一種D型管節能冷柜產品的研究

李揚 張賽 慶增武 張華偉

（美的冰箱事業部研發中心 安徽合肥 230601）

0 引言

隨著人們節能意識的提高及市場競爭的加劇，日常生活中的節能產品也越來越多。家用電器冷柜的節能也越來越多地被關注，對冷柜產品的要求不僅體現在能耗低上，更要求其具有冷凍能力大的特點，因此對冷柜產品節能的研發任重而道遠。冷柜產品的節能可通過以下幾個方面來實現：加厚發泡層；提高制冷循環的效率；高效壓縮機；減小冷柜的熱負荷；減小循環開停的損失。[1-2]

現今，冷柜產品的繞管式蒸發器一般采用圓形鋁管，雖然能實現溫度的降低，但圓管與箱膽的接觸面積較小，通過熱傳導傳出的熱量也比較少（由于冷柜的內膽與箱體之間充滿發泡液，故無需考慮對流換熱和熱輻射），這就會在一定程度上造成浪費。因此，如何增加鋁管與內膽的接觸面積，增大單位面積的換熱量，是研發設計人員的一個研究方向。基于低能耗、高性能、低成本產品的開發目的，本文提出采用D型管來增加蒸發器與箱膽的接觸面積，降低了產品的能耗，從而實現節能的目的。

1 D型管的成型原理

D型管主要是借助一個滾輪結構，由繞管機設備轉動牽引拉伸壓扁而成，其主要機構如圖1所示，由一個圓柱滾輪和一個U型滾輪及一些其他輔助裝置構成。工作原理是繞管機轉動的同時兩個輪子壓緊使管子成型，隨著繞管機的轉動擠壓成型，D型管成型后直接貼附在內膽表面，鋁箔膠帶同步貼附，完成繞管之后，自動割斷管子。

2 D型管傳熱分析

D型管蒸發器與同管徑圓管蒸發器相比，與內膽直接接觸面積增加了，從而使其傳熱效率大幅提升，有利于箱內溫度的降低；鋁制圓管成D型后，蒸發器管內容積減小，在滿足蒸發溫度的情況下，相當于增大了冷凝器的冷凝效果；另一方面管內容積的減小，也降低了制冷劑的充注量[3]，這對某些對于有充注量上限要求的產品是十分有利的。

圖1 D型管成型設備結構圖

表1 D型管與圓管數據對比

表2 D型管與圓管能耗及空載PD測試數據對比

采用FLUENT軟件對D型管與圓管傳熱效果的仿真分析，兩者采用相同的邊界條件：換熱系數取的是空氣常溫下的值10W/(m2?K)，環境溫度取25℃，初始溫度為25℃，給定D型管的內壁溫度。圖2是模擬仿真得到的溫度分布圖。

圖2中，L是距離內膽的距離，D是鋁管的外徑，從溫度分布曲線來看可知，與圓管蒸發器對比，采用D型管蒸發器與箱內溫差更小些，這是因為D型管與內膽接觸面積大，能更有效地利用管內制冷劑的氣化潛熱帶走箱內的熱量；D型管與內膽的貼附比較緊密，不凝氣體的殘留較圓管會減少，從而減小其傳熱熱阻，提高蒸發器的換熱效率。

圖3是為FLUENT軟件對圓管與D型管的傳熱溫度場作出仿真分析，從圖中可以觀察到采用D型管使箱內溫度分布更加均勻，這對儲存在箱內的食物是有利的。D型管應力較小[4]，減少了繞管過程中的起翹現象，尤其是拐角處的起翹，這是箱內溫度分布均勻的關鍵影響因素；同時，D型管的高度H比圓管直徑小，這在一定程度上增加了箱體泡層的厚度，使冷柜的保溫效果提高[5]，減小了冷柜的熱負荷。

3 D型管截面的研究分析

D型管的管截面是影響其傳熱效果的關鍵因素，因此，對其截面作進一步的研究具有十分重要的意義。截面太小，D型管與內膽之間的接觸面積太小，換熱量也相應減小，不能達到很好的制冷效果；截面太大，就勢必將管子壓得太扁，造成內容積減小，相應的蒸發面積也會有所減小，反而達不到預期的效果，所以D型管的截面必定有一個最佳的合適的截面。

圖4為7.5*0.75鋁管壓成D型管與現有成熟產品使用的7*0.75鋁管進行理論計算的對比分析。其基本原理是將7.5*0.75的鋁管壓制成D型，若要使其內容積與原來的盡可能保持一致，就需要保證成型后的管截面面積一致，理論計算如圖4。

根據7*0.75mm鋁管內容積不變的原理，要求7*0.75mm圓管截面面積與7.5*0.75mmD型管截面面積相同，即S1=S2，角度a=55°，那么D型管的壓扁尺寸及其截面寬度尺寸如圖5。

根據計算結果進行換熱數據分析得出表1所示數據：圓管蒸發器的換熱量是0.246W，D型管蒸發器的換熱量是0.3494W，是圓管的1.42倍，其換熱效率明顯提升，分析數據如表1所示。

圖2 D型管與圓管溫度分布曲線

圖3 D型管與圓管溫度分布云圖

圖4 鋁管圓形和D型理論計算

圖6 空載PD測試曲線與數據圖

圖5 D型管的壓扁尺寸及其截面寬度尺寸

圖7 能耗測試曲線與數據圖

4 實驗測試數據比較

本次實驗測試以目前本公司正常生產的BD142型號的冷柜作為研究測試對象，根據實驗目的主要對能耗及空載PD測試數據進行對比。

從表2測試數據來看，與圓管相對比，有以下幾個方面的改變：（1）充注量方面，D型管內容積減小，其充注量減少了20g；（2）運行功率方面，由于充注量的減少，壓縮機的輸入功率也降低了3.5W；（3）降溫速度方面，基本上沒有太大變化PD曲線如圖6；（4）能耗方面，D型管在能耗上的改變較為明顯，能耗值從0.57降低到0.53，約提升7%左右。D型管蒸發器的節能主要體現在D型管提升了蒸發器的換熱效果，降低了運行功率和運行率，從而使得能耗得以降低，能耗測試曲線如圖7所示。

5 總結

與圓管蒸發器相比，D型管蒸發器所具有的優勢體現在：D型管與內箱的換熱面積增加了，提高了該蒸發器的換熱量；D型管的高度H比圓管直徑小，這在一定程度上增加了箱體泡層的厚度，使冷柜的保溫效果提高，減小了冷柜的熱負荷；D型管的應力較小，減少了繞管過程中的起翹現象，使箱內的溫度分布更均勻；D型管與內箱粘貼較圓管密實，減小不凝氣體的殘留，從而使傳熱熱阻減小，提高蒸發器的換熱效率[6]。

本文所研究的能耗降低對于目前競爭激烈的家電行業來說意義重大，一是節能本身就是一個賣點，而且趨勢越來越明顯；二能耗降低了，產品本身的配置就可選用相對較低效的壓縮機，這樣使產品成本降低很多，對于企業來說，其產品的競爭力也將有所提升。鋁制D型管的制作和成型應用目前是行業首創，并且已經申請專利，此鋁管直接成型D型管技術的應用將會有很好的市場前景及趨勢。因此，本文的研究對節能領域具有一定的理論指導和實際價值。

[1] 李艷芹，張德海. 一種節能低噪臥式冷柜的設計[J].家電科技，2008(3):58-59;61.

[2] 張艷. 三溫室冰箱的節能方案研究[J].制冷技術，2011,31(1):15-17.

[3] 張波，郭凱，陳旭峰等. 制冷劑充注量對冷柜系統影響的實驗研究[J].制冷空調與電力機械，2002(4):13-16.

[4] 陳天及，申江，孫英英. 臥式冷柜蒸發器布置形式的改進[J]. 流體機械，1996(1):56-60.

[5] 俞炳豐，葛軍，王志剛等.冷凍箱內溫度場、速度場的計算模擬[J]. 制冷學報，1997(1):53-59.

[6] 毛正榮，趙巍，張華等.低溫冷柜內空氣的傳熱與流動特性研究[J]. 上海理工大學學報，2003(1):21-23;27.