空調(diào)器中采用小管徑的影響分析及研發(fā)思路

任滔，丁國(guó)良，韓維哲，高屹峰，鄭永新，宋吉

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-.國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)（中國(guó)），上海 200020）

0 引言

空調(diào)中最為重要的部件是換熱器，它的性能好壞直接影響到空調(diào)的整體效能，從節(jié)約成本、提高能效和環(huán)保的角度考慮，其發(fā)展的方向是發(fā)展緊湊式換熱器[1]。將換熱器做的更加緊湊的一個(gè)主要方法是采用較小管徑銅管的換熱器替代現(xiàn)有換熱器中直徑較大的銅管。

制冷劑在管子中的傳熱和壓降特性與管徑直接相關(guān)[2-5]。因此換熱器采用小管徑銅管后，其主要的傳熱和壓降性能也隨之發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的性能也發(fā)生改變。同時(shí)管徑縮小后，由于加工工藝的限制，也對(duì)小管徑的應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為了分析小管徑銅管在空調(diào)器中的應(yīng)用的必要性和可行性，這就需要系統(tǒng)的分析小管徑的優(yōu)勢(shì)，以及小管徑銅管對(duì)換熱器的傳熱性能和壓降性能以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響，并根據(jù)理論分析結(jié)果，探討小管徑銅管應(yīng)用和推廣所面臨的難點(diǎn)以及是否有可行的解決思路。目前已有的文獻(xiàn)還沒(méi)有這方面的報(bào)道。

本文結(jié)合理論分析，探討了小管徑銅管應(yīng)用在空調(diào)器中的必要性和存在的難點(diǎn)，給出了解決相關(guān)難點(diǎn)的后續(xù)研發(fā)思路。

1 縮小空調(diào)器中銅管直徑的直接好處

在房間空調(diào)器中應(yīng)用更小管徑的換熱器能夠明顯減少銅的消耗量，有效地降低換熱器成本。目前，房間空調(diào)器產(chǎn)品主要采用9.52 mm或者7 mm的銅管。若將管徑由9.52 mm縮小為5 mm， 單位管長(zhǎng)銅管的表面積減少47.4%。這就意味著，即使銅管的厚度不變，單位管長(zhǎng)的銅用量減少47.4%。實(shí)際上，由于耐壓強(qiáng)度的增加，銅管的壁厚減薄，銅材的減少量可達(dá)62.9%。由于銅管的成本占換熱器材料成本的 80%以上，這就意味著采用更小管徑，換熱器的材料成本可以降低50%以上。

由于換熱器管徑的縮小，房間空調(diào)器應(yīng)用更小的管徑的銅管后，能夠明顯降低制冷劑的充注量。例如，將管徑由9.52 mm縮小為5 mm，則換熱器的內(nèi)容積可以縮小75.4%。這就意味著管徑減小后，系統(tǒng)的充注量?jī)H為原來(lái)的25%。

充注量的減少可以直接減小因?yàn)橹评鋭?duì)于環(huán)境的影響。對(duì)于易燃型環(huán)保工質(zhì)（如R290）的應(yīng)用則更是起到極大的推動(dòng)工作，因?yàn)槌渥⒘繙p少直接降低了采用可燃制冷劑的空調(diào)器的危險(xiǎn)性。

2 縮小管徑對(duì)換熱器的性能影響

當(dāng)空調(diào)器的換熱器采用更小管徑的換熱管后，對(duì)換熱器直接的影響是管內(nèi)換熱面積下降，同時(shí)引起管內(nèi)制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)增大和沿程阻力損失的增大。制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的增大可以提高換熱器的換熱性能，但換熱面積的減小和制冷劑沿程阻力損失的增大可以降低換熱器的換熱性能和系統(tǒng)的能效。因此需要理論上綜合評(píng)估空調(diào)器采用更小管徑對(duì)空調(diào)器換熱器的影響。

2.1 管徑改變對(duì)換熱器換熱量的影響

蒸發(fā)器的換熱量受換熱面積，換熱系數(shù)的影響，具體可由公式（1）來(lái)表示，因此以下分別對(duì)管徑改變對(duì)換熱面積、換熱系數(shù)和總的換熱量的影響進(jìn)行詳細(xì)討論。

其中，α為以翅片面積為基準(zhǔn)的換熱系數(shù)，A為翅片的換熱面積，而?T則代表制冷劑和管外空氣之間的傳熱溫差。

1）管徑對(duì)換熱面積的影響

制冷劑側(cè)換熱面積與換熱管的直徑呈線(xiàn)性相關(guān)，如公式（2）所示。例如將換熱管的管徑從目前常用的7 mm變?yōu)楣軓礁〉? mm，其他參數(shù)保持不變，則制冷劑側(cè)的換熱面積將下降28.6%。

其中，D是換熱管的直徑，l是換熱管的長(zhǎng)度。

2）管徑對(duì)換熱系數(shù)的影響

制冷劑側(cè)兩相區(qū)內(nèi)的換熱系數(shù)與管徑的關(guān)系較為復(fù)雜，為了分析管徑對(duì)換熱系數(shù)的影響，以下采用目前最為廣泛應(yīng)用的 R410A制冷劑為例進(jìn)行探討，其他的制冷劑的效果與R410A類(lèi)似。

R410A水平光管中的換熱系數(shù)可以用 Yong[2]等人開(kāi)發(fā)的關(guān)聯(lián)式下式(3)表示：

不妨假設(shè)除了換熱管的管徑發(fā)生變化以外，管內(nèi)其他所有的參數(shù)都沒(méi)有改變。由Yong等給出的關(guān)聯(lián)式可知，管徑變化后，會(huì)影響了換熱關(guān)聯(lián)式(3)中的αl和S的值，而對(duì)E和αpool則沒(méi)有太大影響。對(duì)式(3)中換熱系數(shù)α求偏導(dǎo)可得：

其中：

所以將式(5)和式(6)代入式(4)中可以得到：

顯然，式（7）等號(hào)右邊的項(xiàng)小于0，由此可知，當(dāng)管徑變小后，制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)肯定是增大的，但具體增大的數(shù)值還要結(jié)合一定的工況進(jìn)行計(jì)算。

為了定量說(shuō)明管徑對(duì)換熱系數(shù)的影響，以下不同質(zhì)量流量下蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，其中所用到的工況參數(shù)如表1所示。

圖1給出了不同管徑管內(nèi)制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)隨流量變化情況。可以看出，無(wú)論蒸發(fā)器還是冷凝器，制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)隨著制冷劑流量的增大而增大，且基本上呈線(xiàn)性的關(guān)系；管徑越小，換熱系數(shù)隨制冷劑流量增大的趨勢(shì)越明顯。

圖1 質(zhì)量流量在不同管徑下對(duì)制冷劑側(cè)換熱系數(shù)的影響

3）管徑對(duì)換熱器總換熱量的影響

為了評(píng)估管徑對(duì)換熱器總換熱量的影響，以下對(duì)目前廣泛應(yīng)用的 R410A制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器的一般工況為例進(jìn)行討論。其中兩器的設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 制冷系統(tǒng)中兩器的設(shè)定參數(shù)

根據(jù)已有的蒸發(fā)和冷凝換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式[2,4]可以算出不同管徑對(duì)應(yīng)的換熱系數(shù)，總的換熱系數(shù)和總換熱量，具體如表2所示，其中總的換熱系數(shù)以管外總換熱面積為基準(zhǔn)計(jì)算，具體可由公式（8）求的。由于管外的換熱面積主要由翅片組成，可以近似認(rèn)為管徑縮小后，管外換熱面積基本不變。

由表2可知，即當(dāng)管徑由7 mm變?yōu)? mm后，蒸發(fā)器換熱量比原來(lái)增加了1.5%，冷凝器的換熱量比原來(lái)增大了11.3%。這說(shuō)明在不考慮結(jié)霜工況的前提下，小管徑對(duì)冷凝器的換熱能力提升更為明顯。

表2 不同管徑的換熱系數(shù)、總的換熱系數(shù)和總換熱量

2.2 管徑改變對(duì)換熱器壓降的影響

當(dāng)蒸發(fā)器的管徑減小后，由于管內(nèi)摩擦系數(shù)的增大，管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)阻力加大，因而導(dǎo)致制冷劑的壓降也開(kāi)始上升。壓降的上升必然會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)溫度的下降，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)，致使 COP下降。因此以下通過(guò)理論分析給出管徑對(duì)制冷劑的壓降的具體影響。

對(duì)于兩相區(qū)制冷劑的壓降，可由公式（9）進(jìn)行計(jì)算，由公式（9）可知，制冷劑的壓降與換熱管內(nèi)徑的4次方呈反比。這說(shuō)明，管徑略微減小，可能導(dǎo)致?lián)Q熱器的壓降劇烈提升。

其中，fm為摩阻系數(shù)，L為管路長(zhǎng)度，Di為管內(nèi)徑，xo、xi、xm分別為制冷劑兩相區(qū)內(nèi)的出口干度、進(jìn)口干度和平均干度，G為制冷劑的質(zhì)流密度(kg/m2s)，vm為兩相區(qū)內(nèi)的平均比容。

為了進(jìn)一步說(shuō)明管徑對(duì)壓降的影響，以下以 7 mm換熱管和5 mm換熱管為例，說(shuō)明管徑對(duì)壓降的影響，其中具體的壓降由文獻(xiàn)[3,6]開(kāi)發(fā)的壓降關(guān)聯(lián)式得到，工況參數(shù)如表1所示。當(dāng)制冷劑的流量在一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，管內(nèi)制冷劑側(cè)的壓降變化情況如圖2所示?？梢钥闯?，制冷劑側(cè)的壓降也是隨著制冷劑流量的增大而增大的，且基本上呈線(xiàn)性的關(guān)系；5 mm管的壓降比7 mm壓降要大5倍以上。因此管徑縮小對(duì)換熱器的壓降影響非常明顯。

圖2 質(zhì)量流量在不同管徑下對(duì)壓降的影響

3 縮小管徑影響整機(jī)性能的理論分析

由前面分析可知，空調(diào)器換熱器中的換熱管管徑減小后，帶來(lái)的主要影響如為：(1) 換熱面積減少，但換熱系數(shù)增加；(2) 換熱量在一定工況下也有相應(yīng)的增加；(3) 摩阻系數(shù)增大，制冷劑流動(dòng)阻力加大，壓降上升；(4) 蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)溫度下降，冷凝器內(nèi)冷凝溫度上升，進(jìn)而影響系統(tǒng)效率。為了定量說(shuō)明管徑對(duì)系統(tǒng)能效的影響，以下一些實(shí)例來(lái)從理論計(jì)算上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，具體包括單獨(dú)改變蒸發(fā)器管徑，單獨(dú)改變冷凝器管徑，同時(shí)改變量器管徑。

假設(shè)僅對(duì)換熱器的換熱管進(jìn)行改變，從原來(lái)的7 mm改為5 mm，其他輸入?yún)?shù)不變，如表1中所示，制冷劑采用R410A。當(dāng)管徑改變后，系統(tǒng)性能參數(shù)變化如下表3所示。

表3 不同蒸發(fā)器管徑下的系統(tǒng)性能參數(shù)

從表3可知，當(dāng)空調(diào)器的兩器部分或者全部采用更小管徑的換熱器后：

（1）小管徑銅管的換熱器的傳熱效率優(yōu)于大管徑銅管的換熱器，且其結(jié)構(gòu)更加緊湊。

（2）在單冷系統(tǒng)中，冷凝器可以直接采用更小的管徑換熱器，不需要做其他優(yōu)化，可以達(dá)到原系統(tǒng)的性能。

（3）單冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，冷暖系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器，若采用更小的管徑換熱器，必須對(duì)換熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減小換熱器的壓降，否者會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的COP值和能力劇烈下降。

4 縮小管徑對(duì)于制造工藝的影響

空調(diào)器采用更小管徑后，由于工藝的限制，對(duì)小管徑的應(yīng)用也會(huì)造成一些挑戰(zhàn)，具體包括以下 2點(diǎn)：

（1）換熱器的管徑減小后，由于翅片翻邊工藝的限制，其翻遍高度將降低。由于翻邊高度的降低，這就造成翅片間距的減小，使得空氣側(cè)流動(dòng)阻力增大、容易積灰且不利于排水和化霜。這就意味著換熱器管徑減小后，翅片必須做進(jìn)一步的優(yōu)化。

（2）換熱器的管徑減小后，管子承受壓應(yīng)力的強(qiáng)度降低。若采用傳統(tǒng)的脹管技術(shù)會(huì)使得換熱器脹管的報(bào)廢率較高，特別是在換熱器較大的情況下。

5 小管徑空調(diào)器研發(fā)中包括的課題

直接在空調(diào)換熱器中應(yīng)用小管徑銅管替代大管徑銅管存在著一些技術(shù)難題，包擴(kuò)管內(nèi)制冷劑壓降過(guò)大、原有翅片傳熱效率低壓降大、脹管工藝達(dá)不到要求、換熱器分流不合適導(dǎo)致壓降過(guò)大和系統(tǒng)不能達(dá)到最佳匹配等。為了克服這些難題，使得小管徑能夠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，本文給出了解決這些難題所需要進(jìn)行研究的課題，具體如表4所示。

表4 小管徑銅管應(yīng)用在空調(diào)器中所需要研究的課題

6 總結(jié)

(1) 同現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的大管徑銅管的換熱器相比，小管徑銅管具有成本低，其換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)。另外由于管徑的縮小，小管徑銅管換熱器能夠明顯降低系統(tǒng)充注量，減少溫室氣體排放，有利于環(huán)保制冷劑R290的應(yīng)用和推廣。

(2) 小管徑銅管的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致制冷劑側(cè)壓降的劇增，空氣側(cè)阻力變大等，直接應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致空調(diào)器的能效降低，制冷和制熱效果不好等缺點(diǎn)。調(diào)整空調(diào)器的流路布置和優(yōu)化翅片結(jié)構(gòu)等可以克服空調(diào)器應(yīng)用小管徑帶來(lái)的缺點(diǎn)。

(3) 為了使得小管徑能夠應(yīng)用的空調(diào)器中，后續(xù)還需要進(jìn)行研究的內(nèi)容包括：小管徑銅管管內(nèi)的傳熱和阻力特性的研究；小管徑銅管換熱器的翅片的傳熱、壓降、析濕、結(jié)灰、結(jié)霜和化霜特性的研究和適應(yīng)于小管徑銅管換熱器翅片的開(kāi)發(fā)；空調(diào)系統(tǒng)匹配的仿真和實(shí)驗(yàn)研究；已有脹管工藝的改進(jìn)和無(wú)收縮脹管設(shè)備的開(kāi)發(fā)。

[1] 丁國(guó)良,歐陽(yáng)華,李鴻光. 制冷空調(diào)裝置數(shù)字化設(shè)計(jì)[M].北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.

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