小管径冷凝器应用于冷藏陈列柜可行性

    近些年来内，随着人们物质生活水平的提高， 食品冷藏保鲜越来越受到重视，冷藏陈列柜市场发展迅速且体量可观。管翅式冷凝器作为冷藏陈列柜制冷系统的关键部件，其主要的发展方向是轻量化、紧凑化和小型化。    

 
 

（图片仅供参考，不对应任何具体产品信息）  

 

0  前言

为了适应这一发展需要，使用更小管径的换热管替代原有大管径换热管是主要手段之一。

结合目前的研究，管径减小对于冷凝器的影响主要有两个方面：    

（1）管径的减小增加了换热管的结构强度，因此小管径换热管可以拥有更小的换热管壁厚度，同时管径的减小使得冷凝器管内侧总换热面积下降，管内侧的换热系数有所上升；

（2）管径的减小增大了制冷剂在管内流动阻力，进而导致冷凝器整体压力降上升，从而影响整个制冷系统的性能。

因此要获得适用于冷藏陈列柜的小管径冷凝器的不仅仅是使用小管径换热管直接替代原有较大管径换热管，还应该对冷凝器的流路进行优化以及冷凝器结构参数（管间距、排间距、翅片间距、翅片厚度等）的优化，从而保证冷凝器性能持平或优于原冷凝器的同时更加轻量化。

在对冷凝器进行小管径替代优化设计后，还可借助数值模拟的手段对冷凝器设计结构进行验证，以实际工作工况为依据讨论小管径冷凝器设计的合理性及可行性。 

1   冷凝器结构参数及模拟工况  

1、冷凝器的设计原则及结构参数        

第一，与较大管径冷凝器相比较，小管径冷凝器的管间距和排间距可以适当降低，以保证在同样总体尺寸下，小管径冷凝器拥有更多的管列数和管排数。通过管列数和管排数的增加，尽量增大小管径冷凝器的管内换热面积，以平衡单位管长管内换热面积下降带来的不利影响。

第二，适当减小翅片间距以增大管外换热面积；但翅片间距也不应过小，否则容易受到结霜及脏堵的影响，从而影响换热性能。

第三，增大冷凝器的分路数以平衡冷凝器制冷剂侧整体的压力降的上升，同时减少冷凝器后半段的无效换热管段的长度，增大冷凝器整体换热效率。

第四，遵循传统管翅式冷凝器已有成熟的设计原则（如：冷凝器各分路长度应尽量的接近、冷凝器应尽量多的包含“N”“Z”形流路、考虑重力的作用、避免冷凝器制冷剂分布不均等）。通过总结以上冷凝器设计经验，得到了两款小管径冷凝器设计结构参数，如表1所示。

2、冷凝器模拟工况     

冷藏陈列柜在一年四季均有使用，使用时的环 境温度随着季节的变化有着较大的差异。即使在同样的季节，环境温度的变化范围也很广，冷凝器模拟工况参考了GB/T 21001.2-2015制冷陈列柜第2部分:分类、要求和试验条件中的相关规定，同时考虑冷藏陈列柜实际工作中面临的变工况特性，通过模拟探究冷凝器在标准工况（环境温度：30 ℃~40 ℃）、极端工况（环境温度：40 ℃~48 ℃）、冬季工况（环境温度：4 ℃~14 ℃）变工况特性下的性能。

此外在冷藏陈列柜实际运行过程中，由于其工作环境的洁净度的不稳定，冷藏陈列柜冷凝器随着使用时间的推移，冷凝器表面易被污垢附着，造成脏堵，从而使进入冷凝器的风量下降。为了探究风量的下降对冷凝器的影响，采用变进口风速的方式（0.7 m/s~3.2 m/s）来模拟冷凝器在脏堵情况下的运行性能。.

3、传热与压降关联式        

传热与压降关联式的选取直接关系到冷凝器数 值模拟的精度，通过对已有5 mm管径传热与压降关联式的调研，选取的一系列适用于5 mm小管径的传热与压降关联式，如表2所示。

2  变工况特性下的数据分析

通过数值模拟手段分析了三款换热器在标准工况（环境温度：30 ℃~40 ℃）、极端工况（环境温度：40 ℃~48 ℃）、冬季工况（环境温度：4 ℃~14 ℃）变环境温度工况特性及变进口风速下的性能表现。.

1、标准工况下冷凝器的变工况特性        

在标准工况下，三款冷凝器随着进口风速的上升，其换热量均呈上升趋势，进口风速的上升强化了冷凝器管外空气侧的换热过程。图1给出了三款冷凝器的理论计算结果。从图中可以看出，在相同工况下小管径冷凝器较传统较大管径冷凝器换热性均有提升。其中小管径冷凝器 2相较于原有冷凝器性能提升显著；而小管径冷凝器1性能与大管径冷凝器相比性能提升幅度较小。

分析其原因有二。    

第一，小管径冷凝器2相较于小管径冷凝器1拥有更多的排数与列数，因此拥有更大的管内换热面积。

第二，由于分路数的增加使得 单个制冷剂分路长度的下降，同时管径的减小带来的制冷剂在内肋管内沿螺旋肋槽流动时由于流动带来的制冷剂在肋槽内的提升效应。这两个因素都减少了冷凝器的无效换热面积，使得换热性能得到提升。在制冷剂侧压力降方面，小管径冷凝器2虽然为了保证换热面积而拥有更大的换热总管长，但是由于制冷剂分路数的增加很好的平衡了制冷剂侧的摩擦压降，因此在压力降性能表现同样优异。在标准工况下两个小管径冷凝器的表现均优于原有管径冷凝器。.

2、冬季工况下冷凝器的变工况特性        

通过模拟得到了在冬季工况（进风风速：0.7 m/s~1.2 m/s；进风温度：4 ℃~14 ℃）下冷凝器的换 热及压力降性能表现。

首先   ，针对三款冷凝器在不同环境温度及不同进口风速下的共性表现，可以看出三款冷凝器在冬季工况下相较于标准工况（环境温度：30 ℃~40 ℃）和极端工况（环境温度：40 ℃~48 ℃）具有最大的换热量及最小的制冷剂侧压力降。这时冷凝器的传热温差Δt上升，换热量提高，压力降下降；变进口风速工况下，三款冷凝器均随着进口风速的上升空气侧换热过程被加强，空气侧热阻下降，换热量上升，制冷剂侧压力降下降。

其次   ，横向对比三款冷凝器，可以看出，在冬季工况下小管径冷凝器2在不同环境温度及进口风速工况下，均拥有最大的换热量及最小的制冷剂侧压力降，并且相较于标准工况，冬季工况下换热及制冷剂侧压力降性能提升更加明显，而小管径冷凝器1的换热量与制冷剂侧压力降的性能提升虽没有小管径冷凝器2那么明显，但仍优于原有较大管径冷凝器。

3、极端工况下冷凝器的变工况特性        

为了在夏季环境温度较高时，获取冷凝器的性能表现，本文通过数值模拟分别讨论了夏季极端工况下换热器换热量及制冷剂侧压力降的变化趋势，如图3所示。可以看出，三款冷凝器在冬季工况下相较于标准工况（环境温度：30 ℃~40 ℃）和冬季工况（环境温度：4 ℃~14 ℃）下，由于换热温差的减小，换热性能下降明显，同时制冷剂侧压力降也有显著上升。

横向的对比三款冷凝器的性能表现可以看出，小管径换热器2在极端工况下同样拥有最优的表现。这是因为在极端工况下，换热器的换热温差减小，单个长管路的后段无效换热部分面积增大，而小管径换热器由于减小了单个分路的管路长度，因而影响较小。但换热量的提升方面没有其在冬季工况及标准工况下优势明显。在压力降方面，由于小管径换热器2的分路数更多，更大的总流通截面积 使得换热器仍表现出了较为优异的压力降性能。 

3  结论

本文通过数值模拟对比了两款小管径冷凝器与原有较大管径冷凝器在标准工况、冬季工况、极端工况下的性能，得到了如下结论：

（1）通过小管径冷凝器1与2的对比，可以看出，在对冷藏陈列柜冷凝器进行小管径替代时，可 以通过增加分路数、减小管排间距等手段来平衡管内换热面积下降带来的不利影响。

（2）小管径冷凝器在管内换热面积下降的前提下，换热性能仍能优于大管径冷凝器。小管径冷凝器总体的换热性能相较于原较大管径冷凝器有明显上升。

（3）通过对原有了冷凝器进行合理的结构优化设计，减小换热管的管径，使用更少的金属铜，冷凝器的性能可以与原有冷凝器持平或优于原有冷凝器，因此冷凝器的小管径替代技术路线是可行的。

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