差計算蒸發(fā)器的傳熱溫差θm。通過計算蒸發(fā)器所需的換熱面積得出蒸發(fā)器的計算管長，公式如下：

式中：

Qs—低溫箱總制冷量，W；

k—蒸發(fā)器總傳熱系數(shù)，W·m-1·K-1；

θm—對數(shù)平均溫差，K；

Af—每米銅管的表面積，m2。

2.4 設(shè)計案例

對于不同的低溫環(huán)境箱，其結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計要求不盡相同。根據(jù)上述設(shè)計原理針對最低制冷溫度-40 ℃系列的低溫環(huán)境試驗箱設(shè)計專門的設(shè)計軟件。軟件的利用減少了人工的計算量并有效降低了計算錯誤率。利用c#語言進(jìn)行編寫，軟件參數(shù)輸入界面如圖3所示。

圖3 參數(shù)輸入界面

現(xiàn)有低溫環(huán)境試驗箱，其工作室空間為1 m3，要求環(huán)境試驗系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，最低工作溫度為-40 ℃，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 整體設(shè)計圖

通過計算輸入蒸發(fā)器設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，程序通過計算后輸出結(jié)果界面，如圖5所示。從計算結(jié)果中可以得知其熱物性參數(shù)結(jié)果和幾何形狀參數(shù)。

根據(jù)圖5的計算結(jié)果，考慮蒸發(fā)器計算管長和箱體結(jié)構(gòu)，合理布置銅管列數(shù)，其中蒸發(fā)器寬度和長度需要設(shè)計者來進(jìn)行選擇，完成后對參數(shù)進(jìn)行校核，驗證實際的迎風(fēng)面積要大于程序計算出的理論迎風(fēng)面積，以保證設(shè)計的蒸發(fā)器有一定富裕度。設(shè)計的蒸發(fā)器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸如表3所示。

表3 蒸發(fā)器設(shè)計參數(shù)

圖5 輸出結(jié)果

根據(jù)設(shè)計要求，環(huán)境試驗系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，利用T型熱電偶放置于箱體近出風(fēng)口處，得到降溫速率曲線如圖6。

圖6 降溫曲線

從圖6中可以看出降溫速率逐漸降低，因為傳熱溫差的不斷減小制冷量降低。從30 ℃冷卻到-40 ℃用時約14 min，滿足設(shè)計要求且系統(tǒng)能耗匹配較優(yōu)。

3 總結(jié)

本文就低溫環(huán)境模擬試驗系統(tǒng)的蒸發(fā)器設(shè)計展開研究，結(jié)合實際生產(chǎn)經(jīng)驗提出在低溫工況下蒸發(fā)器的設(shè)計過程。首先結(jié)合低溫環(huán)境箱的設(shè)計要求，確定所需制冷量，再根據(jù)制冷量計算蒸發(fā)器的動態(tài)和靜態(tài)系統(tǒng)冷負(fù)荷。利用軟件編程簡化人工的計算過程，結(jié)合實際使用環(huán)境計算并布局蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。

通過具體的產(chǎn)品展開研究，以工作室空間為1 m3，環(huán)境試驗系統(tǒng)非線性降溫速率不得低于5 ℃·min-1，最低工作溫度為-40 ℃的試驗箱為例很好的滿足使用需求。軟件的應(yīng)用也簡化了設(shè)計的過程，縮短了同類型產(chǎn)品的設(shè)計時間，為其它低溫工況的環(huán)境設(shè)備蒸發(fā)器設(shè)計提供參考。