商用高效风冷立式柜机优化设计

　　引言：随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的不断进步，商用空调产品的使用日益广泛，其对能源的需求也呈现加速增长的趋势。我国事一个能源供给十分紧缺的国家，保护环境、节约能源已成为新时期国家可持续发展战略的重大题目。为了推动节能技术进步，进步能源使用效率，最近，国家出台了《单元式空气调节机节能产品认证实施规则》。这对于推进空调产品节能技术进步起到了很大的指引性作用。然而，众所周知，空调产品的能效比要求与产品的本钱是一对尖锐的矛盾体，如何在提升产品质量和能效比的条件下，降低产品本钱，是产品设计开发研究技术职员亟待解决的题目。日前，志高商用空调新推出的第二代薄型风冷十匹立式柜机RF28W/TLB，无论是在产品的外观质量、性能和能效比，还是在产品的可靠性和综合本钱性价比方面，在商用空调行业里面都处于领先地位。该产品是志高商用空调自主研发的具备有多项独立知识产权的新产品，经中国质量认证中心指定的检验机构对其制冷量、制冷消耗功率和能效比(EER)共3项技术指标进行测试检验，结果均符合国家规定的节能产品认证要求，取得“节能产品”认证(证书编号CQC09701031187)。同时，该机型制冷工况下的高风档噪声只有60dB(A)，且本钱比第一代产品降低10%以上，真真正正为广大消费者带来了实实在在的实惠，也为国家节省了能源。
　　一、产品设计的基本思路
　　做企业须要专心经营，进行产品设计也同样需要有经营的理念和思路。最合适的设计才是最好的设计，这是进行产品设计的总原则。复杂题目尽可能地进行简单化模式处理，这是产品设计过程的基本思路和基本手段。
　　在进行产品设计之前，设计职员必须充分了解所设计产品的方方面面的要求，如产品使用功能要求、产品安全认证要求、系统性能要求、工厂加工能力要求、原材料采购供给要求、产品运输安装要求、售后维修服务要求以及产品本钱竞争性要求等等，并对各种要求进行综合考虑，给产品作公道的定位。
　　在产品设计的过程中，设计职员会面对很多很多地决策以及选择，如产品系列化层次的布局策划，产品结构箱体大小尺寸的评估确定，系统换热器面积参数计算及匹配，压缩机选型，等等。这就需要技术职员首先必须确立选择的基本思路，综合考虑，扬长抑短，选择最合适的方案进行匹配设计，才能使设计出来的产品具备有高的性价比和市场竞争上风。所以，树立最合适的设计才是最好的设计这个理念，是进行产品设计开发的首要关键。
　　任何复杂产品的设计制造过程，都是由很多个相对简单的设计单元相互关联交叉构成的。将复杂的设计题目进行简化，不是简单地以降低产品功能、性能、可靠性、美观度来达到的，而是在保证各项设计指标要求的基础上，根据各个企业的实际情况，简化程序，优化设计，采取最轻易达到目标的设计方法和最轻易实现要求的加工工艺方法以及最小本钱，开发设计生产制造出高品质的且具有本钱上风的产品。
　　二、高效风冷柜机设计实例
　　现以薄型高效风冷立式柜机RF28W/TLB作为设计实例，阐述产品设计过程中的基本设计思路及方法。
　　鉴于国家对节能潜力大、使用面广的用能产品如空气调节性能效要求的不断进步，故对该产品的定位是能效高，符合或高于国家规定的节能产品认证要求，外观美观，中高档次，体现本钱及市场竞争上风。
　　就本实例立式柜机的设计，按专业技术职能分工，基本上可以分成箱体结构设计和系统性能设计以及电气控制设计三部分，这三者之间在设计过程自始至终都必须树立一个整体概念和整体意识。不能将结构、性能、电气设计孤立地机械地分开来，各顾各地独立进行设计，这样设计的产品肯定会有很多这样那样的缺陷。所以，所有的设计其终极的服务对象只有一个，那就是我们所要设计的产品。满足消费者的最大需求和设计高质量高竞争性的产品，是不同技术分工设计者共同的目标。
　　三、箱体结构设计
　　柜机的箱体结构，是整个柜机的基础框架。主要包括底盘组件设计、背板部件设计、接水盘组件设计、左右侧板设计、出风框部件设计、前面板设计、回风格栅设计、电控盒设计、装饰条设计、顶盖板设计等等。设计过程中，必须充分考虑整机的使用功能和性能要求以及加工工艺要求等等，做到在满足以上要求的情况下，尽可能简捷清楚，进步可靠性并降低本钱。




　　图1是第一代风冷立柜箱体内部结构示意图(拆除了前面板及右侧板后)。其主要特点是：蒸发器置于机身下方，采用单电机双轴双离心风机的吸风式结构形式。
　　图2是优化后的第二代薄型高效风冷立柜箱体内部结构示意图(拆除了前面板及右侧板后)。其主要特点是：蒸发器置于机身上方，采用下置式双电机双蜗壳双离心风轮的直吹式结构形式。
　　此两种结构形式的优缺点对比如下：
　　A、箱体尺寸对比：对于本设计实例，在满足机组性能匹配所要求的最低风量的条件下，箱体的结构尺寸(厚度及宽度)主要由离心风机的大小决定。图1中离心风机的直径大小就决定整机的厚薄，离心风机的是非就决定整机的宽窄;而图2则恰好相反，双风轮蜗壳直径决定整机的宽度，风轮蜗壳高度决定整机的厚度。通过试验对比，在相同风量要求情况下，直吹型结构比吸风型结构在厚度上可以减薄15%左右，宽度和高度与吸风型结构一致。
　　B、性能效果对比：试验表明，吸风型结构比较轻易产生气流组织的偏流现象，即通过蒸发器各个部位的风量(风速)很不均匀，在靠近离心风机的中上部段，最高风速可以达到2.9m/s,而在阔别风机且进风不畅的底部部段，风速只有0.5 m/s左右。对风冷空调机来说，如气流组织流通不畅，其换热器的热交换能力是很差的，故也使得整机的制冷能力及能效比都相对较低，难以达到国家规定的节能产品认证要求。所以，空气流场组织分配不均匀是造成第一代风冷立柜能效比较低的关键因素之一。
　　采用图2所示的直吹型结构，可以明显地改善气流组织的偏流现象，也完全消除了局部气流不畅通的缺陷，测试表明，经过蒸发器各部份的风速相对平衡很多，其最高风速处是2.2 m/s，最低风速处也有1.3 m/s。同时，还可以通过调节背板部件上的导流板的外形、高矮、数目，来进一步调节和改善空气流场的分布。实验结果也表明了优化后的箱体结构在性能上有了很大的提升，蒸发器的换热效率大大进步，整机的制冷能力和能效比都超过了国家规定的节能产品认证要求。
　　C、噪声对比：吸风型结构由于离心风机的转速较高，故电机噪声和风轮噪声叠加后的整机噪声较高，高风档测试结果是64.8dB(A);而直吹型结构由于风轮及蜗壳直径相对大些，风机转速较低，故其噪声也低一些，高风档测试结果是60dB(A)。


　　D、本钱对比：吸风型结构的离心风机是采用钣金薄板材料冲压成型再焊接成整体的，其加工工艺非常复杂，加工难度和技术要求高，产品的一致性差，废品率高，故风机本身的本钱很高。直吹型结构的风轮和蜗壳都是由模具注塑生产的，质量稳定且适宜于批量生产，本钱低廉，比吸风型结构的离心风机要便宜一半以上。加上吸风型结构安装使用的特殊性，此结构必须配备一个大的风箱及独立的风机安装板，如图3所示，故也增加了一定的本钱。同时，吸风型结构比直吹型结构箱体尺寸大了约15%，故其包装用度、运输用度等也要高些。
　　通过以上对比分析，直吹型结构比吸风型结构无论在性能上，还是在本钱上都有较大的上风，也就是说，采用吸风型结构更合适一些。
　　四、系统性能优化设计
　　在本室内机的系统性能匹配优化设计中，确定蒸发器的换热面积结构参数及流路设计布置是影响整机系统性能质量的关键环节。特别是对于能效要求高的机型，流路的公道设计分配可以明显改善换热效果，从而进步整性能效。同时，在满足整性能力要求及能效要求的条件下，蒸发器设计尽可能小一些，以进步产品的本钱竞争上风，这就要求流路设计分配必须科学、公道，保证制冷剂均匀分配给各流路，以充分发挥蒸发器的整体效率，实现换热效率最大化及整性能效比最大化。同时也要兼顾和适应箱体结构整体的设计要求，做到性能优越、安全可靠、经济公道、安装操纵方便。
　　蒸发器换热面积大小的设计，可以采用下面经验公式作初步估算：
　　A= Q0/ K△tm
　　A—蒸发器的传热面积，单位m2
　　Q0—蒸发器的总热交换量，单位W
　　K—蒸发器的传热系数，单位W/(m2℃)
　　△tm—蒸发器的对数均匀温差，单位℃
　　通过计算得出大致的换热器面积，采用试凑法及参考成熟同类型产品的设计方案，确定蒸发器的主要结构尺寸参数为：
　　蒸发器高度 H=800mm
　　蒸发器宽度 W=950mm
　　蒸发器厚度 D=65mm
　　设计成三排48条长U形内螺纹管，管束为正三角形排列，管中心距25mm，排中心距21.65mm，铜管管径为φ9.52mm，内螺纹齿高0.16mm，齿数56，底壁厚0.27mm，翅片为带亲水膜铝箔，铝箔厚度0.105mm，开窗片，片距为1.6mm。如图4。


　　参考成熟的设计和经验，将机组及蒸发器分成两个独立的制冷系统，A系统和B系统。为了使冷媒在蒸发器各流路中的分配尽量地均匀，以充分发挥蒸发器的热交换能力，这就要求管内的制冷剂活动阻力必须控制在一个公道的范围，在实际操纵中，一般通过调节蒸发器各流路的进口、出口和中部的温度来判定其活动阻力是否公道。在标准制冷工况下，蒸发器中部和出口的饱和温度差不大于2℃，各流路之间的中部温度差不大于3℃比较公道。




　　图5是优化前的蒸发器流路分配设计图，A系统和B系统交叉设计，分流路数为五进五出，流程长度差异较大，从7米多至11米多都有，部分流路进口和出口离的比较近，轻易产生偏流现象;图6是优化之后的蒸发器流路分配设计图，A系统和B系统也是交叉设计，分流路数也分为五进五出，其流程长度差异相对较小，从7米多至9米多，流路进口和出口位置相对集中，且相隔较远。通过整机性能试验，优化前后的蒸发器各流路蒸中温度如下表所示，从表中可以看出，优化后的蒸中温度差相对较小，说明各流路分液较均匀，能更换发挥蒸发器的传热效果，故能效比也比优化之前高一些，达到节能产品认证的要求。


　　五、结束语
　　不断优化，精益求精，设计出高效率和高质量低本钱的产品是工程设计技术职员永远追求的目标，其中如箱体结构设计、压缩机选型、换热器选型、毛细管选择、制冷剂充灌量等，在一定的工况条件和工艺条件下，整机系统都存在一个最佳的技术配置。对商用空调产品零部件的设计，一般可以先通过计算或者参考成熟经验对比评估作初步设计，再做出样机通过整机的性能试验验证作匹配和调整，确定终极设计和配置