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算機輔助設計

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)特點以及計算機輔助設計在冷凝器設計中的優(yōu)點，通過比較冰箱常用制冷劑的物性特點，選擇R600a作為設計計算的制冷劑，提出了冷凝器的換熱四區(qū)模型，并建立了冷凝器的數(shù)學計算模型以及計算程序流程圖，并且通過實驗結(jié)果與數(shù)學模型的計算結(jié)果相比較，得出實驗結(jié)果與計算結(jié)果可以較好的吻合，驗證了數(shù)學模型與計算程序的可靠性。

旋翅式冷凝器；計算機輔助設計；數(shù)學計算模型

1 引言

旋翅式冷凝器是一種緊湊高效的換熱器，廣泛應用于大容積風冷冰箱上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點，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，這種特殊的設計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計中，目前主要采用兩種方法，一種是傳統(tǒng)的人工手算設計，另外一種是借助計算機輔助設計，即模擬仿真設計。傳統(tǒng)的人工手算方法在計算過程中有大量的參數(shù)都是憑設計人員的經(jīng)驗而選擇的，加之在設計中存在許多迭代計算，因而設計人員的設計計算工作量巨大，且設計周期長、精度不高。而計算機輔助設計作為迅速發(fā)展起來的綜合性計算機應用系統(tǒng)技術，可以建立冷凝器的數(shù)學模型，并對模型進行求解計算，得到其制冷劑和空氣的流動特性與換熱特性，從而把設計人員從繁冗復雜的人工計算中解放出來。本文利用計算機輔助設計對旋翅式冷凝器進行模擬仿真計算，編制一種旋翅式冷凝器的設計軟件，能夠顯著提高冷凝器的設計質(zhì)量，縮短設計周期。

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，對環(huán)境完全沒有破壞作用，而R134a對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，延長了壓縮機的使用壽命；

（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。

通過對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)境友好性強等優(yōu)點，因此選擇R600a作為本文軟件設計的制冷劑。

3 旋翅冷凝器的設計

3.1 模型分區(qū)

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

A. 干壁面過熱氣體區(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)計算。

B. 濕壁面過熱氣體區(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)，是濕潤的，換熱系數(shù)按照干度為1的兩相換熱系數(shù)計算，換熱溫度按照真實的溫度計算。

C. 兩相冷凝區(qū)

在這個區(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 旋翅冷凝器設計計算程序流程圖

圖6 冷凝器管排數(shù)與冷凝器出口溫度的關系

D. 過冷液體區(qū)

在這個區(qū)域，制冷劑飽和液體被進一步過冷。

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。

對任一微元，可以建立如下的方程組：

空氣側(cè)流動換熱方程：

制冷劑側(cè)流動換熱方程：

管內(nèi)外換熱量平衡方程：

微元導熱方程：

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)量流動速率；下標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)算術平均溫度差。計算公式為：

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為單位管長冷凝管表面積：

Af為單位管長翅片表面積：

可以通過下述微元方程組求得微元的長度：

對于單相區(qū)（過冷區(qū)、過熱區(qū)），制冷劑側(cè)換熱系數(shù)αi由Dittus Boeler(1947)的換熱關聯(lián)式計算：

對于兩相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)采用Shah關聯(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)的換熱關聯(lián)式：

3.3 算法設計

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

3.3.1 假設條件

（1）冷凝器內(nèi)制冷劑的流動為一維均相流動，且不考慮壓降；

（2）冷凝器外空氣的流動也視作一維均相流動；

圖7 冷凝器管排數(shù)與冷凝器過冷度的關系

圖8 冷凝器管排數(shù)與冷凝器換熱量的關系

（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；

（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，同時因阻力引起的溫度變化也忽略不計。

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、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主要物性對比表

表2 旋翅冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)與實驗工況

（2）輸出參數(shù)：冷凝器換熱量、冷凝溫度、過冷度、冷凝壓力等。

3.3.3 計算流程圖

如圖5所示。

4 應用實例

用上述冷凝器計算模型對某對開門風冷冰箱用旋翅式冷凝器進行設計計算，并與實驗值進行比較。假設旋翅冷凝器的冷凝管和翅片的規(guī)格以及實驗工況不變，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)以及實驗工況。

圖6～圖8為在相同的參數(shù)（旋翅冷凝器管排數(shù)）變化條件下實驗結(jié)果與軟件計算結(jié)果的趨勢圖。

由圖6～圖8中所示的設計計算結(jié)果可知，本文所建立的旋翅冷凝器計算模型與實驗結(jié)果可以較好地吻合，計算結(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)特點并說明了通過計算機輔助設計對旋翅式冷凝器進行設計計算能夠顯著提高設計質(zhì)量并縮短設計周期；

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

（3）對旋翅冷凝器的實驗結(jié)果與數(shù)學計算模型的計算結(jié)果進行對比，得出本文所建立的計算模型與實驗結(jié)果可以較好地吻合，計算結(jié)果可信。

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

[2] 張春路. 制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真原理與技術. 北京，化學工業(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