一种D型管节能冷柜产品的研究

李扬 张赛 庆增武 张华伟

（美的冰箱事业部研发中心 安徽合肥 230601）

0 引言

随着人们节能意识的提高及市场竞争的加剧，日常生活中的节能产品也越来越多。家用电器冷柜的节能也越来越多地被关注，对冷柜产品的要求不仅体现在能耗低上，更要求其具有冷冻能力大的特点，因此对冷柜产品节能的研发任重而道远。冷柜产品的节能可通过以下几个方面来实现：加厚发泡层；提高制冷循环的效率；高效压缩机；减小冷柜的热负荷；减小循环开停的损失。[1-2]

现今，冷柜产品的绕管式蒸发器一般采用圆形铝管，虽然能实现温度的降低，但圆管与箱胆的接触面积较小，通过热传导传出的热量也比较少（由于冷柜的内胆与箱体之间充满发泡液，故无需考虑对流换热和热辐射），这就会在一定程度上造成浪费。因此，如何增加铝管与内胆的接触面积，增大单位面积的换热量，是研发设计人员的一个研究方向。基于低能耗、高性能、低成本产品的开发目的，本文提出采用D型管来增加蒸发器与箱胆的接触面积，降低了产品的能耗，从而实现节能的目的。

1 D型管的成型原理

D型管主要是借助一个滚轮结构，由绕管机设备转动牵引拉伸压扁而成，其主要机构如图1所示，由一个圆柱滚轮和一个U型滚轮及一些其他辅助装置构成。工作原理是绕管机转动的同时两个轮子压紧使管子成型，随着绕管机的转动挤压成型，D型管成型后直接贴附在内胆表面，铝箔胶带同步贴附，完成绕管之后，自动割断管子。

2 D型管传热分析

D型管蒸发器与同管径圆管蒸发器相比，与内胆直接接触面积增加了，从而使其传热效率大幅提升，有利于箱内温度的降低；铝制圆管成D型后，蒸发器管内容积减小，在满足蒸发温度的情况下，相当于增大了冷凝器的冷凝效果；另一方面管内容积的减小，也降低了制冷剂的充注量[3]，这对某些对于有充注量上限要求的产品是十分有利的。

图1 D型管成型设备结构图

表1 D型管与圆管数据对比

表2 D型管与圆管能耗及空载PD测试数据对比

采用FLUENT软件对D型管与圆管传热效果的仿真分析，两者采用相同的边界条件：换热系数取的是空气常温下的值10W/(m2•K)，环境温度取25℃，初始温度为25℃，给定D型管的内壁温度。图2是模拟仿真得到的温度分布图。

图2中，L是距离内胆的距离，D是铝管的外径，从温度分布曲线来看可知，与圆管蒸发器对比，采用D型管蒸发器与箱内温差更小些，这是因为D型管与内胆接触面积大，能更有效地利用管内制冷剂的气化潜热带走箱内的热量；D型管与内胆的贴附比较紧密，不凝气体的残留较圆管会减少，从而减小其传热热阻，提高蒸发器的换热效率。

图3是为FLUENT软件对圆管与D型管的传热温度场作出仿真分析，从图中可以观察到采用D型管使箱内温度分布更加均匀，这对储存在箱内的食物是有利的。D型管应力较小[4]，减少了绕管过程中的起翘现象，尤其是拐角处的起翘，这是箱内温度分布均匀的关键影响因素；同时，D型管的高度H比圆管直径小，这在一定程度上增加了箱体泡层的厚度，使冷柜的保温效果提高[5]，减小了冷柜的热负荷。

3 D型管截面的研究分析

D型管的管截面是影响其传热效果的关键因素，因此，对其截面作进一步的研究具有十分重要的意义。截面太小，D型管与内胆之间的接触面积太小，换热量也相应减小，不能达到很好的制冷效果；截面太大，就势必将管子压得太扁，造成内容积减小，相应的蒸发面积也会有所减小，反而达不到预期的效果，所以D型管的截面必定有一个最佳的合适的截面。

图4为7.5*0.75铝管压成D型管与现有成熟产品使用的7*0.75铝管进行理论计算的对比分析。其基本原理是将7.5*0.75的铝管压制成D型，若要使其内容积与原来的尽可能保持一致，就需要保证成型后的管截面面积一致，理论计算如图4。

根据7*0.75mm铝管内容积不变的原理，要求7*0.75mm圆管截面面积与7.5*0.75mmD型管截面面积相同，即S1=S2，角度a=55°，那么D型管的压扁尺寸及其截面宽度尺寸如图5。

根据计算结果进行换热数据分析得出表1所示数据：圆管蒸发器的换热量是0.246W，D型管蒸发器的换热量是0.3494W，是圆管的1.42倍，其换热效率明显提升，分析数据如表1所示。

图2 D型管与圆管温度分布曲线

图3 D型管与圆管温度分布云图

图4 铝管圆形和D型理论计算

图6 空载PD测试曲线与数据图

图5 D型管的压扁尺寸及其截面宽度尺寸

图7 能耗测试曲线与数据图

4 实验测试数据比较

本次实验测试以目前本公司正常生产的BD142型号的冷柜作为研究测试对象，根据实验目的主要对能耗及空载PD测试数据进行对比。

从表2测试数据来看，与圆管相对比，有以下几个方面的改变：（1）充注量方面，D型管内容积减小，其充注量减少了20g；（2）运行功率方面，由于充注量的减少，压缩机的输入功率也降低了3.5W；（3）降温速度方面，基本上没有太大变化PD曲线如图6；（4）能耗方面，D型管在能耗上的改变较为明显，能耗值从0.57降低到0.53，约提升7%左右。D型管蒸发器的节能主要体现在D型管提升了蒸发器的换热效果，降低了运行功率和运行率，从而使得能耗得以降低，能耗测试曲线如图7所示。

5 总结

与圆管蒸发器相比，D型管蒸发器所具有的优势体现在：D型管与内箱的换热面积增加了，提高了该蒸发器的换热量；D型管的高度H比圆管直径小，这在一定程度上增加了箱体泡层的厚度，使冷柜的保温效果提高，减小了冷柜的热负荷；D型管的应力较小，减少了绕管过程中的起翘现象，使箱内的温度分布更均匀；D型管与内箱粘贴较圆管密实，减小不凝气体的残留，从而使传热热阻减小，提高蒸发器的换热效率[6]。

本文所研究的能耗降低对于目前竞争激烈的家电行业来说意义重大，一是节能本身就是一个卖点，而且趋势越来越明显；二能耗降低了，产品本身的配置就可选用相对较低效的压缩机，这样使产品成本降低很多，对于企业来说，其产品的竞争力也将有所提升。铝制D型管的制作和成型应用目前是行业首创，并且已经申请专利，此铝管直接成型D型管技术的应用将会有很好的市场前景及趋势。因此，本文的研究对节能领域具有一定的理论指导和实际价值。

[1] 李艳芹，张德海. 一种节能低噪卧式冷柜的设计[J].家电科技，2008(3):58-59;61.

[2] 张艳. 三温室冰箱的节能方案研究[J].制冷技术，2011,31(1):15-17.

[3] 张波，郭凯，陈旭峰等. 制冷剂充注量对冷柜系统影响的实验研究[J].制冷空调与电力机械，2002(4):13-16.

[4] 陈天及，申江，孙英英. 卧式冷柜蒸发器布置形式的改进[J]. 流体机械，1996(1):56-60.

[5] 俞炳丰，葛军，王志刚等.冷冻箱内温度场、速度场的计算模拟[J]. 制冷学报，1997(1):53-59.

[6] 毛正荣，赵巍，张华等.低温冷柜内空气的传热与流动特性研究[J]. 上海理工大学学报，2003(1):21-23;27.