家用電冰箱換熱器換熱性能測試研究

徐曉昂

（江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007）

隨著科技的發展，人們對方便生活條件的需求推動了制冷產業的發展。冰箱技術發展到目前服務于國民經濟各領域。我國是冰箱消費生產大國，冰箱產量居世界首位，隨著國家對節能減排的重視，冰箱能耗標準不斷提高。換熱器性能提高對冰箱系統性能有很大影響。非穩態沸騰換熱是主要換熱方式，為準確把握換熱器傳熱性能，需要應用試驗分析方法。有必要開發性能可靠的換熱器性能測試實驗臺，測試它不同結構冰箱換熱系數等性能參數，為冰箱換熱器結構優化設計提供數據。

1 冰箱換熱器性能測試實驗平臺開發

冰箱蒸發器分為直接與間接冷卻方式，按結構分為板式、管式與翅式蒸發器。冰箱冷凝器分為板管式、翅片冷凝器。針對冰箱換熱器部件實驗分析可以排除系統其他部件對性能的影響。衡量冰箱換熱器性能的參數包括換熱系數、進出口溫度等。性能參數大多無法在冰箱整機進行測量，需要在系統處于穩定工況下測量。測試系統穩定運行時，換熱量由換熱器進出口制冷劑焓值確定。換熱器換熱系數用換熱量參數計算獲得。

蒸發器換熱量公式為QE=m(h2-h1)，m為制冷劑質量流量kg/s，h1，h2為蒸發器進出口制冷劑焓值kJ/kg。冷凝器換熱量公式為Qc=m(h4-h3)，m為制冷劑質量流量kg/sh3，h4為冷凝器進出口制冷劑焓值kJ/kg。提出換熱器性能測試實驗系統方案。測試系統包括蒸發器環境模擬室、制冷劑供液機組等。冷凝器模擬室提供冰箱冷凝器恒溫可控工作環境，蒸發器花徑模擬室配備制冷機組，環境模擬室設置溫感器，通過數據采集系統對模擬室溫度進行監控。

考慮實驗操作方便性，擬設計蒸發器環境模擬室尺寸為3000×2500×2500mm，外殼采用彩鋼板制作導熱系數λ=58.2W/m·K，中間使用添加防火劑的聚氨酯泡沫保溫介質，密度ρ=40kg/m3，在模擬室底部布置36塊墊木，木頭導熱系數λ=0.15W/m·K。模擬室對選配制冷機組設計計算選取不利工況。采用照明功率為N的熒光燈，散熱量為Q2=n1，n2N，n1為鎮流器消耗功率系數1.2。N為照明燈具所需功率kW。蒸發器模擬室選用功率36W熒光燈。實驗室要求模擬室溫在半小時內達到要求溫度，計算模擬室空氣蓄熱量Q=Cpm△t/τ，△t為空氣溫度變化值℃；Cp為空氣比熱容J/kg·k；蒸發器環境模擬室負荷為3.075kW，冷凝器模擬室選取制冷量W2為3.5kW制冷機組。

冰箱換熱器熱量小，測量制冷劑液體流量對流量計精度要求高，設置輔助回路分流，流量可由主回路流量與輔助流量差值確定，制冷劑供氣系統包括壓縮機、電磁閥等。制冷劑供液回路中設置流量傳感器，制冷劑流量通過流量傳感器數值比較獲得，蒸發器提供流量調節通過電子膨脹閥調整，壓感器用于測量冷凝壓力，溫感器測量冷凝器制冷劑進出口溫度，蒸發器回路制冷劑節流前溫度。不同實驗模式切換通過閥門完成。冷凝器測試回路不接入測試系統，電磁法關閉。蒸發器測試回路不接入測試系統。

2 冰箱換熱器性能測試系統設計

為測試不同工況下冰箱換熱器性能，對換熱器性能測試系統優化，包括控溫回路與數據采集系統，改造后系統加入恒溫風道，通過對冰箱用微通道在冷凝器不同質量流量進行實驗研究，驗證改造系統穩定性。兩相流熱交換器廣泛應用于各行業，換熱器高效利用非常重要。換熱性能影響制冷系統性能。提高換熱性能措施是提高換熱系數，受到質量流量、熱流密度等各種因素影響。

換熱器幾何形狀等影響其換熱性能，通過對換熱性能影響因素分析實現換熱器設計。許多研究人員對換熱器進行研究，實驗中制冷劑流量較大，開發小流量調節精確換熱器性能測試系統非常重要。可對不同結構換熱器性能進行測試。原測試系統包括測試回路，回路包括齒輪泵、蒸發加熱器，直流電加熱器、板式換熱器等。測試回路壓力通過儲液器制冷劑溫度控制，控溫回路包括冷凝器、控溫電加熱器。控溫壓縮機前設置電加熱器。測試回路中電加熱器，將盲管放入制冷劑管路中。

測試回路與控溫回路同時運行，測試回路與儲液器控溫回路同時運行。驗證系統穩定性，流量可通過泵轉速準確調節。控制系統故障時易出現局部加熱溫度過高，導致測試對時間要求較高。改造測試系統包括恒溫循環風道等。冷凝器、壓縮機回氣加熱器為銅罐，避免控制系統故障持續加熱引發火災危險。根據國家標準利用流量噴嘴測量，選擇開啟不同噴嘴，在噴嘴前后安裝導流柵。

改造后系統測試蒸發器，根據需要設定內部溫度，關閉MV1，開啟測試回路，通過PID控制調節換熱罐中加熱器功率。預熱器調節測試冷凝器入口制冷劑狀態，冷凝器出口液態制冷劑吸熱蒸發。對某工況進行重復性實驗，觀測測試蒸發器入口制冷劑溫度，三次實驗中制冷劑流量與壓力穩定性良好。根據測試蒸發器生產商提供實驗條件，對測試蒸發器換熱量測試。由于系統內潤滑油含量等因素，測試蒸發器換熱量偏差為0.9%。

3 家用電冰箱換熱器性能測試

電冰箱等家電廣泛用于日常生活中，為實現產品制冷等功能需要在特定空間布置換熱部件。換熱器隨著產品更新其種類結構不斷多樣化，當前用戶關注產品綠色環保、安全可靠，對換熱器性能要求不斷提高。

如冰箱柜為提高制冷效果要求換熱器換熱效率高，要求換熱器體積小，管內外側流動阻力低。換熱器設計檢測中要關注材質等外觀要求，了解流體阻力等關鍵技術指標。制定技術可行、保證產品性能的家用電冰箱換熱器性能行業標準非常迫切。

表1 設備參數選取范圍

通過測試裝置獲得數據，可確定法換熱性能相關指標值。如空氣側流體阻力等，測繪系統由風洞系統、被測換熱器等組成，試件A為強制對流式換熱器；試件B為自然對流式換熱器。試件管內實驗介質為水。采用水代替制冷劑實驗可縮短測試時間，換熱熱阻比制冷劑大。測控系統適用于試件AB任意換熱器測試，通過采集相關數據輸出換熱性能指標按設備參數選取范圍確定參數組合，使空氣側測試參數達到規定取值。每次測量延續時間不少于30min。時間間隔不少于1min。

根據測試方法收集分析測試數據，提出換熱器換熱性能測試方法，家用電冰箱蒸發器標準內容彌補現行家用電冰箱換熱器標準關鍵技術指標空缺，為量化評價換熱器性能提供技術依據；試件管內實驗介質為水，可簡化實驗裝置，便于測試結果準確計算；針對不同結構換熱器統一標準測試工況，便于不同換熱器性能橫向比較。標準家用電冰箱換熱器性能測試方法制定對類似用途電氣換熱器相關行業具有指導意義，換熱性能試驗方法對優化產品性能設計具有重要作用。通過實施標準可推動電冰箱換熱器性能測試標準規范化，推動電冰箱核心零部件工作發展，為我國相關標準制定提供標準支撐。

選取某型號冰箱5種形式風冷翅片換熱器樣件，氨強制對流式換熱器對比實驗，工況設定為熱水進口溫度54℃。分析樣件實驗平衡比分布圖，僅2個數據點平衡臂絕對值大于3%。表明實驗熱平衡較好。C光管蒸發器換熱量比A原始蒸發器低25%，B加密翅片蒸發器換熱量比A換熱量高1.7%～5.5%。D普通打圓孔翅片蒸發器比A換熱量降低0.13%～1.55%。5種換熱器空氣側壓降隨著迎風速度增大。B的壓降比DEA高25%。通過研究家用電冰箱換熱器性能測試方法，可實現換熱器獨立件實驗，獲得換熱器真實性能參數。標準對現行國家標準補充，為家用電冰箱性能提升提供技術基礎。