冰箱外置风冷冷凝器研究

2021-04-09汤申杰黄胜华骆桂涛

日用电器 2021年2期

关键词：制冷量风冷冷凝器

陈俊汤申杰黄胜华圣洁骆桂涛

（长虹股份有限公司合肥 230601）

引言

近年来，大容积段冰箱销售占比逐年攀升。这类大容积冰箱热负荷大，一般需配置外置风冷冷凝器进行散热。为适用不断提高的能效要求，对提升风冷冷凝器的换热能力和换热效率进行研究显得十分的必要。

本文以一款配置外置风冷冷凝器的对开门冰箱产品作为研究对象，通过优化风冷冷凝器的设计和冷凝风循环系统，最终达成了降低整机耗电量、改善高环温下开机率提升产品可靠性的目标。

1 理论分析

图1是某款冰箱用压缩机制冷量和制冷效率（以下简称“COP”）随制冷系统冷凝温度变化而变化的关系曲线，从图中可以看出，压缩机的制冷量和COP都会随着制冷系统冷凝温度的降低而上升，即提升冷凝端的换热效率，降低冷凝温度能有效的提升制冷系统的制冷量和COP。

图1 冷凝温度与COP/制冷量的关系曲线

根据传热学[1]知识，冰箱系统冷凝器的换热关联式可表示为：

式中：

Qcon—冰箱系统的冷凝负荷；

h—冷凝器的空气侧传热系数；

Acon—冷凝器空气侧有效传热面积；

Tcon—冷凝温度；

Tair—外界环境空气温度。

由式（1）可知，在冰箱系统冷凝负荷Qcon一定的情况下，可通过提高冷凝器的空气侧传热系数h和增加冷凝器的换热面积Acon来达到缩小换热温差，降低系统冷凝温度，并以此来提升冰箱制冷系统制冷量和制冷效率的目的。

2 优化方案

基于上述理论分析，从两方面着手进行优化并进行试验验证：

1）优化风冷冷凝器的设计方案：在保持冷凝器安装空间不变的前提下，加大冷凝器的换热面积；

2）优化冷凝风循环设计：提升冷凝循环风量；优化减少进、回风的短路问题。

2.1 优化冷凝器设计

冰箱所用风冷冷凝器其主要的换热形式为对流换热，根据传热学[1]知识可知，要增加其换热量可以通过加大温差、增加表面传热系数以及增加换热面积三种方法来实现。但是增加温差是以增加过程的不可逆损失为代价的，同时也会受到具体工艺技术的制约，很少采用。

综合考虑成本、噪声等因素，本次优化采取增加换热面积的方案。根据传热学[1]知识可知，在换热管表面增加肋片的方式是一种有效的增加换热器换热面积的方法。因此，增加换热面积具体方案确定为：将原设计的丝管式冷凝器替换为旋翅式冷凝器（图2）。

图2 两种风冷冷凝器外形对比

从表1的对比数据可以看出，两种冷凝器的外形尺寸基本一致，但旋翅式冷凝器冷凝管路的换热面积增加了7 %，翅片换热面积增加了140 %。此外，旋翅式冷凝器是将钢带（或铝带）紧密的缠绕在冷凝管上加工而成，钢带（或铝带）与冷凝管路之间为紧密的360°包围式面接触，相比较于丝管冷凝器点焊丝管的肋化方式，其肋化效率更高，接触热阻更小。

表1 风冷冷凝器外形尺寸与散热面积对比

2.2 优化冷凝风循环

优化方案的第二步从提高冷凝风量和提升冷凝器的利用率着手。

提高冷凝风机的转速、加大冷凝风扇的半径、优化扇叶的形状都是提高风量的有效手段。但增加转速意味着增加噪声；加大扇叶半径受安装空间的限制；优化扇叶形状过于专业，短期内无法获得有效的改进方案。因此，提升冷凝器与循环风的接触面积和减少冷凝循环风短路情况的发生是可实现的有效手段。

从图3所示的冷凝风循环示意图可以看出，在压缩机底板内侧开孔（图3线框位置），可增加冷凝器内侧的循环风量，提升冷凝器内侧的换热效果。

图3 冷凝风循环示意图

此外，由于进风端和出风端之间不能设计隔断进行分隔，因此不可避免的会有一部分循环风从出风端排出后在还没有来得及将其所带的热量释放到外界环境就被重新吸入进风端参与下一循环的换热，即俗称的风循环“短路”。借助CFD仿真分析，对压缩机后盖板的设计进行优化，将进风端风口和出风端的风口设计为背靠背带导向的形式（图4所示），增加风循环从出风端循环至进风端的阻力，可有效的减少风循环短路的发生。CFD的分析结果（图5）证实只有少量循环风存在短路现象。