隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，商用空調產(chǎn)品的使用日益廣泛，其對能源的需求也呈現加速增長(cháng)的趨勢。我國是一個(gè)能源供應十分緊缺的*，保護環(huán)境、節約能源已成為新時(shí)期*可持續發(fā)展戰略的重大問(wèn)題。為了推動(dòng)節能技術(shù)進(jìn)步，提高能源使用效率，最近，*出臺了《單元式空氣調節機節能產(chǎn)品認證實(shí)施規則》。這對于推進(jìn)空調產(chǎn)品節能技術(shù)進(jìn)步起到了很大的指引性作用。
然而，眾所周知，空調產(chǎn)品的能效比要求與產(chǎn)品的成本是一對尖銳的矛盾體，如何在提升產(chǎn)品質(zhì)量和能效比的前提下，降低產(chǎn)品成本，是產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)研究技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。日前，志高商用空調新推出的第二代薄型風(fēng)冷十匹立式柜機RF28W/TLB，無(wú)論是在產(chǎn)品的外觀(guān)質(zhì)量、性能和能效比，還是在產(chǎn)品的可靠性和綜合成本性?xún)r(jià)比方面，在商用空調行業(yè)里面都處于領(lǐng)先地位。該產(chǎn)品是志高商用空調自主研發(fā)的具備有多項獨立知識產(chǎn)權的新產(chǎn)品，經(jīng)*質(zhì)量認證中心指定的檢驗機構對其制冷量、制冷消耗功率和能效比(EER)共3項技術(shù)指標進(jìn)行測試檢驗，結果均符合*規定的節能產(chǎn)品認證要求，取得“節能產(chǎn)品”認證(證書(shū)編號CQC09701031187)。同時(shí)，該機型制冷工況下的高風(fēng)檔噪聲只有60dB(A)，且成本比*代產(chǎn)品降低10%以上，真真正正為廣大消費者帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的實(shí)惠，也為*節省了能源。
1、產(chǎn)品設計的基本思路
做企業(yè)須要用心經(jīng)營(yíng)，進(jìn)行產(chǎn)品設計也同樣需要有經(jīng)營(yíng)的理念和思路。最合適的設計才是*的設計，這是進(jìn)行產(chǎn)品設計的總原則。復雜問(wèn)題盡可能地進(jìn)行簡(jiǎn)單化模式處理，這是產(chǎn)品設計過(guò)程的基本思路和基本手段。
在進(jìn)行產(chǎn)品設計之前，設計人員必須充分了解所設計產(chǎn)品的方方面面的要求，如產(chǎn)品使用功能要求、產(chǎn)品安全認證要求、系統性能要求、工廠(chǎng)加工能力要求、原材料采購供應要求、產(chǎn)品運輸安裝要求、售后維修服務(wù)要求以及產(chǎn)品成本競爭性要求等等，并對各種要求進(jìn)行綜合考慮，給產(chǎn)品作合理的定位。
在產(chǎn)品設計的過(guò)程中，設計人員會(huì )面對很多很多地決策以及選擇，如產(chǎn)品系列化層次的布局策劃，產(chǎn)品結構箱體大小尺寸的評估確定，系統換熱器面積參數計算及匹配，壓縮機選型，等等。這就需要技術(shù)人員首先必須確立選擇的基本思路，綜合考慮，揚長(cháng)抑短，選擇最合適的方案進(jìn)行匹配設計，才能使設計出來(lái)的產(chǎn)品具備有高的性?xún)r(jià)比和市場(chǎng)競爭優(yōu)勢。所以，樹(shù)立最合適的設計才是*的設計這個(gè)理念，是進(jìn)行產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)的首要關(guān)鍵。
任何復雜產(chǎn)品的設計制造過(guò)程，都是由很多個(gè)相對簡(jiǎn)單的設計單元相互關(guān)聯(lián)交叉構成的。將復雜的設計問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，不是簡(jiǎn)單地以降低產(chǎn)品功能、性能、可靠性、美觀(guān)度來(lái)達到的，而是在保證各項設計指標要求的基礎上，根據各個(gè)企業(yè)的實(shí)際情況，簡(jiǎn)化程序，優(yōu)化設計，采取最容易達到目標的設計方法和最容易實(shí)現要求的加工工藝方法以及最小成本，開(kāi)發(fā)設計生產(chǎn)制造出高品質(zhì)的且具有成本優(yōu)勢的產(chǎn)品。
2、高效風(fēng)冷柜機設計實(shí)例
現以薄型高效風(fēng)冷立式柜機RF28W/TLB作為設計實(shí)例，闡述產(chǎn)品設計過(guò)程中的基本設計思路及方法。
鑒于*對節能潛力大、使用面廣的用能產(chǎn)品如空氣調節機能效要求的不斷提高，故對該產(chǎn)品的定位是能效高，符合或高于*規定的節能產(chǎn)品認證要求，外觀(guān)美觀(guān)，中高檔次，體現成本及市場(chǎng)競爭優(yōu)勢。
就本實(shí)例立式柜機的設計，按專(zhuān)業(yè)技術(shù)職能分工，基本上可以分成箱體結構設計和系統性能設計以及電氣控制設計三部分，這三者之間在設計過(guò)程自始至終都必須樹(shù)立一個(gè)整體概念和整體意識。不能將結構、性能、電氣設計孤立地機械地分開(kāi)來(lái)，各顧各地獨立進(jìn)行設計，這樣設計的產(chǎn)品肯定會(huì )有很多這樣那樣的缺陷。所以，所有的設計其最終的服務(wù)對象只有一個(gè)，那就是我們所要設計的產(chǎn)品。滿(mǎn)足消費者的*需求和設計高質(zhì)量高競爭性的產(chǎn)品，是不同技術(shù)分工設計者共同的目標。
2.1、箱體結構設計
柜機的箱體結構，是整個(gè)柜機的基礎框架。主要包括底盤(pán)組件設計、背板部件設計、接水盤(pán)組件設計、左右側板設計、出風(fēng)框部件設計、前面板設計、回風(fēng)格柵設計、電控盒設計、裝飾條設計、頂蓋板設計等等。設計過(guò)程中，必須充分考慮整機的使用功能和性能要求以及加工工藝要求等等，做到在滿(mǎn)足以上要求的情況下，盡可能簡(jiǎn)捷清晰，提高可靠性并降低成本。
1--底盤(pán)部件 2--接水盤(pán) 3--立柱 1--底盤(pán)部件 2--立柱 3—蝸殼風(fēng)機
4--蒸發(fā)器 5--風(fēng)機 6--出風(fēng)口 4--接水盤(pán) 5--蒸發(fā)器 6--出風(fēng)口
7--頂蓋板 8--立柱 9--背板部件 7--頂蓋板 8--背板部件 9--導流板
圖1是*代風(fēng)冷立柜箱體內部結構示意圖(拆除了前面板及右側板后)。其主要特點(diǎn)是：蒸發(fā)器置于機身下方，采用單電機雙軸雙離心風(fēng)機的吸風(fēng)式結構形式。
圖2是優(yōu)化后的第二代薄型高效風(fēng)冷立柜箱體內部結構示意圖(拆除了前面板及右側板后)。其主要特點(diǎn)是：蒸發(fā)器置于機身上方，采用下置式雙電機雙蝸殼雙離心風(fēng)輪的直吹式結構形式。
此兩種結構形式的優(yōu)缺點(diǎn)對比如下：
A、箱體尺寸對比：對于本設計實(shí)例，在滿(mǎn)足機組性能匹配所要求的*風(fēng)量的前提下，箱體的結構尺寸(厚度及寬度)主要由離心風(fēng)機的大小決定。圖1中離心風(fēng)機的直徑大小就決定整機的厚薄，離心風(fēng)機的長(cháng)短就決定整機的寬窄;而圖2則剛好相反，雙風(fēng)輪蝸殼直徑?jīng)Q定整機的寬度，風(fēng)輪蝸殼高度決定整機的厚度。通過(guò)試驗對比，在相同風(fēng)量要求情況下，直吹型結構比吸風(fēng)型結構在厚度上可以減薄15%左右，寬度和高度與吸風(fēng)型結構一致。
B、性能效果對比：試驗表明，吸風(fēng)型結構比較容易產(chǎn)生氣流組織的偏流現象，即通過(guò)蒸發(fā)器各個(gè)部位的風(fēng)量(風(fēng)速)很不均勻，在靠近離心風(fēng)機的中上部段，*風(fēng)速可以達到2.9m/s,而在遠離風(fēng)機且進(jìn)風(fēng)不暢的底部部段，風(fēng)速只有0.5m/s左右。對風(fēng)冷空調機來(lái)說(shuō)，如氣流組織流通不暢，其換熱器的熱交換能力是很差的，故也使得整機的制冷能力及能效比都相對較低，難以達到*規定的節能產(chǎn)品認證要求。所以，空氣流場(chǎng)組織分配不均勻是造成*代風(fēng)冷立柜能效比較低的關(guān)鍵因素之一。
采用圖2所示的直吹型結構，可以明顯地改善氣流組織的偏流現象，也完全消除了局部氣流不暢通的缺陷，測試表明，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器各部份的風(fēng)速相對平衡許多，其*風(fēng)速處是2.2m/s，*風(fēng)速處也有1.3m/s。同時(shí)，還可以通過(guò)調節背板部件上的導流板的形狀、高矮、數量，來(lái)進(jìn)一步調節和改善空氣流場(chǎng)的分布。實(shí)驗結果也表明了優(yōu)化后的箱體結構在性能上有了很大的提升，蒸發(fā)器的換熱效率大大提高，整機的制冷能力和能效比都超過(guò)了*規定的節能產(chǎn)品認證要求。
C、噪聲對比：吸風(fēng)型結構由于離心風(fēng)機的轉速較高，故電機噪聲和風(fēng)輪噪聲疊加后的整機噪聲較高，高風(fēng)檔測試結果是64.8dB(A);而直吹型結構由于風(fēng)輪及蝸殼直徑相對大些，風(fēng)機轉速較低，故其噪聲也低一些，高風(fēng)檔測試結果是60dB(A)。
D、成本對比：吸風(fēng)型結構的離心風(fēng)機是采用鈑金薄板材料沖壓成型再焊接成整體的，其加工工藝非常復雜，加工難度和技術(shù)要求高，產(chǎn)品的一致性差，廢品率高，故風(fēng)機本身的成本很高。直吹型結構的風(fēng)輪和蝸殼都是由模具注塑生產(chǎn)的，質(zhì)量穩定且適宜于批量生產(chǎn)，成本低廉，比吸風(fēng)型結構的離心風(fēng)機要便宜一半以上。加上吸風(fēng)型結構安裝使用的特殊性，此結構必須配備一個(gè)大的風(fēng)箱及獨立的風(fēng)機安裝板，如圖3所示，故也增加了一定的成本。同時(shí)，吸風(fēng)型結構比直吹型結構箱體尺寸大了約15%，故其包裝費用、運輸費用等也要高些。
通過(guò)以上對比分析，直吹型結構比吸風(fēng)型結構無(wú)論在性能上，還是在成本上都有較大的優(yōu)勢，也就是說(shuō)，采用吸風(fēng)型結構更合適一些。
2.2、系統性能優(yōu)化設計
在本室內機的系統性能匹配優(yōu)化設計中，確定蒸發(fā)器的換熱面積結構參數及流路設計布置是影響整機系統性能質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節。特別是對于能效要求高的機型，流路的合理設計分配可以明顯改善換熱效果，從而提高整機能效。同時(shí)，在滿(mǎn)足整機能力要求及能效要求的前提下，蒸發(fā)器設計盡可能小一些，以提高產(chǎn)品的成本競爭優(yōu)勢，這就要求流路設計分配必須科學(xué)、合理，保證制冷劑均勻分配給各流路，以充分發(fā)揮蒸發(fā)器的整體效率，實(shí)現換熱效率*化及整機能效比*化。同時(shí)也要兼顧和適應箱體結構整體的設計要求，做到性能優(yōu)越、安全可靠、經(jīng)濟合理、安裝操作方便。
蒸發(fā)器換熱面積大小的設計，可以采用下面經(jīng)驗公式作初步估算：
A= Q0/ K△tm
A—蒸發(fā)器的傳熱面積，單位m2
Q0—蒸發(fā)器的總熱交換量，單位W
K—蒸發(fā)器的傳熱系數，單位W/(m2℃)
△tm—蒸發(fā)器的對數平均溫差，單位℃
通過(guò)計算得出大致的換熱器面積，采用試湊法及參考成熟同類(lèi)型產(chǎn)品的設計方案，確定蒸發(fā)器的主要結構尺寸參數為：
蒸發(fā)器高度 H=800mm
蒸發(fā)器寬度 W=950mm
蒸發(fā)器厚度 D=65mm
設計成三排48條長(cháng)U形內螺紋管，管束為正三角形排列，管中心距25mm，排中心距21.65mm，銅管管徑為φ9.52mm，內螺紋齒高0.16mm，齒數56，底壁厚0.27mm，翅片為帶親水膜鋁箔，鋁箔厚度0.105mm，開(kāi)窗片，片距為1.6mm。
參考成熟的設計和經(jīng)驗，將機組及蒸發(fā)器分成兩個(gè)獨立的制冷系統，A系統和B系統。為了使冷媒在蒸發(fā)器各流路中的分配盡量地均勻，以充分發(fā)揮蒸發(fā)器的熱交換能力，這就要求管內的制冷劑流動(dòng)阻力必須控制在一個(gè)合理的范圍，在實(shí)際操作中，一般通過(guò)調節蒸發(fā)器各流路的進(jìn)口、出口和中部的溫度來(lái)判斷其流動(dòng)阻力是否合理。在標準制冷工況下，蒸發(fā)器中部和出口的飽和溫度差不大于2℃，各流路之間的中部溫度差不大于3℃比較合理。
圖5是優(yōu)化前的蒸發(fā)器流路分配設計圖，A系統和B系統交叉設計，分流路數為五進(jìn)五出，流程長(cháng)度差異較大，從7米多至11米多都有，部分流路進(jìn)口和出口離的比較近，容易產(chǎn)生偏流現象;圖6是優(yōu)化之后的蒸發(fā)器流路分配設計圖，A系統和B系統也是交叉設計，分流路數也分為五進(jìn)五出，其流程長(cháng)度差異相對較小，從7米多至9米多，流路進(jìn)口和出口位置相對集中，且相隔較遠。通過(guò)整機性能試驗，優(yōu)化前后的蒸發(fā)器各流路蒸中溫度如下表所示，從表中可以看出，優(yōu)化后的蒸中溫度差相對較小，說(shuō)明各流路分液較均勻，能更換發(fā)揮蒸發(fā)器的傳熱效果，故能效比也比優(yōu)化之前高一些，達到節能產(chǎn)品認證的要求。
優(yōu)化前后蒸中溫度對比
3、結束語(yǔ)
不斷優(yōu)化，精益求精，設計出高效率和高質(zhì)量低成本的產(chǎn)品是工程設計技術(shù)人員永遠追求的目標，其中如箱體結構設計、壓縮機選型、換熱器選型、毛細管選擇、制冷劑充灌量等，在一定的工況條件和工藝條件下，整機系統都存在一個(gè)*的技術(shù)配置。對商用空調產(chǎn)品零部件的設計，一般可以先通過(guò)計算或者參考成熟經(jīng)驗對比評估作初步設計，再做出樣機通過(guò)整機的性能試驗驗證作匹配和調整，確定最終設計和配置。
