家用电冰箱换热器换热性能测试研究

徐晓昂

（江苏省产品质量监督检验研究院，江苏 南京 210007）

随着科技的发展，人们对方便生活条件的需求推动了制冷产业的发展。冰箱技术发展到目前服务于国民经济各领域。我国是冰箱消费生产大国，冰箱产量居世界首位，随着国家对节能减排的重视，冰箱能耗标准不断提高。换热器性能提高对冰箱系统性能有很大影响。非稳态沸腾换热是主要换热方式，为准确把握换热器传热性能，需要应用试验分析方法。有必要开发性能可靠的换热器性能测试实验台，测试它不同结构冰箱换热系数等性能参数，为冰箱换热器结构优化设计提供数据。

1 冰箱换热器性能测试实验平台开发

冰箱蒸发器分为直接与间接冷却方式，按结构分为板式、管式与翅式蒸发器。冰箱冷凝器分为板管式、翅片冷凝器。针对冰箱换热器部件实验分析可以排除系统其他部件对性能的影响。衡量冰箱换热器性能的参数包括换热系数、进出口温度等。性能参数大多无法在冰箱整机进行测量，需要在系统处于稳定工况下测量。测试系统稳定运行时，换热量由换热器进出口制冷剂焓值确定。换热器换热系数用换热量参数计算获得。

蒸发器换热量公式为QE=m(h2-h1)，m为制冷剂质量流量kg/s，h1，h2为蒸发器进出口制冷剂焓值kJ/kg。冷凝器换热量公式为Qc=m(h4-h3)，m为制冷剂质量流量kg/sh3，h4为冷凝器进出口制冷剂焓值kJ/kg。提出换热器性能测试实验系统方案。测试系统包括蒸发器环境模拟室、制冷剂供液机组等。冷凝器模拟室提供冰箱冷凝器恒温可控工作环境，蒸发器花径模拟室配备制冷机组，环境模拟室设置温感器，通过数据采集系统对模拟室温度进行监控。

考虑实验操作方便性，拟设计蒸发器环境模拟室尺寸为3000×2500×2500mm，外壳采用彩钢板制作导热系数λ=58.2W/m·K，中间使用添加防火剂的聚氨酯泡沫保温介质，密度ρ=40kg/m3，在模拟室底部布置36块垫木，木头导热系数λ=0.15W/m·K。模拟室对选配制冷机组设计计算选取不利工况。采用照明功率为N的荧光灯，散热量为Q2=n1，n2N，n1为镇流器消耗功率系数1.2。N为照明灯具所需功率kW。蒸发器模拟室选用功率36W荧光灯。实验室要求模拟室温在半小时内达到要求温度，计算模拟室空气蓄热量Q=Cpm△t/τ，△t为空气温度变化值℃；Cp为空气比热容J/kg·k；蒸发器环境模拟室负荷为3.075kW，冷凝器模拟室选取制冷量W2为3.5kW制冷机组。

冰箱换热器热量小，测量制冷剂液体流量对流量计精度要求高，设置辅助回路分流，流量可由主回路流量与辅助流量差值确定，制冷剂供气系统包括压缩机、电磁阀等。制冷剂供液回路中设置流量传感器，制冷剂流量通过流量传感器数值比较获得，蒸发器提供流量调节通过电子膨胀阀调整，压感器用于测量冷凝压力，温感器测量冷凝器制冷剂进出口温度，蒸发器回路制冷剂节流前温度。不同实验模式切换通过阀门完成。冷凝器测试回路不接入测试系统，电磁法关闭。蒸发器测试回路不接入测试系统。

2 冰箱换热器性能测试系统设计

为测试不同工况下冰箱换热器性能，对换热器性能测试系统优化，包括控温回路与数据采集系统，改造后系统加入恒温风道，通过对冰箱用微通道在冷凝器不同质量流量进行实验研究，验证改造系统稳定性。两相流热交换器广泛应用于各行业，换热器高效利用非常重要。换热性能影响制冷系统性能。提高换热性能措施是提高换热系数，受到质量流量、热流密度等各种因素影响。

换热器几何形状等影响其换热性能，通过对换热性能影响因素分析实现换热器设计。许多研究人员对换热器进行研究，实验中制冷剂流量较大，开发小流量调节精确换热器性能测试系统非常重要。可对不同结构换热器性能进行测试。原测试系统包括测试回路，回路包括齿轮泵、蒸发加热器，直流电加热器、板式换热器等。测试回路压力通过储液器制冷剂温度控制，控温回路包括冷凝器、控温电加热器。控温压缩机前设置电加热器。测试回路中电加热器，将盲管放入制冷剂管路中。

测试回路与控温回路同时运行，测试回路与储液器控温回路同时运行。验证系统稳定性，流量可通过泵转速准确调节。控制系统故障时易出现局部加热温度过高，导致测试对时间要求较高。改造测试系统包括恒温循环风道等。冷凝器、压缩机回气加热器为铜罐，避免控制系统故障持续加热引发火灾危险。根据国家标准利用流量喷嘴测量，选择开启不同喷嘴，在喷嘴前后安装导流栅。

改造后系统测试蒸发器，根据需要设定内部温度，关闭MV1，开启测试回路，通过PID控制调节换热罐中加热器功率。预热器调节测试冷凝器入口制冷剂状态，冷凝器出口液态制冷剂吸热蒸发。对某工况进行重复性实验，观测测试蒸发器入口制冷剂温度，三次实验中制冷剂流量与压力稳定性良好。根据测试蒸发器生产商提供实验条件，对测试蒸发器换热量测试。由于系统内润滑油含量等因素，测试蒸发器换热量偏差为0.9%。

3 家用电冰箱换热器性能测试

电冰箱等家电广泛用于日常生活中，为实现产品制冷等功能需要在特定空间布置换热部件。换热器随着产品更新其种类结构不断多样化，当前用户关注产品绿色环保、安全可靠，对换热器性能要求不断提高。

如冰箱柜为提高制冷效果要求换热器换热效率高，要求换热器体积小，管内外侧流动阻力低。换热器设计检测中要关注材质等外观要求，了解流体阻力等关键技术指标。制定技术可行、保证产品性能的家用电冰箱换热器性能行业标准非常迫切。

表1 设备参数选取范围

通过测试装置获得数据，可确定法换热性能相关指标值。如空气侧流体阻力等，测绘系统由风洞系统、被测换热器等组成，试件A为强制对流式换热器；试件B为自然对流式换热器。试件管内实验介质为水。采用水代替制冷剂实验可缩短测试时间，换热热阻比制冷剂大。测控系统适用于试件AB任意换热器测试，通过采集相关数据输出换热性能指标按设备参数选取范围确定参数组合，使空气侧测试参数达到规定取值。每次测量延续时间不少于30min。时间间隔不少于1min。

根据测试方法收集分析测试数据，提出换热器换热性能测试方法，家用电冰箱蒸发器标准内容弥补现行家用电冰箱换热器标准关键技术指标空缺，为量化评价换热器性能提供技术依据；试件管内实验介质为水，可简化实验装置，便于测试结果准确计算；针对不同结构换热器统一标准测试工况，便于不同换热器性能横向比较。标准家用电冰箱换热器性能测试方法制定对类似用途电气换热器相关行业具有指导意义，换热性能试验方法对优化产品性能设计具有重要作用。通过实施标准可推动电冰箱换热器性能测试标准规范化，推动电冰箱核心零部件工作发展，为我国相关标准制定提供标准支撑。

选取某型号冰箱5种形式风冷翅片换热器样件，氨强制对流式换热器对比实验，工况设定为热水进口温度54℃。分析样件实验平衡比分布图，仅2个数据点平衡臂绝对值大于3%。表明实验热平衡较好。C光管蒸发器换热量比A原始蒸发器低25%，B加密翅片蒸发器换热量比A换热量高1.7%～5.5%。D普通打圆孔翅片蒸发器比A换热量降低0.13%～1.55%。5种换热器空气侧压降随着迎风速度增大。B的压降比DEA高25%。通过研究家用电冰箱换热器性能测试方法，可实现换热器独立件实验，获得换热器真实性能参数。标准对现行国家标准补充，为家用电冰箱性能提升提供技术基础。