【《嵌装对冷凝器散热及冰箱性能影响的实验探究案例》4500字】

嵌装对冷凝器散热及冰箱性能影响的实验探究案例目录TOC\o"1-3"\h\u19730嵌装对冷凝器散热及冰箱性能影响的实验探究案例 164921.1嵌装冰箱压缩机仓温度分布特点 1110401.2嵌装冰箱运行情况及工作性能分析 4嵌装冰箱压缩机仓温度分布特点本文仅针对风冷冰箱的稳定运行阶段进行相关研究，即冰箱在各周期内开机率、功率、温度等实验数据成周期性变化。嵌装冰箱的嵌入尺寸为冰箱背部距墙5mm，左右两侧和顶部距木质橱柜5mm，底部距离地面10mm。这种嵌入的安装方式决定了风冷冰箱散热条件相比于自由状态的传统冰箱存在不足。为研究冰箱嵌装后对压缩机仓内部温度分布的影响，在冰箱空载状态下分别进行自由状态和嵌装状态下样机的性能测试，实验温度为32℃，相对湿度为50%的环境下进行，样机冷藏室5℃，左变温室设定为零食模式，右变温室设定为生鲜模式，冷冻室-18℃。从自由状态和嵌装状态下的冰箱两次除霜之间所有稳定运行周期数据中，各取出一组单个开停周期的各间室、压缩机仓测点温度以及稳态功率和耗电量数据统计进行统计，最终获得实验数据统计结果见表3-1及表3-2，以及压缩机仓内部分测点位置如图3-1所示。图3-1压缩机仓测点位置示意图从表3-1中可以发现，相比与自由状态，嵌入式安装状态下冰箱压缩机仓内部各个测点的温度均出现了非常明显的升高，其中冷凝器前进风温度升高5.27℃，冷凝器中部温度升高7.31℃，压缩机顶部温度也增大了14.76℃。这说明嵌入安装方式不仅增大了冷凝器前进风温度，也增大了空气与冷凝器表面的换热温差，使得冰箱压缩机仓内部的冷凝器和压缩机出现了散热恶化现象。同时结合表3-2可知，由于嵌装导致的压缩机仓内部的冷凝器和压缩机散热恶化，使得冰箱稳态平均功率和耗电量出现了明显的上升，增幅分别为22.89W和0.55kW·h，风冷冰箱的工作性能也由于嵌入式安装受到了较大影响。表3-1冰箱嵌装前后压缩机仓测点温度对比表自由状态平均值/℃嵌入状态平均值/℃差值/℃冷凝器进风32.5037.77+5.27冷凝器入口45.9457.56+11.62冷凝器中间38.8246.13+7.31冷凝器出口39.0346.45+7.42干燥过滤器36.2642.54+6.28冷凝器出风38.1845.34+7.16压机顶51.9566.71+14.76吸气管30.4037.09+6.69排气管50.9563.09+12.14表3-2冰箱嵌装前后耗电量对比表自由状态平均值嵌入状态平均值差值开机率78.2%70.2%-8.0%稳态平均功率52.77W75.66W+22.89W耗电量1.26kW·h1.81kW·h+0.55kW·h首先，对于嵌入式冰箱压缩机仓内部冷凝器温度上升的原因进行分析。与自由状态相比，冰箱侧面背部以及顶部距橱柜尺寸均为5mm的嵌入安装的尺寸，使得压缩机仓内部与外界环境之间的空气流动通道变得狭长，也就会导致由冷凝风机驱动的空气流动阻力损失增大。如风机性能及管路特性曲线示意图3-2中，公式3-1、3-2、3-3如下：（3-1）（3-2）（3-3）在风量不变的情况下，嵌入式冰箱压缩机仓内部与外界环境之间的空气流动通道变得狭长之后，相当于管道长度变大，管道内径变小，空气流速变大，导致沿程阻力增大；同时空气流速变大后，由空气流体微团产生的碰撞和漩涡造成的局部阻力增大，故在两者的共同作用下，如图3-2所示，空气的总流动阻力损失增大，管路特性曲线斜率会增大，由自由状态下的A曲线变为嵌入状态下的B曲线。风机工作点由自由状态下的1点变为嵌入状态下的2点，可以看到由于冰箱嵌装，外界空气与压缩机仓之间流动阻力增大，同时冷凝风机的风压增大，但可驱动的风量减小，就导致与冷凝器表面进行对流换热的空气量减少。图3-2风机性能及管路特性曲线示意图在上述风机风量出现衰减的情况下，冷凝器表面的空气流速降低，从而导致对流换热系数降低，为了维持冷凝器的散热量保持不变，根据对流换热公式3-4，冷凝器与空气之间的换热温差也会增大（从6.32℃增大到8.36℃），并且同时冷凝器前进风温度也较自由状态下有所上升，因此在两者的共同作用下，嵌入安装下冷凝温度上升了7.31℃（从38.82℃上升至46.13℃）。（3-4）其次对嵌入式冰箱压缩机仓内部压缩机顶部温度上升的原因进行分析。冷凝器前进风温度和冷凝器温度的升高，带来的是冷凝器出风温度的增大，即与压缩机顶部换热的空气温度升高。除了前文提到的空气侧风量降低和温度升高的原因外，从制冷剂侧考虑，系统高、低压侧压比升高也是一个重要原因。因压缩机仓内散热恶化，冷凝器侧的温度上升，冷凝压力升高，而蒸发器侧温度受冷冻室-18℃的箱内温度限制，蒸发压力变化较小。因此，压比增大导致压缩机稳态功率上升22.89W，以及排气温度升高12.14℃，并一步促进压缩机顶部壳体温度的上升。嵌装前后冰箱开机率及功率结果汇总如表3-2所示，可以看出相比于自由状态，嵌装后冰箱的功率上升了22.89W，耗电量增大了43.4%。这是由于前文述及冷凝器温度的上升，引起压缩机吸排气压比增大，导致冰箱平均功率和耗电量出现了明显的上升，使得冰箱的工作性能受到了较大影响。但该实验方法对于嵌入状态下空气流动方向和流量大小无法进行具体量化分析，故下一章对压缩机仓气流组织进行数值仿真研究，以实验测得部分数据作为仿真边界条件，通过空气流动和换热的可视化，对比分析嵌装带来的影响并且据此提出嵌装冰箱压缩机仓气流组织及散热优化方案。嵌装冰箱运行情况及工作性能分析自由状态下试验冰箱在两次除霜之间的运行时长为72h，包括45个稳定开停周期和3个除霜恢复过度周期，对所有稳定开停周期数据进行统计，开机率为78.2%，稳态平均功率为52.77W，日耗电量为1.26kW·h。而嵌装状态下试验冰箱在两次除霜之间的运行时长为30h，包括31个稳定开停周期和1个除霜恢复过度周期，对所有稳定开停周期数据进行统计，冰箱嵌装前后开机率与能耗的统计对比如表3-3所示，虽然嵌入状态时开机率为70.2%，较自由状态降低8.0%，但稳态平均功率和耗电量分别达到了75.66W和1.81kW·h，较自由状态大幅上升43.4%。表3-3冰箱嵌装前后开机率与开停机功率对比表稳定周期数据统计开机率开机功率停机功率稳态平均功率日耗电量自由状态实验78.2%66.69W3.29W52.77W1.26kW·h嵌装状态实验70.2%104.65W3.90W75.66W1.81kW·h差值-8.0%+37.96W+0.61W+22.89W+0.55kW·h冰箱耗电量大小由所有稳定周期平均功率决定，而稳定平均功率则与开机率和开停机期间平均功率密不可分。从表3-3中可以看到，压缩机停机期间的冰箱的功率很小，其产生原因是冰箱门壁上的操作显示屏、间室内感温包等电子装置的运行，以及在冷藏室中梁和变温风门位置布有电加热，为防止这两个部位凝露后在零下供冷时结冰，导致冷藏室门或变温风门冻住打不开，电加热丝的开启也会产生一定的耗电量。但是由于停机期间功率很小，并且冰箱嵌入安装之后，停机功率仅增大了0.61W，所以，停机功率对单个周期的稳态平均功率影响可忽略不计。故冰箱耗电量可用以下公式表示；冰箱日耗电量=稳态平均功率×24h=(开机率×开机功率+停机率×停机功率)×24h≈开机率×开机功率×24h也就是说，影响冰箱耗电量的主要参数是开机率和开机功率。上节对冰箱嵌入安装后压缩机功率增大的原因给出了解释，故在此不作赘述。而开机率的变化则与蒸发器温度降低、箱温降低速率增快、开机各阶段运行时间降低有关，具体分析见下文。首先，对嵌装前后蒸发温度变化进行分析。嵌装前后单周期内的冷藏蒸发器和冷冻蒸发器的温度变化曲线图如图3-3所示，并且从图中分别统计了冷藏运行结束和冷冻运行结束时刻蒸发器表面温度，如表3-4所示。可以看出，在冷藏运行结束时刻，嵌入状态冷藏蒸发器入口和出口温度分别下降0.78℃和1.98℃，值得注意的是由于冷藏蒸发器沿管路长度中部位于其物理结构的底部，受冷藏室回风温度影响较大，故冷藏蒸发器中部测点温度偏高，不做分析。在冷冻运行结束时刻，冷冻蒸发器入口和出口温度分别下降了2.30℃和2.82℃。原因是由于冰箱嵌入之后，冷凝器和压缩机散热恶化，压缩机功率和转速上升，拉高了吸排气压比，即抬高了冷凝压力，拉低了蒸发压力。但蒸发器侧温度受冷冻室-18℃的箱内温度限制，故蒸发温度变化幅度较小，蒸发器内制冷剂压力变化也较小。(a)自由状态(b)嵌入状态图3-3冰箱稳定单周期内蒸发器表面温度变化曲线图表3-4冷藏和冷冻蒸发器温度自由状态/℃嵌入状态/℃差值/℃冷藏运行结束时刻冷藏蒸发器入口-15.71-16.49-0.78冷藏蒸发器中部-13.42-13.74-0.32冷藏蒸发器出口-16.65-18.63-1.98冷冻运行结束时刻冷冻蒸发器入口-25.73-28.02-2.29冷冻蒸发器中部-25.81-28.09-2.28冷冻蒸发器出口-25.53-28.34-2.81其次，对自由状态和嵌装状态稳定运行特点进行分析。从自由状态和嵌装状态中各取出其中一组重复性较好的稳定单周期数据，其各间室感温包温度以及功率变化曲线如图3-4(a)和(b)所示。由图3-4(a)可以看出，自由状态下冰箱稳定运行遵循“开机—冷藏—变温&冷冻—冷冻—停机”的运行模式。首先压缩机开启后，三通阀先在冷藏降温。第18min时冷藏感温包达到了冷藏运行停止点，故三通阀切换至冷冻蒸发器，冷藏蒸发器被旁通掉，但是冷藏风机为了回风化霜延迟14.5min后关闭。切换至冷冻时，风门打开，但冷冻风机为避免将还未降温的冷冻蒸发器的热量带入冷冻室延迟2min开启，故可以看到图中三通阀切换后变温室和冷冻室感温包温度依然上升一段时间后才下降。之后分别在第28.25min时，左变温室感温包达到1.31℃后关闭左变温风门，和第33min时，右变温室感温包达到-0.41℃后关闭右变温风门。然后单独给冷冻室供冷36min后，冷冻室感温包温度达到-21.15℃时压缩机停机，停机19.75min后压缩机重新启动，继续下一个单周期开停周期。而与自由状态“开机—冷藏—变温&冷冻—冷冻—停机”的运行模式不同，从图3-4(b)可以看出，嵌装状态下冰箱稳定运行遵循“开机—冷藏—变温&冷冻—冷冻—冷藏—停机”的运行模式，即单个开停周期内冷藏运行两次。首先压缩机开启后，三通阀至冷藏，在第5.75min时冷藏室感温包下降至2.24℃，三通阀至冷冻。嵌装后冰箱单个开停周期内冷藏运行两次，这个稳定运行特点变化的原因是冷藏和冷冻蒸发温度的降低，导致开机各阶段运行时间降低，开机率降低，为维持冷藏室箱温均匀性所致。并且蒸发温度的降低引起结霜速率增快，除霜周期也从72h缩短至30h。(a)自由状态(b)嵌入状态图3-4冰箱稳定单周期内各间室感温包温度变化曲线图最后，对箱温降低速率和开机率变化行分析。根据上述内容对冰箱嵌装前后单周期各阶段运行时间进行统计，如表3-5所示，并且对冰箱冷藏室和冷冻室的平均箱温和降温速率进行统计，如表3-6和表3-7所示。可以看出，相比于自由状态，嵌入安装状态下冰箱冷藏室和冷冻室平均箱温降低了0.56和0.82℃；冷藏室箱温降低速率从0.17℃·min-1增大到0.30℃·min-1，冷冻室箱温降低速率从0.08℃·min-1增大到0.14℃·min-1；冰箱开机各阶段运行时间均有下降，开机率从78.2%降低到70.2%。这是由于前文所述，嵌装状态下冰箱冷藏蒸发温度和冷冻蒸发温度的下降，带来箱内降温速率的升高，最终导致平均箱温降低和开机率的降低。表3-5冰箱嵌装前后单周期各阶段运行时间对比表单周期运行时间统计冷藏运行/min变温&冷冻运行/min冷冻运行/min开机时长/min停机时长/min开机率自由状态实验181536.569.519.7578.2%嵌装状态实验5.75+5.7511.751740.2517.2570.2%差值-6.5-3.25-19.5-29.25-2.5-8.0%表3-6冰箱嵌装前后单周期各间室平均箱温对比表自由状态平均值/℃嵌入状态平均值/℃差值/℃冷藏室6.786.22-0.56冷冻室-18.88-19.70-0.82表3-7冰箱嵌装前后单周期各间室降温速率对比表自由状态嵌入状态差值冷藏室箱温冷藏开始