低温蒸发器技术（技术低温工况环境试验系统蒸发器设计）

作者有话说

制造、电子、食品加工、包装等行业在产品投放市场前，通过压力、温度、湿度的变化进行气候相关的环境测试，以及机械环境测试，以评估产品在各种条件下的可靠性和质量。这些测试是确保产品质量的必要手段，以避免造成成本和声誉的损失。低温环境试验系统提供试验所需的低温环境，具体的试验温度由操作人员通过系统的前控制面板设定。

本文在前人的研究基础上，结合实际的相关产品，提出低温环境试验系统的蒸发器的设计理论。开发出相关产品的计算软件为低温工况蒸发器的设计计算提供一些参考。

1 箱体绝热层厚度及制冷负荷计算

1.1 工作室箱体绝热层厚度的确定

制冷工质的目的是通过制冷循环将所需致冷介质的热量从该介质引出，降低目标介质的温度。对人工制造的低温环境，应尽量减少周围环境的热量流入量，提高制冷效果。采取合理的绝热措施可以有效的减少冷量的损失。

对于低温环境试验系统温度要求不低于-100°C时，通常的绝热方法是采用聚胺脂泡沫整体填充，绝热层厚度计算的原则是保证绝热层外表面的温度不低于当地条件下的露点温度，保证外表面不凝露。由于其单位制冷量的设备费用高，适当的增加绝热层厚度的办法可以减少冷损失，降低使用成本。依据防止表面结露原则，计算绝热层厚度的公式：

(1)

式中：

δ—绝热层厚度，m；

λ—绝热材料的热导率，W·m-1·K-1；

α—绝热层外表面的对流换系数，W·m-2·K-1；

tf—绝热物体的温度，K；

ta—周围环境的空气温度，K；

tw—绝热层外表温度，K。

1.2 制冷系统负荷的确定

对于低温环境试验系统需要长时间连续工作时，计算制冷量一般只考虑其稳定运行时的制冷量。若系统需要迅速降温，此时应考虑设备腔体及壳体热容量所消耗的冷量。根据实际的工况要求，取计算结果制冷量较大值加上设计负载为低温环境试验系统设计标准。

低温箱的稳态冷负荷主要由以下几个部分组成：

1）闱护结构冷损失（平壁部分的）

(2)

式中：

A—接触表面积，m2；

ΔT—箱体与环境温差，K；

α1—内壁表面的对流换热系数，W·m-2·K-1；

α2—外壁表面的对流换热系数，W·m-2·K-1。

δ—围护结构层厚度，m；

λ—围护结构的热导率，W·m-1·K-1。

2）冷桥损失

不同环境试验箱在结构设计上的不同，其冷桥的损失也有差别，通常可以按围护结构冷损失的10%~15%考虑。

3）观察窗冷损失

为方便观察试验情况，低温环境试验系统舱门设有多层玻璃的观察窗，通常在零下几十度的工况下观察窗会出现结霜现象。为避免观察窗结霜影响对试验状况的观察，在观察窗玻璃架四周布置发热线。加热造成的冷损失为加热功率Qw。

其稳态冷负荷：

(3)

低温环境试验系统的动态冷负荷主要取决于技术要求的降温速率，对于动态冷负荷主要来源包括：围护结构、绝热保温材料、孔板的冷负荷以及试验箱体积内的空气冷负荷：

1）结构冷负荷

(4)

式中：

G1、G2、G3—是试验箱体围护结构、绝热保温材料、孔板的质量，kg；

Cp1、Cp2、Cp3—是试验箱体围护结构、绝热保温材料、孔板的比热容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷却箱体所用的时间，s；

ΔT1—降温前后的温差，K。

2）空气的冷负荷

(5)

式中：

V1—试验箱设计容积，m3；

ρ—空气初始温度下的密度，kg·m3；

Cp—试验箱内空气的比热容，kJ·kg-1·K-1；

t—冷却箱体所用的时间，s；

ΔT1—降温前后的温差，K。

其动态冷负荷：

(6)

不同的降温速率要求的制冷量不同，降温速率越快其所要求的制冷量越大且降温速率达到一定值后其所需制冷量会迅速增大。

2 蒸发器结构设计

2.1 蒸发器的传热系数

制冷系统中，低温高压的制冷剂经膨胀阀流入蒸发器，制冷剂在蒸发器的低压铜管内沸腾相变吸热。翅片表面温度迅速降低，低于周围空气的露点温度，过饱和水蒸气在翅片表面析出露水，并在低温的翅片表面产生结霜现象。刚开始霜附着于翅片表面改变了其粗糙度，同时传热面积也有所增加，此时结霜对传热是有利的。但当达到稳态时霜层厚度不断增加，翅片间距变小，气体流动的空气阻力变大，同时霜层厚度方向热阻影响大于增加传热面积和改变表面粗糙度的影响。整体来说稳态状态下蒸发器结霜对换热是不利的。制冷剂在蒸发器的整个管程中其状态不断变化，传热过程十分复杂，为符合工程上的应用，本文对实际的换热过程进行适当的简化：

1）采用均匀相模型；

2）传热管壁仅考虑径向导热；

3）认为制冷剂在蒸发器末端刚好形成饱和蒸汽。

蒸发器总传热系数：

(7)

式中：

Rf—污垢热阻，m2·K·W-1；

δ1—铜管壁厚，m；

λ1—铜管导热系数，W·m-1·K-1；

δ2—霜层的厚度，m；

λ1—霜层的导热系数，W·m-1·K-1；

αi—空气测对流换热系数，W·m-2·K-1；

αf—翅片表面的当量换热系数，W·m-2·K-1；

ηf—翅片的总效率，无量纲。

2.2 蒸发器结构参数

蒸发器的翅片是用冲床加工出来的单个铝制翅片按照一定的过盈量套装在铜管上，其主要结构参数如表1所示。其铜管的排列方式有两种，可设想为单个矩形或六边形单管肋片通过顺排或叉排管束组成如图1所示，按式（8）、（9）计算肋片的当量高度：

矩形：

（8）

六边形：

（9）

图1 铜管的排列方式

表1 蒸发器的结构参数

2.3 蒸发器结构设计

低温箱内的空气流经蒸发器与制冷剂迅速进行热交换，使其温度低于露点。过饱和水蒸气在翅片表面析出露水，并在低温的翅片表面产生结霜现象，其表面换热系数如下：

(10)

其中

(11)

式中：

ω—空气在管束最窄截面处流速，m·s-1；

υ—空气的运动粘度，m2·s-1；

sc—翅片间距，m；

λ—空气的导热系数，W·m-1·K-1；

H—翅片高度，m；

φ—紫铜管直径，m。

管束排列方式和肋片近似几何形状的不同，影响着肋片管束外空气侧的换热系数，其系数按表2查得。

表2 C、n系数表

肋片的主要作用是增加换热量，为了得到肋片的实际散热量，需要计算肋效率。因为其肋片形式为等截面直肋，则肋效率按下式计算：

(12)

式中：

λ3—翅片的导热系数，W·m-1·K-1；

αw—翅片表面换热系数，W·m-2·K-1；

δ3—翅片厚度，m；

H—翅片高度，m。

对于大套片式翅片蒸发器其翅片由整张铝片在冲床上加工而成，所以整体的肋效率无法有效计算，可近似的认为是由多个单肋片组成，需要计算翅片的总效率：

(13)

由设计参数并结合当地气候条件计算湿析系数ε,按对数平均温差计算蒸发器的传热温差θm。通过计算蒸发器所需的换热面积得出蒸发器的计算管长，公式如下：

(14)

式中：

Qs—低温箱总制冷量，W；

k—蒸发器总传热系数，W·m-1·K-1；

θm—对数平均温差，K；

Af—每米铜管的表面积，m2。

2.4 设计案例

对于不同的低温环境箱，其结构尺寸和设计要求不尽相同。根据上述设计原理针对最低制冷温度-40°C系列的低温环境试验箱设计专门的设计软件。软件的利用减少了人工的计算量并有效降低了计算错误率。利用C#语言进行编写，软件参数输入界面如图2所示。

图2 参数输入界面

现有低温环境试验箱，其工作室空间为1m3，要求环境试验系统非线性降温速率不得低于5°C·min-1，最低工作温度为-40℃，其结构如图3所示。

图3 整体设计图

通过计算输入蒸发器设计的相关参数，程序通过计算后输出结果界面，如图4所示。从计算结果中可以得知其热物性参数结果和几何形状参数。

图4 输出结果

根据图4的计算结果，考虑蒸发器计算管长和箱体结构，合理布置铜管列数，其中蒸发器宽度和长度需要设计者来进行选择，完成后对参数进行校核，验证实际的迎风面积要大于程序计算出的理论迎风面积，以保证设计的蒸发器有一定富裕度。设计的蒸发器关键结构尺寸如表3所示。

表3 蒸发器设计参数

根据设计要求，环境试验系统非线性降温速率不得低于5°C·min-1，利用T型热电偶放置于箱体近出风口处，得到降温速率曲线如图5。

图5 降温曲线

从图中可以看出降温速率逐渐降低，因为传热温差的不断减小制冷量降低。从30°C冷却到-40°C用时约14min，满足设计要求且系统能耗匹配较优。

3 总结

本文就低温环境模拟试验系统的蒸发器设计展开研究，结合实际生产经验提出在低温工况下蒸发器的设计过程。首先结合低温环境箱的设计要求，确定所需制冷量，再根据制冷量计算蒸发器的动态和静态系统冷负荷。利用软件编程简化人工的计算过程，结合实际使用环境计算并布局蒸发器结构。

通过具体的产品展开研究，以工作室空间为1m3，环境试验系统非线性降温速率不得低于5°C·min-1，最低工作温度为-40℃的试验箱为例很好的满足使用需求。软件的应用也简化了设计的过程，缩短了同类型产品的设计时间，为其它低温工况的环境设备蒸发器设计提供参考。

引用本文：段玉晴，陈清华，王建刚，王建业.低温工况环境试验系统蒸发器设计[J].环境技术,2022,40(01):189-194.

本文作者：段玉晴1，陈清华1,2,3，王建刚2，王建业3

作者单位：1.安徽理工大学机械工程学院；2.广东立佳实业有限公司；3.陕汽淮南专用汽车有限公司博士后工作站。

作者简介：段玉晴，主要研究方向为制冷系统设计分析。

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