（热能工程专业论文）冰箱用微细管路冷凝器理论和实验研究.pdf

摘要 摘要 当今世界能源日趋紧缺的情况下，耗费电能占很大比重的家电产品如何在节 能上挖掘潜力，取得突破是一个大课题。本文在分析了家用冰箱节能途径的基础 上，提出从冷凝器入手，以进一步降低冰箱能耗。 本文以减小冷凝器压力损失为切入点，提出了一种多路微细冷凝管并联的方 法，一方面可增大总流通截面，另一方面也可以减少相对流动管长，两方面同时 都能达到减小压力降的目的。而且这种多根管并联的情况，客观上也提高了冷凝 器外壁面的平均温度，起到加强散热的作用。由于尺度效应的存在，在普通管变 微细管后，管内冷凝换热系数也明显增大。在冰箱工况下，理论循环c o p 提高 5 以上。 本文从冰箱工作原理入手，建立了核心耗能部件压缩机的数学模型和本课题 研究对象冷凝器的数学模型，并且分相段、分管径大小综述了当前在表面换 热系数和压力降方面的研究成果，利用它们对普通管冷凝器和微细管路冷凝器进 行了比较。最后，通过实验测试了一台冰箱换装新型冷凝器前后制冷性能的变化。 关键词：冰箱；微细管：冷凝器 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc a s eo ft h ec u e n ts e r i o u se n e 唱es h o n a g e sa l lo v e rt 1 1 ew o r i d ，h o wt om a k e h o u s e h o l de l e c t r i c a l a p p l j a n c e s ，w h i c h i so n eo ft h em o s t e n e 唱yc o n s u m p t i o n p r o d u c t s ，m o r ee f n c i e n tb e c o m e sm o r ea i l dm o r ei m p o n a n t b a s e do nt h ea n a l y s i so f e n e r g y - s a v i gw a y st or e 仃i g e r a t o r s ，t h i sp 印e rb r i n g s f o n a r dan e wc o n d e n s e r s t r i l c t u r et oh o u s e h o l dr e f r i g e r a t o ri no r d e rt oi m p r o v ep e r f b m a i l c et os u c hl ( i n do f p r o d u c t s t h i sp a p e ri m m d u c e dm i c r o c h a n n e l t e c h n o l o g yi n t or e f r i g e r a t o ra n ds e tu pan e w s t r u c t u r co fm u l t i m i n i t u b e sp a r a l l e lc o n n e c t i o nf o rc o n d e n s e rl o s s t h i ss t r u c t u r en o t o n l yc a nr e d u c et h ep r e s s u r ed r 叩i nc o n d e n s e rb u ta l s oc a ni m p m v et h eh e a tt r a n s f e r e m c i e n c yb yb 培n o ws e c t i o na r e aa n ds h o r tn o wd i s t a n c e ，a n db yh i 曲a v e f a g e t e m p e f a t u r eo fc o n d e n s e la l s o ，t h ec o n v e d i v eh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n ti nt h e m i n i t u b e sc a ni m p r o v eg r e a t l yb e c a u s eo fs c a l ee f 诧c t t h u si tg r e a t l ye n h a n c e st h e h e a t t r a l l s f e li ns t a n d a r dc o n d i t i o no fr e f r i g e m t o rt e s t i n g ，t h ec o po ft h e o r e t i cc y c l e c a nb ei m p m v e db y5 t h ew o f k m gp r i n c i p l eo fr e f r i g e r a t o r sw a sa n a l y l z e da tf i r s ti nt h i sp 印e r ，a n d t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e l so fc o m p r c s s o rw h i c hi st h em a j o re n e 唱yc o n s u m p t i o n p a n ，w a se s t a b l i s h e da n dt h em a t h e m a t i cm o d e lo fh e a tt r a s f c ri nc o n d e n s e lt h e r e s e a r c hr e s u l t so fc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f c rc o e f f i c i e n ta n dt h ep r e s s u r el o s sb y d i 雎r e n t r e f r i g e r a n t s a n dd i a m e t e r sw e r ea l s o s u m m a r i z e d f u n h e r m o r e ， t h e d i 任e r e n c eb e t w e e nt r a d i t i o n a lc o n d e n s e ra i l dm i n it u b ec o n d e n s e rw a sc o m p a f e d a t 1 a s t ，t h er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t ya n dp e r f o 珊a n c eo fas a m p l ew i t hm i n i - t u b ec o n d e n s e r w a st e s t e d k e y w o r d s ：r e f r i g e r a t o r ；m j c r o - t u b e ；c o n d e n s e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：尊日期：二丛型超 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 硌尊翩签名趣嗍础：五罗 第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 家用冰箱的市场状况 1 9 1 8 年美国k e l v i n a t o r 公司推出了世界上第一台机械制冷方式的家用冰箱， 如今世界上发达国家普及率已经达到9 5 一9 9 。1 9 5 6 年沈阳医疗器械厂生产 出我国第一台电冰箱，在改革开放尤其是上世纪9 0 年代开始，我国冰箱产量连 年人幅增长，据国家统计局数据，至20 0 4 年突破30 0 0 万台之后，20 0 5 年又 突破32 0 0 万台大关。同时，世界冰箱年产量已达78 3 5 万台，如此巨大的产 量，以及以及我国连续的高增长率，加上我国年均千万余台的销量，不可避免 地对我国的电力等方面产生巨大盼影响。 目前，我国是世界上最大的冰箱生产和使用国。家用电冰箱在中围城市家庭 中的普及率己超过9 1 ，其用电量约占中国居民用电量的5 0 左右。使用的日 益普及带束了耗电量的不断增长，按2 0 0 0 年初冰箱产量和能耗水平，在这些冰 箱的寿命期内，预计在今后的十年将需要6 0 1 0 亿度的电量，约为3 0 0 0 亿人民 币，而且需要增加5 7 0 0 兆瓦的发电能力。3 。而由于中国8 0 的电力来自火力发 电由此产生的二氧化碳及其他有害气体的排放造成了严重的环境和健康问题， 1 9 9 5 年，电力生产引起二氧化碳的排放占中围二氧化碳总排放的三分之，造 成酸雨、环境温度升高等严重的大气污染口j 题。因此在当前大气污染十分严重 的形势下，降低电冰箱的耗电量水平、丌发节能冰箱就显得尤为重要，对于保 护环境具有积极的意义。 从围际市场来看，各发达国家已先后颁布关于家用冰箱的法律法规和标准， 如美国颁布了能源法，制定了包括冰箱在内的十二种家用电器的能耗p h 制标准； 日本实施了家用电器系列节能标准：欧洲对冰箱实行了能效等级标准：此外， 加拿大、澳大利亚、台湾、香港等国家和地区也制定或实施r 电冰箱的能效标 准，近年来更是大幅提高了效率标准等级，更在客观上对我国产品的出口形成 了一个绿色壁垒，对于我们这样一个冰箱产量过半数需要外销的山口大困而占， 提高冰箱的能耗水平，与国际水平接轨，增加我匿家r | l 产品在国内外市场上的 提高冰箱的能耗水平，与国际水半接轨，增加我国家电产品在国内外市场上的 北京工业大学工学硕士学位论文 竞争力，已成为生产企业的重要任务。 此外，从降低成本的角度考虑，冰箱使用的材料，如钢材价格，随着进口 铁矿石去年超过7 1 的涨幅，而同时上扬，如何能在保证同样性能的情况下减 少各种耗材，也具有重要意义。 我国家用电冰箱耗电量限定值及能源效率等级( g b l 2 0 2 1 2 2 0 0 3 ) 已经 出台，强制性地要求在冰箱上进行技术改进和创新，以更加节能。如何最大限 度地减少耗电量，同时在资源环保上有更大改进，成为冰箱行业一个重要课题。 1 1 2 冰箱节能途径分析 为了提高家用冰箱的效率水平，当前主要从制冷系统的如下环节来改进， ( 1 ) 开发各种型式的高效率压缩机呻1 ：包括新型气阀的设计，进气方式的改 进，减小进气过热，增大输气系数，通过使用低粘度润滑油、减小压缩机摩擦 功率来提高电机效率等；( 2 ) 高效换热器的研究和使用：改进管路的布置，减 小管内外导热热阻，以及新型蓄冷式换热器；( 3 ) 制冷系统的设计和改进：改 进循环回路，开发双温双控系统等：( 4 ) 减少环境向箱体内漏热：使用导热系 数小隔热效果好的材料，改进发泡技术，利用微孔发泡，改进门封和设计更合 理的箱体结构等。 可以说，技术改进领域已经涉及到了冰箱中的方方面面，冰箱的节能效果 改善得也非常明显，在冰箱行业内，通常用“能效指数”来评价电冰箱的能效 水平。能效指数是用某种冰箱在标准状态下的实测耗电量与该型号产品国家标 准计算出的耗电限定值的比值，比值越小，能效指数越高，也就是冰箱越节能。 如下图1 1 所示即为近年实测冰箱耗电与原家用电冰箱耗电限定值及节能评 价值的比较能效指数，可以看出，1 9 9 9 年至2 0 0 1 年冰箱的节能水平是大幅 提高的，但自2 0 0 1 年之后节能水平增长趋于平缓。 鼎 靼 耧 善 a 珊 钆 年( y 刚 图1 1 冰箱的平均能效指数变化图”1 f 培1 - 1r e f r i g e r a t o r sa v e r a g ee n e 唱ye 罐c i e n c y 第l 章绪论 1 2 冰箱冷凝器研究进展 从家用冰箱使用的蒸气压缩制冷循环的理论，结合压焓图可分析得出，在 系统中，提高冷凝换热效果，降低冷凝压力，能更显著地提高循环的c o p 值， 因而本文期待从冷凝器改进入手来改进冰箱性能。 1 2 1 冷凝器的类型及改进 1 2 1 1丝管式冷凝器丝管式也叫管线式、钢丝式，它是在留5 6 m m 镀铜钢 管两侧点焊妒1 5 m m 的钢丝而成，传热性能较好，材料费用低，但工艺较复杂， 强度差，极易被损坏，在搬运时更需注意。丝管式冷凝器一般布置在冰箱背后， 并与冰箱背面保持一定的距离，有利于冷凝器换热和减小向冰箱壳体的漏热量， 但长期使用会由于灰尘等积累增大传热热阻而降低传热系数，并且随着人们对 美感的要求，市场上采用这种冷凝器的产品日渐减少。 丝管式冷凝器一般是垂直布置，如此布置则占用空间相对较少，文献 7 比较了这种布置方式与倾斜于箱体后壁布置方式散热机理的异同，如图1 2 和 图1 3 所示，证明了垂直布置时冷凝器上部受到下部空气的影响较小，增大了 传热温差，同时不能充分利用每根管子的外表面，当倾斜3 0 一5 。时，可加强空气 侧换热系数1 0 左右。 唧代归f 焉鹰 囝歹 f 。一环境髓睦夺t ) 3 m m ) 不同。基于大通道内凝结换热实验数据的关联式很难 北京工业大学工学硕士学位论文 应用于微细通道。近年来国际上对微细尺度的研究和应用已经如火如荼地展开， 就家用冰箱相近的管径和流体来说，y a n 和l i n ”研究发现r 1 3 4 a 在管径为2 m m 内的凝结换热系数在整个干度范围内比e c k e l s 和p a t e 。1 在内径为8 m m 的通道 内得到的凝结换热系数高1 0 。w 曲b 和e m 妒”也发现随着管径的减小，r 1 3 4 a 等制冷剂凝结换热系数增大。s l l i n 和m 【3 1 】认为管径的减小，有明显的强化效 应，特别是在高流速区。 总的来说，更适合于细管的各种流型，针对特定制冷剂如r 1 3 4 a 和r 6 0 0 a 的冷凝换热的研究越加强，对冷凝器换热的设计计算就越准确，换热关联式也 才能更完善。 1 4 本文所做的工作 本文从以下方面着手，来进行工作： 1 分析冰箱系统的工作原理，各部件的耦合关系，并建立数学模型，动态分析 制冷循环的变化对冰箱性能的影响； 2 利用已有的实验和理论值，从理论上比较新型冷凝器的换热性能与原型式冷 凝器的不同，设计并定型新型冰箱用冷凝器，此过程中编制综合考虑管内冷 凝换热系数、接触热阻、污垢热阻和管壁热阻等因素的冷凝器设计计算程序。 加工出样机，同时对选定实验用冰箱进行改装； 3 测试改装6 f 后冰箱整机性能的变化，分析原因，得出可用的结论。 第2 章冰箱【：作过程的基本理论 第2 章冰箱工作过程的基本理论 目前家用冰箱绝大部分采用蒸气压缩式制冷系统，这种冰箱的简图如图2 1 所示，它基本包括3 大部分，即制冷系统，控制装置和箱体部分。 d 照明灯 。保湿盖板 冷冻室抽穗 ) 糕瘟 2 ，搁物架 。倮湿盒 。电源摇头 。 图2 1 冰箱结构简图 f i g 2 1r e 衔g e r a t o rs t n l 咖r e 制冷系统是冰箱中起制冷作用的一套封闭的循环装置，一般有压缩装置 压缩机组，包括压缩机、电动机、密闭壳体；冷凝装置冷凝器，有的冰箱将 冷凝器细分为蒸发水皿加热盘管、主冷凝器、防露管等均起到冷凝作用的三部分； 冷却装置蒸发器，间冷式无霜冰箱还包括冷却用风扇和电机；节流装置 毛细管；干燥除污装置干燥过滤器；制冷剂r 1 3 4 a 或r 6 0 0 a 等；制冷剂 流动管道排气管、回气管等。制冷系统隐藏在冰箱内部，只有在打开箱门时 能看到问室中的蒸发器。 控制装置起到控制冰箱丌停和温度调节的作用，一般有温度控制部件机 械或电子式温度控制器；电动机启动部件起动继电器，起动用电容器；熔霜 部件熔霜电加热器；照明部件箱内照明灯和灯开关；安全保护部件 热过载保护继电器等。控制装置是人机交互的手段，简单易用、精确控制是发展 的方向。 所谓箱体直观上认为是图2 1 中所能看到和触摸的物理结构，从外到内分别 北京工业大学工学硕士学位论文 有外箱壳、绝热材料、内胆，箱门、门内衬、磁性门封胶条；以及门把手和各种 附件搁架、制冰盒、蔬菜盒等。 2 1 单级蒸气压缩制冷循环 2 1 1 理论循环 电冰箱制冷循环包括节流、蒸发、压缩和冷凝4 个过程，而蒸发器、压缩机、 冷凝器和节流阀是蒸气压缩制冷系统的4 个必不可少的基本部件，如图2 2 和图 2 3 所示。 i 殊露茜2 干燥过滤器3 冷凝器 4 蒸发器5 毛细管6 ，刨气管 7 压缩机s ，排气管 图2 2 蒸气压缩制冷系统实物简图 f 远2 2p r a c t i c a l i t yo fv a p o rc o i n p r e s s i o nr c f r i g e m t i i l gs y s t c m 它们之间用管道连接，形成一个封闭系统。制冷剂在系统内不断地循环流动， 同时发生状态变化，并与外界进行能量交换，从而实现制冷目的。 其工作过程是：压缩机从蒸发器吸入低压低温制冷剂蒸气，经过压缩使其压 力和温度升高后排入冷凝器；在冷凝器中制冷剂蒸气的压力不变，放出热量而被 冷凝成高压液体，高压液体制冷剂经节流装置，压力和温度同时降低进入蒸发器； 低压低温制冷剂气液混合物在蒸发器内压力不变，不断吸热( 即制冷) ，蒸气被压 缩机吸走。这样制冷剂便在系统内经过压缩、冷凝、节流和蒸发这样四个过程完 成了一个制冷循环。 在单级蒸气压缩式制冷机中，除了上述四大部件外，为了保证制冷装置的经 1 0 第2 章冰箱工作过程的基本理论 济性和运行安全，还需增加其它许多辅助设备，如过滤器、油分离器、贮液器等。 白，0 图2 - 3 单级蒸气压缩式制冷系统 f i g 2 - 3s i n 罾es t a g ev a p o rc o m p 化s s i o nr e 衔g e r a t i n gs y s t e m 图2 3 即为单级蒸气压缩制冷系统，将循环各工作过程表示在压焓图上， 便如图2 4 所示。 图2 - 4 单级蒸气压缩式制冷循环在压焓图上的表示 f i g 2 - 4p r e 嚣u 陀e n 恤a i p yc h a r to fs i n g l es t a g ev a p o rc o m p r e s s i o nr e 蜘g 盯a t i n gd r c u l a t i o n 状态1 ：制冷剂进入压缩机的状态。如果不考虑管路的冷量损失，该状态与 制冷剂出蒸发器时的状态相同。在理想情况下该点即蒸发温度f 。下的饱和蒸气状 态。根据p 。= ，纯) 的关系，将蒸发压力下的等压线p 。= c 与干饱和蒸气线相交 的交点即是点1 的状念。 状态2 ：制冷剂出压缩机( 也就是进冷凝器) 时的状态，过程1 2 即为制冷 剂在压缩机内的压缩过程。理想情况下，这一过程为绝热过程即等熵过程，此过 程中制冷剂与外界没有热量交换。点2 的压力即为冷凝压力p 。，因此将压力为以 的等压线与通过点1 的等熵线s = s ，的交点即为点2 的状态。 北京工业大学工学硕十学位论文 状态4 ：制冷剂在冷凝器内凝结成饱和液体的状态。2 3 4 过程表示制冷 剂在冷凝器内的冷却2 3 和冷凝3 4 过程。在这一过程中，压力始终保持不变 ( p 。= 定值) ，首先将进入冷凝器的过热蒸气冷却成饱和蒸气( 3 点) ，然后再在压 力不变的情况下冷凝成饱和液体( 4 点) 。因此由压力为p 。的等压线与饱和液体线 的交点即为点4 的状态。 状态5 ：即制冷剂出节流阀时的状态，亦即进蒸发器时的状态。4 5 为节流 过程，该过程中制冷剂的压力和温度同时降低( 压力由仇降至蒸发压力p 。，温度 由f 。降至蒸发温度“) ，有一部分液体制冷剂转化为蒸气，故此时制冷剂是在两 相区。节流前后制冷剂的焓值不变。因此由点4 作等焓线与等压线碥的交点即 为点5 的状态。 过程5 1 表示制冷剂在蒸发器内的汽化过程，在这一过程中制冷剂的压力 和温度保持不变，不断的吸热制冷变为饱和蒸气。 2 1 - 2 实际循环 上文所述制冷循环，均假设制冷剂在理想条件下流动，没有任何能量损失。 实际制冷循环存在着多方面的损失，与理论循环相比，其差别主要如下： 实际吸气过程中吸气管路及阀门存在摩擦阻力，因此从蒸发压力到吸气压力 有一个压力降；低温蒸气进人气缸时要吸收气缸壁的热量，使比体积增大，而实 际吸气量比理想情况减少。 实际的压缩过程不是绝热过程，压缩开始时是制冷剂蒸气向气缸壁吸热，而 压缩终了时制冷剂蒸气向气缸壁放热，因此实际的压缩过程是一个不可逆过程。 实际排气过程制冷剂蒸气要克服压缩机排气阀的开启弹簧力和阀门、管道的 流动摩擦阻力，所以压缩机的排气压力比制冷装置的冷凝压力要高。 实际的冷凝和蒸发过程除了存在传热温差外，还有流动阻力，因此这两个过 程也是不可逆过程。 压缩机由于吸排气阀和工艺结构等原因压缩机排气不可能将气缸里的气体 全部排完，总有一小部分气体残留在余隙容积里，其结果是减少压缩机吸气过程 的吸气量。 图2 5 是一个有回热的单级蒸气压缩式制冷循环的1 9 p 一矗图，图中1 2 3 4 1 为理论循环，1 一2 一3 一4 一1 为实际循环，它们也是工作在f 。他和f 。之间。显 然实际循环与理论循环相差比较大，这是因为以下几个原因： 第2 章冰箱工作过程的基本理论 ， 图2 - 5 实际单级蒸气压缩制冷循环 f i g 2 - 5a c t u a is i n 9 1 es t a g cv a p o rc o m p r e s s i o nr e 丘追e r a f i o nc n u l a t i o n 在蒸发器中实际的传热必须要有温差存在，所以制冷剂在蒸发器中的蒸发温 度要比外界需求的制冷温度f 。要低，其所对应的饱和压力风要低，所以图中5 比5 点的压力要低。 因为蒸发器及吸气管道存在流动阻力，所以压缩机的吸气压力p t 低于“。 压缩机开始时在气缸中因为气缸壁温度高于吸入气体的温度，这时是气缸壁 对气体加热，而在压缩过程的后期气体的温度高于气缸壁，这时则是气体向气缸 壁放热。因此实际的压缩过程大致如图3 9 的虚线1 一2 过程。 图2 一3 一4 过程是实际的压缩机排气、冷凝、过冷过程。为了保证冷凝器 中的传热温差，制冷机在冷凝器中的压力p 。高于理论的p 。，所以图中4 点高于 4 点。因为排气阀、排气管和冷凝器有阻力，所以2 点比4 点要高。 由于存在传热温差、流动阻力、压缩过程的不可逆损失等，实际循环的耗功 ( ：一 ，) 比理论耗功研，一i l ，) 要大，而它们的单位制冷量大致相等，因此实际循 环的制冷系数要比理论循环制冷系数要低。 2 2 压缩机热力过程数学模型 2 2 1 压缩机制冷性能参数计算 根据上面的分析，对于本文所要求的压缩机模型，只需要计算平均流量即可， 因此对于流量的计算可以借鉴已有的压缩机流量计算模型。“”3 ，用下式计算： 矿 m 。= a 二旦- ( 2 1 ) u s 式中压缩机的理论容积输气量( m h ) ； q 。压缩机环节吸气口的制冷剂气体比容( m 3 k g ) ； a 输气系数。 对于活塞式压缩机，有： 北京工业大学上学硕士学位论文 = f 譬阳 上式中d 气缸缸径( m ) ； s 活塞行程( m ) ； n 压缩机转速( r m i n ) ； f 气缸数，对于小型全封闭式压缩机，一般有：f ；1 。 输气系数 可以用如下公式计算： a = a 。a 。t 如 式中a 。容积系数： a 压力系数； 心温度系数； a 。泄漏系数。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 一c p h 4 ， 小等等 s ， 九：玉( 2 6 ) 2 而 。0 如一o 赃s 叫兰) ， 式( 2 4 ) ( 2 7 ) 中，p 。、n 分别为冷凝压力与蒸发压力，肇。、印。为 2 2 2 压缩机耗功计算 m 筹炒一1 s ， 叩f = + o 0 0 2 5 ( 瓦一2 7 3 1 5 ) ( 2 9 ) n e f ：坠+ n 。 。 叩： 一1 4 一 ( 2 1 0 ) 第2 章冰箱工作过程的基本理论 式( 2 1 0 ) 中。摩擦功率。 最终的输入功率为： 虬；生 ( 2 1 1 ) j r | ” 式( 2 1 1 ) 中叩。电动机效率。 可以看出，压缩比对压缩机的耗电，即对冰箱耗电有直接影响。 2 3 冷凝器数学模型 2 3 1 冷凝过程分析 冷凝器作为冰箱的高温换热器，与房间环境进行热交换，将系统产生和吸收 自箱体内的热量( 直接或间接) 排放到房间环境中去。“。 制冷剂在冷凝器中的换热是相变换热，以利用制冷剂冷凝潜热大的优点。在 冰箱稳定运行时，制冷剂以过热气体状态进入冷凝器，逐渐冷却到气液两相状态， 并进一步冷却到过冷液体状态后离开冷凝器。但是，当冷凝器设计不合理或者当 系统中制冷剂充注量不够时，冷凝器出口可能不过冷，从而影响冰箱的制冷量。 对于非稳态运行的情况，冷凝器中制冷剂的状态将随时间发生变化。例如， 在长时问停机的情况下，冷凝器中的制冷剂为过热气体，当冰箱启动时，压缩机 将大量的制冷剂过热气体排入冷凝器，在短时间内冷凝器就好像是一个绝热充气 的容器，故压力迅速升高。当压力升高直到其对应的饱和温度高于当地温度时， 冷凝器中的制冷剂就开始冷凝，直至达到稳定状态。当压缩机停机后，由于压差 的存在，冷凝器中的制冷剂继续通过节流机构毛细管流向蒸发器，高低压力很快 平衡。在高低压力平衡过程中，会出现冷凝温度低于环境温度的情况，此时冷凝 器中的制冷剂将受热蒸发，从外界吸收热量，造成能量损失。 由此可知，为了能充分反映冷凝器的特性，在建立冷凝器模型时应当考虑研 究目的和所能达到的效果。常用的冷凝器模型有：动态集中参数模型，稳态分布 参数模型，稳态集中参数模型。本文对冷凝器建立稳态分布参数模型，它基于以 下的假设： 管内制冷剂的流动为一元均相流动，暂不考虑压降。实际的管内制冷剂流动 是复杂的分相流动，但为了描述上的简便，本文采用最为简单的一维均相流动模 型。因此，冷凝器内的制冷剂压降不大，由压降造成的温降也很小，可以忽略不 计。 北京工业大学丁学硕士学位论文 管外空气的流动亦视作一维流动。实际制冷剂的管外侧由于结构或布置上的 原因，导致流速分布不均匀，这会对换热造成一定的影响，但这一影响与具体装 置有关，需要时可结合实验进行修正。 与管内外侧的换热热阻相比，管壁的径向热阻很小，一般忽略不计。本文为 精确计，考虑之。另外，管壁的轴向热阻对换热的影响不大，忽略之不会造成明 显误差，但能极大地提高计算地效率。 根据上述分析，将冷凝器简化为如图2 。6 所示的物理模型。 过冷区两相区过热区 空气 制冷制 图2 6 冷凝过程模型不意图 f i g - 2 - 6s k e i c ho fc o n d e n s e rp r o c e s s i n gm o d e l 在模型中，将冷凝器分三个相段来考虑，过热段、两相段、过冷段。每个相 段划分若干单微元，对于单相段，即过热段和过冷段，微元的划分按制冷剂侧温 降进行均分；对于两相段，由于温度不变，换热表现在焓值的变化上，因此，微 元的划分可按两相区制冷剂焓差进行均分。一个基本的管路微元段如图2 7 所 不。 t a l h 。1 + 图2 7 冷凝管微元示意图 f i g 2 - 7s k c i c ho fc o n d e n s e rt u b ee k m e n i 对任一微元，可以建立如下方程组： 空气侧流动换热方程 q = e 魄：一九。) 制冷剂侧流动换热方程 q = g ， ，一以：) 管内外换热量平衡方程 一1 一 t r l h ，l t a 2h a 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第2 章冰箱工作过程的基本理论 见= 坦， ( 2 1 4 ) 制冷剂侧平均温度 半 ( 2 _ 1 5 ) 空气侧平均温度 。半 1 6 ) 管壁长度 三：生( 2 1 7 ) 蒯l 式( 2 1 2 ) 到( 2 1 7 ) 中口一换热量； b 焓值： 卜温度； g 质流率； a 微元面积； s 漏热系数，一般取o 8 1 。 下角标：a 代表空气侧，r 代表制冷剂侧，m 代表平均值，i 代表管内。 如果已知微元的进出口状态参数，则可通过上述微元方程组求得每个微元的 长度 工；生盘兰兰：竺浯 ( k 一。如d ； 上式中制冷剂侧表面传热系数； 空气侧表面传热系数： 二生冷凝器内、外有效传热面积之比；对于每个微元，可以认 爿。 为二生都等于冷凝器总的管内外有效传热面积之比。 爿d 2 3 2 空气侧换热系数计算 竖壁与空气之间的自然对流换热系数可以用米海耶夫经验公式计算“，即： 北京工业大学工学硕士学位论文 l ，= c ( g r p r ) “ ( 2 1 9 ) 对于冰箱用箱壁式冷凝器，由于壁面有效高度及壁面与空气之间温差的影 响，它的函数与数的乘积一般都大于2 1 0 7 ，因此上式应用于箱壁式冷凝器的 空气侧自然对流换热计算时，可以简化成： r = 曰( t 。) 驷 ( 2 2 0 ) 式中f 。，冷凝器外壁平均温度( ) ； f 。空气平均温度( ) 。 表2 1 给出了两种大气压力下几种不同温度的空气的b 值： 表2 1 不同温度空气b 值 t a b l e2 - 1bv a l u eo fd i 陌r e n tt e m d e m t u r ea i r 大气压力 f 。 ( ) ( b a r ) 2 03 04 0 5 0 0 9 8 0 6 6 51 5 81 5 41 5 01 4 8 1 0 1 3 2 51 6 51 6 11 5 81 5 4 在考虑冷凝器与外界的辐射换热时，当冰箱置于大空间时，其外界温度可处 理成外界空气温度；当冰箱置于小空间时，外界温度应为空间墙壁温度。在做这 个试验时，因为把冰箱放在一个房间里，所以按小空间处理，空间墙壁表面积仍 然比冷凝器表面积大的多，根据传热理论，冷凝器与室内壁面之间的辐射换热量 可以由下式计算： 州朋s 4 白4 一白4 1 c z 吲， 式中p 冷凝器外壁面黑度，对白漆f 取o 8 5 ，黑漆r 取0 9 5 ； 卜冷凝器外壁面平均绝对温度( k ) ； 一空气平均绝对温度( k ) ； 4 厂一冷凝器外壁面有效面积( m 2 ) 。 为了计算方便，引入了相当辐射换热系数a 。，并与自然对流换热的传热温 差一致，即： 口o r：5 6 7 。亟2 ：二竖2 ： f 。一乙 ( 2 2 2 ) 在公式( 2 2 0 ) 和( 2 2 2 ) 中，使用的是冷凝器外壁面平均温度。在冰箱 间壁式冷凝器结构中，取一个微元段进行分析，如图2 8 所示，很明显，外壁 面沿垂直于冷凝管的方向温度是不同并且逐步递减的。 第2 章冰箱工作过程的基本理论 图2 - 8 冷凝器微元段示意图 f i g 2 - 8s k c t c l lm p o f 咖d c n s e re l e m e m 将图中管和板接触处定义为肋基的话，即可将壁面作为肋片来求解，肋片效 率由下式定义： 。：! 正皇 。 气一乞 式中气外板与管接触处温度，即管外壁温度， 于管内制冷剂温度t 肋片效率值等于： 叩：型型， 监 式中，l = ( 2 2 3 ) 初始计算时可将其等价 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 九外板导热系数； 6 外板厚度。 传热温差的计算，对于饱和段，管内制冷剂为冷凝时饱和温度： t 一乞= k 一乞 ( 2 2 6 ) 对于过热段，利用对数平均温差方法： 。2 箍 气一f 。 ( 2 2 7 ) 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 可知，、均各自为叩 北京_ t 业大学t 学硕士学位论文 的函数，而叩又与( “口，+ a 。) 有关，因此求解a 可及k ，+ 一。i so 0 1 采用试 凑法，对过热段和饱和段，分别假定( a o ，+ 口。，) 之值，利用( 2 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 求出叩，然后由( 2 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 计算a 。及口一使与之和与假定值相等。 2 3 3 管内冷凝换热系数计算 一般的冷凝器换热计算时，皆因管内换热系数远大于空气侧换热系数以致管 内换热热阻较小而不考虑，本文认为在精确计算时有考虑的必要。 对于单相段。“，包括过热蒸气段和过冷液体段，制冷剂侧换热系数口；由 d i t t u s b o e l e r 换热关联式计算： ：皇些堡垦掣c f q ( 2 2 8 ) a ；= 一c c ，c 。 l z z 6 j 式中r e ：盟； g 制冷剂的质量流率。 p r = o 7 1 2 0 ，z 峨z 6 0 ，内外传热温差不大； c t 考虑边界层内温度分布对对流传热系数影响的温度修正系数； 、液体枷嗽：q2 液体被冷却q2 气体被加热：q = ( ) 0 5 5 气体被冷却：cz 1 c ，一考虑短管管长对对流传热系数影响的短管修正系数； 一考虑弯道弯曲对对流传热系数影响的弯管修正系数； 两相冷凝段制冷剂侧换热系数。3 1 如下，它是针对竖管的关联式( 本课题实验 用样机原管路为竖管) ： 乩4 7 盯叫群杀r c z 吻， 2 3 4 制冷剂压力降 制冷剂在管路中流动，由于摩擦阻力的存在，不可避免地要产生压力降，减 小管路压降可以减小压缩机出口压力，降低能耗，因而成为本课题的初衷。事实 第2 章冰箱工作过程的基本理论 对于单相段，管道摩阻压降m 1 皈= ， 等 ( 2 _ 3 0 ) ，摩阻系数。 其中r ；旦丛，由以下条件确定： 当r 蚴。o 时，一詈； 当2 3 0 0 r 。 4 0 0 0 时，= o 0 0 2 5 r ? 3 ； 当4 0 0 0 s r 刎时，= 警； 1 0 5 s r 哦1 旷时，| o 0 0 3 2 + 器； 虮。斗睢+ 耕 算式嘶3 为； a = 砰( 1 一x ) 1 ”卸。， ( 2 3 1 ) 式中 卸。两相流摩阻压降； 砰分液相折算系数； 酞。假设全是液体时单相流的摩阻压降。 铲小导专 c 2 吨， 液相和气相全是紊流( t t ) ：r e ，2 0 0 0 ，r e 。2 0 0 0 瓦：8 删” 0 5 。s ， 取c = 2 0 液相层流，气相紊流( v t ) r e ，蔓1 0 0 0 ，r e 。2 2 0 0 0 叫吲8 ( 孚鲥 沪s 4 ， 取c = 1 2 液相紊流，气相层流( t v ) r e ，2 0 0 0 ，r e ，s 1 0 0 0 瓦= “8 ( 孚矧” c 2 吲， 取c = 1 0 液相和气相全是层流( v v ) r e ，s1 0 0 0 ，r e ，s l o o o 小悖牒 0 5 c 2 嗡， 取c = 5 c 十7 s + ( 和7 s ) “5 甜 沪s 7 ， 2 3 5 传热热阻分析 自管内制冷剂至外界空气的散热，其总热阻共分四部分，管内侧冷凝热阻， 板外侧空气对流和辐射热阻，管外壁面和外板接触热阻以及管内外壁面导热热 阻： r 。= r + r + 8 。+ r ( 2 3 8 ) 式中吃。总热阻； r 管内冷凝换热热阻； r 管壁内外导热热阻； r 。管和外板接触热阻： r 外板表面对流和辐射换热热阻。 足5 者 1 a ：丑 式中4 管内表面积； r ；蚓。2 枷， 乃巩业 第2 章冰箱工作过程的基本理论 式中 管导热系数。 2 南 式中。接触厚度，取o 0 5 倍的冷凝管外径。1 d 。管外径。 兄2 赤 2 4 制冷剂热力性质计算 ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 在制冷循环热力计算中，制冷剂的热物理性质是非常重要和必须的，为便于 计算，本文舍弃精度很高但函数形式复杂的计算公式。因为如果直接将其应用于 计算机辅助设计，则将严重影响计算速度。而且，实际运行的制冷系统中流动的 是制冷剂与油的混合物，也会对制冷剂热物性产生影响。本文借鉴国内外相对简 单易用的制冷剂热力性质的简化计算多项式公式，考虑到家用冰箱中常用的两种 制冷剂r 6 0 0 a 和r 1 3 4 a ，故使用c l e l a i l d 公式推广的用于r 6 0 0 a 和r 1 3 4 a 制冷剂的计 算公式4 1 。 2 4 1 蒸气压和饱和温度 蒸汽压与饱和温度，有相对应的关系： 一p 卜去) q 叫s ， t ，。，= ：f l 一口3 ( 2 4 4 ) l i lp 5 口r 一1 式( 2 4 3 ) 和( 2 4 4 ) 的系数值与最大误差如表2 2 所示。 表2 2 压力系数和拟合误差 2 4 2 液体焓 口1口2口3 e ( ) r 6 0 0 a2 0 5 8 5 4 72 0 8 8 4 2 4 12 4 2 1 2 8 3o 1 5 r 1 3 4 a2 1 5 1 2 9 72 2 0 0 9 8 0 92 4 6 6 1o 4 6 液体制冷剂焓值几乎与压力无关，对温度t 。和压力p 的液体，可由下三次多 项式计算焓值： 北京工业大学工学硕士学位论文 啊= 口4 + 5 五+ 6 巧。+ 口7 巧 ( 2 4 5 ) 系数由下表给出，其中，口。有两个值，i i r 标准和a s h r a e 标准，在实际使用中， 只有焓差才有意义，故只要采用相同的标准，就不会出现问题。 表2 3 液体焓系数和拟合误差 n 。( i i r )口。( a s h r a e )口5n 6 以，( 1o - 3 ) e ( ) r 6 0 0 a2 0 0 0 0 08 8 3 4 12 3 0 9 2 7 62 7 9 6 3 26 9 4 3 6o 3 8 r 1 3 4 a2 0 0 0 0 05 0 9 5 21 3 3 5 2 91 7 0 6 5 07 6 7 4 1o 2 0 2 4 3 过热蒸气焓 要求过热蒸气焓，先求出饱和气体焓： 噍l ；口8 + 口9 z 二，+ 口1 0 i ：+ 口1 1 露， k ，= 啊l + 口1 2 表2 4 饱和蒸气焓系数和拟合误差 ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 口8口9q on 1 1 ( x 1 0 3 )q ：( i i r ) e ( ) r 6 0 0 a4 4 3 8 6 7 61 3 4 1 6 “o 3 1 6 7 a r 7 8 6 2 8 21 1 1 6 5 90 3 7 r 1 3 4 a2 4 9 4 5 56 0 6 1 6 31 0 5 6 4 41 8 2 4 2 61 4 9 0 4 80 3 0 则过热蒸气焓为： 噍：= 吩。( 1 + n 。，i + n 。乎+ n 。，i l ，+ n 。巧z o + 口，t t ：+ n ，。乎t ：，) ，ti 皿2 + 口1 2 表2 5 过热蒸气焓系数和拟合误差 ( 2 4 8 ) ( 2 4 9 ) 口1 31 4拉1 5n 1 6口1 7 口1 8 e ( ) ( 1 0 嵋)( 1 0 _ 7 )( 1 0 吒)( x 1 0 - b )( 1 0 呻)( 1 0 _ 1 0 ) r 6 0 0 a3 6 9 6 4 3 9 3 8 6 7 9 9 33 8 7 3 8 63 1 3 7 8 1 23 5 7 2 2 91 - 8 3 4 6 7o 0 5 1 3 4 a3 4 8 1 8 61 6 8 8 69 2 6 4 27 6 9 81 7 0 7 0 1 2 1 3 0o 6 0 2 4 4 过热蒸气比容 先求出饱和蒸气比容 u “2e x p ( n ，+ j 南) ( n z ，+ n z z l 。r + n ”i ：r + n z t 砭r ) c z s 。， 第2 章冰箱工作过程的基本理论 表2 6 饱和蒸气比容系数和拟合误差 d 1 9 口2 0口2 1口2 2口2 3以2 4e ( ) ( 1 0 _ 4 )( 1 0 - 6 )( l o _ 7 ) r 6 0 0 a1 0 6 3 0 6 62 5 0 8 5 8 9 0 9 9 6 1 2 42 t 3 9 8 47 5 8 2 42 1 5 0 6 5o 0 7 r 1 3 4 a1 2 4 5 3 92 6 6 9 01 0 1 3 5 71 0 6 7 3 69 2 5 3 23 2 1 9 20 1 5 则过热蒸气比容为 匕一v 。( 1 + 口。t + n 。p + n 。i i 。+ n 。1 2 l ，+ 4 。t 瑶+ 口。譬砭。) 表2 7 过热蒸气比容系数和拟合误差 ( 2 5 1 ) 口2 5口2 6口2 7口2 8口2 9e ( ) ( x 1 0 _ 3 ) ( l o _ b )( 1 0 山)( l o 叶)( 1 0 - 7 )( 1 0 曲) r 6 0 0 a4 7 5 4 9 3 17 0 2 6 9 1o 5 0 2 1o 6 3 6 52 0 6 3 8 6 6o