冷凝器流程布置对系统性能的影响分析

凝能力基本不变的情形下大幅降低冷凝温度， 从而导致系统
的ＣＯＰ上升。造成这种现象的原因是： 本文所研究的角度为冷
凝器流程布置方式对系统性能的影响， 则在对三种冷凝器进
行实验对比分析时， 为使空调系统在三种情形下达到同样的
制冷能力， 改变了系统的充注量水平及毛细管长度的缘故。冷
凝温度的升 高 对 系 统 性 能 有 诸 多 不 利 影 响 ： １） 压 缩 机 的 排 气
关键词： ＦＭＥＣＡ技术 家具 家具制造业
ＦＭＥＣＡ技术出现于２０世纪５０年代初， 美国格鲁门飞机公 司在当时研制飞机主操纵系统的过程中， 予以采用并取得了 很好的效果。２０世纪８０年代初， 我国引进ＦＭＥＣＡ技术并将其应 用于军事、航天等高科技领域。１９８８年， 福特汽车公司出版《潜 在设计故障模式及影响分析（ ＦＭＥＣＡ） 》一书， 标志着ＦＭＥＣＡ技 术走下军事神坛， 开始为民所用。经过 半 个 世 纪 的 发 展 、完 善 与 推 广 ， ＦＭＥＣＡ技 术 已 逐 渐 成 为 大 中 型 企 业 用 来 分 析 产 品 故 障因果关系的一种常用技术， 在多个国家和不同领域中被广 泛应用。但迄今为止， 尚未见有关家具制造业应用ＦＭＥＣＡ技术 的信息， 这应该引起业内人士的充分注意。
图４ 机车电子柜故障诊断专家系统界面 ５． 小结 机车电子柜故障诊断专家系统应用故障树分析法和专家
系统相结合的诊断技术， 使诊断工作更加科学化、合理化、智能 化， 提高了解决问题的准确性和效率， 有利于存储和推广诊断 专家的宝贵经验知识， 克服了人类专家供不应求的矛盾。 参考文献： ［１］ 朱大奇． 航空电子设备故障诊断技术研究［Ｄ］． 南京： 南京 航
１． ＦＭＥＣＡ技术 １．１ 什么是ＦＭＥＣＡ技术 ＦＭＥＣＡ是 英 文 Ｆａｉｌｕｒｅ Ｍｏｄｅｓ ，Ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ Ｃｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ Ａｎａｌｙｓｉｓ 的缩写， 名为故障模式、影响与危害性分析。ＦＭＥＣＡ技术是一 种用于确定某个产品或工艺的潜在故障模式、评定这些故障 模式所带来的风险、根据影响的重要程 度 予 以 分 类 ， 并 且 制 定 和实施相应改进与补偿措施的设计方法， 是一门融合多学科 的交叉技术和前沿科学。
横 向 间 距 为２５ｍｍ， 翅 片 形 式 为 百 叶 窗 ， 翅 片 厚 度 为０．１３ｍｍ，翅 片 间 距 为１．５ｍｍ， 换 热 管 为 铜 管 ， 名 义 管 径 为Φ９．５２×０．３５ｍｍ。 冷 凝 器 样 品 （Ａ）、（Ｂ）和（Ｃ）的 流 程 布 置 方 式 如 图 ２ 所 示 。 其 中 冷 凝 器（Ａ）为最简单的单流程布置， 冷凝器（Ｂ）和（Ｃ）为两流程布置， 差 别在于冷凝器 （Ｃ） 在两流程 布 置 的 基 准 上 又 增 设 了 一 个 过 冷 段。
技 术 ０与 市 场 ５７
２００７ ／ １２
技术研发 ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ
ＦＭＥＣＡ技术在家具制造业中的应用初探
花铁果１，２ 巢亮１ 向仕龙１ １．中南林业科技大学 ２．湖南宏通装饰艺术工程有限公司 湖南长沙 ４１０００４
摘要： 文章概述了国内外ＦＭＥＣＡ技术的研究和发展现状。根据行业特征分析了ＦＭＥＣＡ技术在家具制造业中应用的 可能性和必要性， 并对其中存在的问题进行了初步探讨。
关键词： 冷凝器 空调系统 流程布置 模型 ＣＯＰ
１． 简介 风冷式冷凝器广泛应用于制冷空调行业中， 且通常采用铜 管－ 铝翅片式结构。为了改善其性能， 通常采用以下几种方式 来强化换热： １） 增大换热系数； ２） 增加换热面积； ３） 增大空气侧 和制冷剂侧的平均温差。其中， 对前两种强化传热方式的研究 文献很多， 对于第三种方式， 工程实际中通常采用的方法就是 改变换热器的流程布置方式， 这方面的研究相对较少。本文中 对单排冷凝器的三种流程布置方式进行了数值模拟分析， 并结 合实验数据， 对单排冷凝器流程布置方式对系统性能的影响进 行了初步探讨。 ２． 实验过程 家用空调 系 统 通 常 由 压 缩 机 、冷 凝 器 、冷 凝 风 扇 、毛 细 管 、 蒸发器、蒸发风扇组成， 如图１所示。为了研究冷凝器对系统性 能的影响， 将冷凝器直接安装在家用空调室外机上进行测试。 实验设备为焓差实验室， 该设备依据国家标准确定。制冷工况 的 测 试 条 件 为 ： 室 内 侧 干 球 温 度 、湿 球 温 度 分 别 为２７℃（ＤＢ）和 １９℃（ＷＢ）， 室 外 侧 干 球 温 度 、湿 球 温 度 分 别 为３５℃（ＤＢ）和２４℃ （ＷＢ）。 家 用 空 调 机 的 参 数 为 ： 室 内 机 蒸 发 器 的 循 环 风 量 为 ５５０ｍ３／ｈ， 室 外 机 冷 凝 器 的 循 环 风 量 为１６５０ｍ３／ｈ， 压 缩 机 排 量 为 ２２．４ｃｍ３／ｒｅｖ， 额 定 制 冷 量 为３８５０Ｗ， 使 用 的 制 冷 剂 为Ｒ２２。 实 验 中对三种不同流程布置的冷凝器样品进行了测试， 冷凝器的基 本 参 数 为 ： 迎 风 面 积 为７４０ｍｍ×５００ｍｍ， 管 排 数 为１排 ， 换 热 管
ＦＭＥＣＡ的 目 的 是 通 过 系 统 分 析 ， 确 定 元 器 件 、零 部 件 、设 备、软件在设计和制造过程中所有 可 能 的 故 障 模 式 ， 以 及 每 一 故障模式的原因及影响， 以便找出潜在的薄弱环节， 并提出改 进措施。实践证明， ＦＭＥＣＡ技术已经适用于多个行业， 它有助 于提高产品和工艺的设计水平， 导 致 更 高 的 可 靠 性 、更 好 的 质 量和更低的成本开支， 从而增加消费者的满意程度。
已知条件为进口饱和温度 、进 口 过 热 度 及 出 口 过 冷 度 ， 空 气 侧
已 知 条 件 为 进 口 温 度 、湿 度 及 入 口 风 量 。计 算 过 程 中 假 设 空 气
侧 的 风 量 均 匀 分 配 ， 冷 凝 温 度 为５０℃， 进 口 过 热 度 为３５℃， 冷
凝 器 出 口 过 冷 度 为５℃， 三 种 流 程 的 冷 凝 器 仿 真 计 算 结 果 如
制 冷 剂 质 量 流 量 （ｋｇ／ｈ）
９６
８２．５
８３．２
冷 凝 能 力 （ｋＷ）
５．２４
４．４８
４．５１
制 冷 剂 侧 压 降 （ｋＰａ）
４８．８
５．２
源自文库
５．８
４． 实验结果及讨论
４．１ 流程布置对冷凝温度、过冷度及冷凝能力的影响
如图３所示， 三种冷凝器布置中的冷凝温度的排序为： 带
过冷段设计的两流程布置方式 的冷凝器 （Ｃ） 的冷 凝 温 度 最 低
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冷凝器流程布置对系统性能的影响分析
缪爱国 李 宁
苏州机电高等职业技术学校 江苏苏州 ２１５０３１
摘要： 对三种流程布置的单排冷凝器对空调系统的影响进行了仿真和实验研究， 结果表明： 带过冷段设计的双流程 冷凝器（ Ｃ） 效果最好， 不带过冷段的双流程冷凝器（ Ｂ） 效果最差， 单流程冷凝器（ Ａ） 居中。在系统制冷量相同的情况下， 使 用 冷 凝 器 （Ｃ）的 系 统 其 ＣＯＰ比 使 用 冷 凝 器 （Ｂ）的 系 统 高 ４．４％。
凝器由１路变化对称的２路， 对系统的性能而言并没有好处， 因
图３ 不同流程冷凝器的参数变化
ｃｏｐ ｍ（ｋｇ／ｈ）
图４ 制冷剂流量、ＣＯＰ 与冷凝温度的关系 ４．２ 流程布置对系统ＣＯＰ的影响 三种冷凝器流程布置对系统性能的影响如图４中对应曲 线所示， 可以看出， 使用带过冷段设计的两流程布置方式的冷 凝 器（ Ｃ） 的 系 统 制 冷ＣＯＰ最 大 ， 单 流 程 布 置 的 冷 凝 器（Ａ）次 之 ， 而不带过冷段设计的冷凝器（Ｂ）的性能最差。实验结果表明， 采 用冷凝器 （ Ｃ） 流程布置方式的系统， 其ＣＯＰ要比采用冷凝器 （ Ｂ） 流程布置方式的系统的ＣＯＰ要高约４．４％。这是由于冷凝器 （ Ｂ） 中冷凝温度过高， 也即冷凝压力高， 造成 压 缩 机 压 比 增 大 ， 功耗增加的缘故。需要说明的是， 图４中同时给出了三种流程 布置下的制冷剂流量分布， 可以看出， 冷凝器（Ｂ）的 流 程 布 置 其 制冷剂流量最大。 ４．３ 流程布置对热泵功能的影响 从前述实验和分析结果来看， 尽管采用流程布置方式不 同的冷凝器对系统制冷性能有影响， 但其影响程度并不十分 明显。为进一步分析， 又对三种系统进行了制热工况的测试。 依 据 国 家 标 准 ， 测 试 工 况 为 ： 室 内 侧 干 球 温 度 、湿 球 温 度 分 别 为 ２０℃ （ＤＢ）和 １５℃（ＷＢ）， 室 外 侧 干 球 温 度 、湿 球 温 度 分 别 为 ７℃（ＤＢ）和６℃ （ＷＢ）。此时， 室外机的冷凝器做为蒸发器从环境
实验方法为： 对每一种流程布置的冷凝器， 实验台室内 侧和室外侧测试环境恒定， 蒸发器和冷凝器的风量恒定， 改 变系统中的制冷剂充注量和毛细管的长度， 在满足压缩机排 气温度和排气压力在合理范围内的情形下寻求额定制冷能力 点（３３００Ｗ， 三种工况下的能力不平衡率不大于０．５％）， 找到此 点， 待 系 统 稳 定 运 行４５分 钟 后 ， 进 行 采 样 ， 采 样 周 期 为３５分 钟， 对所采得的数据进行加权平均， 得到系统的制冷量、消 耗 功 率 和 能 效 比 ＣＯＰ。 之 所 以 对 三 种 系 统 规 定 额 定 制 冷 能 力 ， 是为了方便数据的比较分析， 冷凝能力则为室内侧制冷量和 消耗功率的总和。尽管这种比较方法对冷凝器的单体换热能 力而言， 似乎缺乏一致的比较基准， 但是对于评估冷凝器在 系统中的总体贡献而言却非常明确。实验过程中在每种冷凝 器样品的每一流程的进口、中部和出口布置了Ｔ型热电偶， 并 在压缩机的吸气口、排气口及冷凝器的进口布置了压力传感 器， 如图１中所示。所用测量 仪器的精度为： 热电偶±０．２℃； 压 力 传 感 器 ±０．１５％ＦＳ。
版 社 ，１９９７．
技术与市场
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１－ 压缩机； ２－ 冷凝风扇； ３－ 冷凝器； ４－ 毛细管； ５－ 蒸发器； ６－ 蒸发风扇
图１ 实验台示意图
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为冷凝温度上升较能力上升要快得多， 其结果必然导致功耗
增加， 系 统 的ＣＯＰ下 降 ； 而 带 有 过 冷 段 的 冷 凝 器（Ｃ）却 能 够 在 冷
表１所示。由 表１可 以 看 出 ， 尽 管 流 程Ａ的 布 置 方 式 能 够 得 到
最大的冷凝能力， 但同时其压降也非常大。而流程Ｂ和流程Ｃ
的布置方式， 其制冷剂流量基本相同， 能力相当。究竟哪种
流程布置方式会对整个系统的性能有所改善， 尚不能得出明
确结论。
表１ 三种流程布置的仿真计算结果
冷凝器Ａ 冷凝器Ｂ 冷凝器Ｃ
（ ４９℃） ， 其 次 为 单 流 程 布 置 的 冷 凝 器（Ａ）的 冷 凝 温 度（ ５１．３℃） ，
而单纯的两流程布置的冷凝器（Ｂ）的冷凝温度最高（ ５２．６℃） 。而
过 冷 度 的 变 化 趋 势 则 由 冷 凝 器（Ａ）至 冷 凝 器（Ｃ）为 单 调 增 加 ， 而
冷凝能力的变化相对较小。从实验结果可以看出， 单纯的将冷
空 航 天 大 学 ，２００２． ［２］ 王轶， 冯晓云．基于故障树的电力机车故障诊断专家系统［Ｊ］．
电力机车与城轨车辆， ２００４，（６）． ［３］ 阎铁生， 陈建明， 肖经蔚 ， 郭 世 明．机 车 电 子 控 制 柜 计 算 机 自
动 检 测 系 统 ［Ｊ］．机 车 电 传 动 ，２００５，（１）． ［４］ 吴今培， 肖健华． 智能故障诊断与专家系统［Ｍ］．北京： 科学出
压力和排气温度会随之升高， 因而影响压缩机的寿命和可靠
性 ； ２） 系 统 的 功 耗 增 加 ， 能 效 比 下 降 ； ３） 系 统 在 高 温 恶 劣 工 况
条 件 下 ， 不 能 长 时 间 运 行 ， 会 出 现 停 机 保 护 现 象 ； ４） 由 于 制 冷
剂流量的增加， 导致制冷剂充注量增大， 系统制造成本上升。
也就是说， 为使整个空调系统达到同样的制冷能力， 双流程布
置不一定就比单流程布置的冷凝器性能要好。
过冷 温度
冷凝 温度
图２ 冷凝器的三种管路流程布置方式
３． 冷凝器的仿真研究
本 文 采 用 美 国ＮＩＳＴ免 费 提 供 的 ＥＶＡＰ－ ＣＯＮＤ软 件 对 上 述
三种冷凝器的流程布置方式进行仿真计算。模型中制冷剂侧