冰箱用换热器换热能力测试设备数值模拟与试验研究

冰箱用换热器换热能力测试设备数值模拟与试验研究
刘宏宇;陈开松;尚殿波;仝高强;王冬样;张玉玺
【摘要】通过建立冰箱用换热器换热能力测试设备(下文简称“测试设备”)的数值模型,搭建测试设备测试平台,通过对多组冷凝器样件及蒸发器样件的测试和分析,以空气侧换热量和水侧换热量比对计算确定出测试设备精度为8％,并通过CFD仿真模拟验证测试设备的准确性和可靠性.该测试设备可独立测试换热器换热量,为冰箱换热器的选型提供依据,减少使用冰箱为载体测试的测试周期.
【期刊名称】《家电科技》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】换热器;换热能力;测试设备
【作者】刘宏宇;陈开松;尚殿波;仝高强;王冬样;张玉玺
【作者单位】合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601;合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601;合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601;合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601;合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601;合肥美菱股份有限公司安徽合肥230601
【正文语种】中文
换热器是实现冷、热流体之间热量传递的工艺装置，在冰箱上换热器包括蒸发器和冷凝器，是与冰箱外界环境或箱体内部空气进行换热的关键组件，换热器的换热性能直接关系到冰箱整机的能耗及制冷效果。

冰箱换热器的种类很多，有管片式、旋
翅式、丝管式、微通道式等等。

如何提高冰箱换热器的换热性能是换热器生产厂家以及相关科研人员的重要研究方向。

国内外学者对冰箱换热器的换热性能进行了大量的研究。

童蕾[1]等分析冰箱制冷系统中起热交换作用的两器(蒸发器、冷凝器)管道材料铜、铁、铝三者的性能、经济性的对比关系，探讨冰箱管材料用非铜管替代铜管的可行性和应用价值，得出了用邦迪管、铝管替代在冰箱中使用最广泛的紫铜管，在工艺和技术上可行，并能有效降低冰箱的生产成本。

常勇强[2]等在高温加
压的条件下研究了膜式蛇形管平行通道换热器的对流换热特性，给出了典型冲刷形式的对流换热关联式及其适用条件，得出了影响膜式蛇形管平行通道换热器换热系数的因素。

K·Tang[3]通过建立实验装置的方法探究影响冰箱换热器换热的因素，
发现最大雷诺数和瓦伦西数都会影响努塞尔数的变化，并建立了三者的新关系式，实验误差在6.3%以内。

Mooyeon Lee[4]通过研究换热关联式中的j因子，探讨
了内螺旋翅片圆管换热器作为冰箱蒸发器时不同的翅片间距、管排数和翅片排布对其换热性能的影响，并与平片换热器进行了分析对比，验证了在冰箱上使用该换热关联式的准确性。

在冰箱上使用的换热器尺寸一般较小，风机的风量也相应较小，换热器的换热量一般在40～450W之间[5]。

换热器性能的测试可以通过计算机CFD仿真模拟或整
机测试，但是CFD仿真并不能准确真实地表现出换热器的实际换热量，而整机实
验需要通过制作样机，实验周期较长、成本高，这样就大大地限制了冰箱换热器的改进和新型换热器的开发。

如果能建立冰箱用换热器换热能力测试设备，则可以实现换热器的独立组件实验，不但可以排除系统其它组件性能及系统运行控制的影响，获得换热器的真实性能参数，而且为冰箱新型换热器的设计和开发提供了必要的依据[6]。

基于冰箱用换热器换热能力测试设备，冰箱换热器采用管片式换热器时，换热系数计算采用Gray和Webb关联式：
其中Cp为空气定压比热J/kg•K；Ga为空气质量流速kg/(m2•s)；Pr为空气普朗特数；Re为空气侧雷诺数；S1为管间距m；S2为管排距m；Sf为翅片间距m；d0为翅片根部外径m；N为风向管排数。

平行流换热器具有较高的空气侧换热系数，一般选用开窗片作为平行流换热器的翅片，能够有效地扰动空气边界层，强化对流换热[7]。

空气侧换热系数计算使用
Kim and Bullard[8]给出的换热关联式：
式中：Rel为空气侧雷诺数；θ为百叶窗角度rad；Pf为翅片间距m；Hf为翅片
高度m；Bf为翅片宽度m；Ll为百叶窗长度m；Pt为扁管间距m；δf为翅片厚
度m；Pl为百叶窗间距m；Pra为空气普朗特数，λa为空气导热系数W/(m2•K)。

冰箱用换热器测试设备如图1所示。

测试设备由两部分组成：第一部分由恒温水槽、直流水泵和浮子流量计组成；第二部分外部结构由风道组成，内部安装有温湿度测量仪、风量仪、PT100热电偶显示仪、风机和测试件，如图2。

第一部分重
量较重，安置在可移动小车上，方便移动。

风道由前、中、后三段组成，均可拆分，其中前、后两段放置在风道支架上，一般不予移动，中间段可拆卸，方便安装换热器，各段之间先使用美纹纸固定、贴合，再使用保温材料保温处理，风道周围采用40mm聚氨酯保温库板制作，导热系数为0.023W/(m•K)。

风道后段为风稳定段，风机安置在稳定段最末端，使得风量仪前后位置风量稳定，能准确测得风量大小。

风道前后有温湿度测量仪，用于采集进、出口风空气参数。

恒温水箱为不锈钢材质，内容积为50L，加热温度范围0～99.9℃，精度范围
±0.3℃，最大功率3000W，内有循环水泵，保证水槽内温度稳定性和一致性，前后设计有出水口和回水口。

出水口首先经过小型过滤器，再流经直流电机水泵，通过可调节流量大小的浮子流量计测量流量大小后流至测试件，在测试件内实现冷热交换，最后回流至恒温水槽。

由温湿度测量仪的Logpro1.3测试软件在计算机上显示实时温度曲线，判定测试设备是否达到稳定状态。

稳定运行时恒温水槽内温度稳定在设定值，测试件进口水温恒定不变，回水温度不变，根据进出口空气参数计算空气侧焓差，结合空气侧风量，计算出空气侧换热量。

计算机数据处理软件使用VB6.0编程，界面如图3所示。

本着节约项目开支并满足设计要求的原则，本套冰箱用换热器换热能力测试设备材料成本在2.03万元，为了保证在稳定运行时测试仪器能够采集到准确数据，需要注意以下几个关键点：（1）外侧空气参数需要保持稳定，使得被测件的换热量恒定；（2）被测件安装后的保温和密封性要求良好，尽量减少漏热；（3）测点位置正确无误差，保证测量结果或平均值真实可靠。

3.1 试验结果与分析
通过对六组冷凝器样件（1～6号样件）和四组蒸发器样件（7～10号样件）进行测试，各换热器的类型如表1所示。

通过对比各组空气侧换热量与水侧换热量，确定出测试设备的精度在8%以内，测试结果如图4。

如图5所示，通过将2号平行流样件与1号和3号平行流样件对比可知，因为冰箱冷凝器风量较小，翅片密度加大、扁管数增多会增加冷凝器前、后侧风压，换热器的换热效率不一定能得到提高，冷凝器的换热能力反而可能会降低。

另外发现，由于蛇形管冷凝器其生产工艺与平行流冷凝器大不相同，管内流压阻较大，应用在冰箱上时，效果明显不及平行流冷凝器。

如图6所示，9排管旋翅式冷凝器换热面积比3排管旋翅式冷凝器多241%，而换热量只增加38%。

分析由于风量相同，9排管旋翅式冷凝器风侧压差明显较大，对风侧的换热有很大负面影响。

冰箱使用旋翅式冷凝器匹配时，若采用增加管排数的方式增加换热量时，需同时增大冷凝风量。

若不改变冷凝风量，则需要增加较大成本以达到预期等同换热量。

铝质管片式换热器材质轻、成本低、加工容易，在冰箱蒸发器中得到了广泛使用。

如图7，试验发现换热器翅片密度降低，换热量随之减小。

而且，在翅片密度极低而风量不变的情况下，依然保留有不小的换热量。

在实验中，10号样件为单排原装换热器，换热面积比多排蒸发器小，但由于风量匹配最佳，表现出较好的换热效果，因此在风量一定时，换热面积和设计结构存在最佳匹配。

3.2 仿真验证
使用Fluent 16.1对换热器进行仿真模拟，以验证测试设备试验结果的准确性。

针对7～9号翅片密度不同的管片式蒸发器样件，建立CFD模型如图8，加载环境及入水口温度后，得出空气侧温度场结果如图9。

计算机仿真模拟结果与蒸发器在冰箱内的实际运行状况基本一致。

仿真模拟结果如表2所示，CFD仿真模拟结果与冰箱用换热器换热系数测试设备测量得出的结果偏差不大于4%。

实验证明测试设备具有一定的可靠性和准确性，测试结果可以作为冰箱换热器的选型依据。

通过建立冰箱用换热器换热能力测试设备的数值模型，搭建测试设备测试平台，通过对多种冷凝器样件及蒸发器样件的测试和分析，以空气侧换热量和水侧换热量对比计算确定出测试设备精度为8%。

建立管片式蒸发器的仿真模型，将仿真结果与测试设备的试验结果进行对比，验证了测试设备的准确性。

在对10组不同换热器进行测试，比对测试结果，得出以下结论：
（1）冰箱冷凝风机风量普遍偏小，翅片密度较大的冷凝器不适合用作于冰箱冷凝器；
（2）使用旋翅式冷凝器匹配时，通过增加管排数的方式增加换热量的同时，需增大冷凝风量。

若不改变冷凝风量，则需要增加较大成本以达到预期等同换热量；（3）翅片密度降低对管片式蒸发器换热量有一定的影响，但若风量保持不变，即使翅片密度很低，管片式蒸发器依然会保有不小的换热量，换热面积和设计结构存
在和风机风量的最佳匹配。

【相关文献】
[1] 童蕾, 陈超敏, 陈清坤. 对冰箱换热器使用的管道材料的分析 [J]. 制冷学报. 2004.4:60-63.
[2] 常勇强, 杨震, 赵振兴等. 蛇形管平行通道中高压气体的对流换热特性研究 [J]. 西安交通大学学报. 2011.45(3):53-57.
[3] K·Tang, J·Yu, T·Jin. Heat transfer of laminar oscillating flow in finned heat exchanger of pulse tube refrigerator [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer.2014,70:811-818.
[4] Mooyeon Lee, Taehyung Kang, Yongchan Kim. Air-side heat transfer characteristics of spiral-type circular fin-tube heat exchangers [J]. International Journal of Refrigeration. 2009,33(2):313-320.
[5] 顾泽波, 吕小龙, 骆毅等. 风冷冰箱换热器性能测试平台的开发 [J]. 日用电器, 2015(5):16-20.
[6] 岳建楠, 王德昌, 王兆俊. 冰箱换热器性能测试实验台测控系统开发 [J]. 工业控制计算
机.2013,26(1):32-33.
[7] 刘宏宇,王铁军,王飞.平行流冷凝器的传热计算与应用研究[J].低温与超导. 2014,42(6):74-77.
[8] Kim M H, Bullard C W. Air-side thermal hydraulic performance of multi-louvered fin aluminum heat exchangers[J]. International Journal ofRefrigeration, 2002,25(3):390-400.。