無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器空調(diào)系統(tǒng)制冷性能研究

榮 俊 王義春 王瑞君 賈潤(rùn)澤 唐 帥

(北京理工大學(xué) 熱能與工程研究所 北京 100081)

蒸發(fā)器和冷凝器都是熱交換器，是家用空調(diào)器的重要組成，直接影響空調(diào)器的性能和設(shè)備成本[1]。目前國(guó)內(nèi)外家用空調(diào)器主要采用管片式換熱器，此結(jié)構(gòu)加劇了銅資源的消耗，全球銅資源保障時(shí)間僅為35年。隨著銅價(jià)的不斷上漲，空調(diào)器鋁代銅技術(shù)越來(lái)越受關(guān)注[2]。

目前，應(yīng)用廣泛的鋁制換熱器有微通道換熱器和管片式全鋁換熱器。其中微通道換熱器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并在汽車(chē)空調(diào)上廣泛使用，但在家用空調(diào)器上的應(yīng)用仍處于起步研究階段[3-5]，而管片式全鋁換熱器的腐蝕性以及焊接工藝的可靠性則仍未能完全解決[6]。本文設(shè)計(jì)并制造了一種新型的無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器與傳統(tǒng)管片式換熱器的性能，優(yōu)化并測(cè)試了毛細(xì)管規(guī)格和制冷劑充灌量對(duì)使用新型冷凝器的窗式空調(diào)器制冷性能的影響[7]，指出該新型全鋁換熱器在家用空調(diào)器上應(yīng)用的可行性。

無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器的芯體是整體式無(wú)接觸熱阻翅片管傳熱元件，如圖1所示。傳熱元件翅片與制冷工質(zhì)通道管為一體成型，材質(zhì)為鋁合金材料。這種結(jié)構(gòu)徹底消除了通道管與翅片間的接觸熱阻，翅片側(cè)傳熱系數(shù)增大；翅片為連續(xù)的波紋形結(jié)構(gòu)，有效地增大了冷卻空氣的擾動(dòng)，提高了對(duì)流換熱能力；翅片與通道一體化成型，大大提高了散熱器芯體的剛度和強(qiáng)度[8]。

圖1 無(wú)接觸熱阻全鋁翅片管傳熱元件

1 實(shí)驗(yàn)方法

在運(yùn)行工況相同的條件下，測(cè)定LG窗式空調(diào)器(型號(hào)是LW8102)制冷量和功耗以及使用新型冷凝器后窗式空調(diào)機(jī)器的制冷量和功耗，分析判斷新型冷凝器的換熱性能以及其替代原機(jī)冷凝器的可行性。

1.1 管片式換熱器的替代設(shè)計(jì)

對(duì)LG窗式空調(diào)器(型號(hào)是LW8102)的冷凝器進(jìn)行替代設(shè)計(jì)。原機(jī)冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸為420 mm×310 mm×28.2 mm，其中翅片厚度為0.093 mm，翅片間距是每英寸17片，銅管直徑為6.35 mm，銅管壁厚為0.28 mm，制冷劑有4個(gè)流程。

利用Fluent軟件對(duì)無(wú)接觸熱阻全鋁翅片管傳熱元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果是翅片厚度0.15 mm，翅片高度7.9 mm，翅片間距為2 mm，波紋翅片波峰與波峰之間間距7 mm，波紋高度1.1 mm。無(wú)接觸熱阻換熱器的整體結(jié)構(gòu)尺寸為420 mm×300 mm×30 mm，傳熱元件截面尺寸28.2 mm×2.8 mm，有5個(gè)矩形制冷劑流通通道，單個(gè)通道高3 mm，寬1.5 mm，通道之間壁厚為0.5 mm，無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器有4個(gè)制冷劑流程。窗式空調(diào)器所用管片式換熱器與無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 管片式換熱器與無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器參數(shù)對(duì)比

由表1可知，無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器可以減小體積，節(jié)省材料，這有利于降低空調(diào)器換熱器成本、便于安裝運(yùn)輸、節(jié)省安裝空間。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

空調(diào)器制冷量實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要有兩種方法：房間型量熱計(jì)法和空氣焓差法[9]。本文采用空氣焓差法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 空氣焓差實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

在此實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)LG窗式空調(diào)器 (型號(hào)是LW8102) 原機(jī)和冷凝器使用新型換熱器替代的樣機(jī)進(jìn)行額定制冷性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。LG窗式空調(diào)機(jī)的銘牌性能參數(shù)如表2所示。

表2 LG窗式空調(diào)機(jī)(型號(hào)LW8102)的性能參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

空調(diào)器工作在穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)量空調(diào)器的循環(huán)風(fēng)量及室內(nèi)機(jī)進(jìn)、出口空氣焓值，計(jì)算得到制冷量。空氣焓值是由空氣的干球溫度、濕球溫度決定的，風(fēng)量的測(cè)量主要采用循環(huán)風(fēng)量測(cè)量裝置進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)工況條件為室內(nèi)側(cè)的溫度是干球(26.7±0.3) ℃，濕球(19.4±0.2 ) ℃，室外側(cè)干球(35±0.3) ℃，濕球(23.9±0.2) ℃[10]。

使用空氣焓值法時(shí)，空調(diào)器室內(nèi)側(cè)總制冷量的計(jì)算公式為：

Φ=q(ha1-ha2)/vn(1+dn)

式中：Φ為室內(nèi)側(cè)測(cè)量的總制冷量，W；q為空調(diào)器室內(nèi)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)量， m3/s；ha1為空調(diào)器室內(nèi)側(cè)回風(fēng)空氣焓值，J/kg干空氣；ha2為空調(diào)器室內(nèi)側(cè)送風(fēng)空氣焓值，J/kg干空氣；vn為測(cè)點(diǎn)處濕空氣比容， m3/kg；dn為測(cè)點(diǎn)處空氣含濕量，kg/kg干空氣。

空調(diào)器能效比的計(jì)算公式為：EER=Φ/P。式中：P為空調(diào)器機(jī)組總耗功，W。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 原機(jī)和樣機(jī)額定制冷性能對(duì)比

在相同的毛細(xì)管內(nèi)徑和工況條件下，對(duì)LG窗式空調(diào)器原機(jī)與冷凝器使用新型換熱器替代的空調(diào)器樣機(jī)進(jìn)行額定制冷性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

由表3可知，樣機(jī)冷凝器換熱面積較原機(jī)減小37.53%，制冷劑充灌量減小11.42%，制冷量反而提高3.59%，能效比EER提高7%。由傳熱學(xué)理論可知，換熱器的換熱量與換熱面積之間是線性關(guān)系，隨著換熱面積的增大而增大[11]。無(wú)接觸熱阻換熱器的換熱面積比管片式換熱器的換熱面積減小37.53%，制冷量反而提高3.59%，這表明無(wú)接觸熱阻換熱器的換熱性能優(yōu)于管片式換熱器。這是由于無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器翅片與制冷劑通道是一體成型，沒(méi)有接觸熱阻；而且無(wú)接觸熱阻換熱器的翅片是波紋形翅片，有利于加強(qiáng)冷卻空氣的擾動(dòng)，可以提高冷卻空氣與翅片間的對(duì)流換熱能力。所以無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器較管片式換熱器的換熱能力有很大提高。

表3 原機(jī)與樣機(jī)制冷性能比較

表4 原機(jī)與樣機(jī)蒸發(fā)器和冷凝器入口、出口的溫度

由表4可知，樣機(jī)蒸發(fā)器出入口溫差與原機(jī)蒸發(fā)器出入口溫差相差不大，而樣機(jī)冷凝器出入口溫差與原機(jī)出入口溫差相差較大。這是因?yàn)闃訖C(jī)冷凝器的新型無(wú)接觸熱阻換熱器的換熱性能較管片式換熱器有很大提高。

由換熱器理論分析可知，若換熱器制冷量Φ與換熱面積不變，換熱器換熱系數(shù)提高，空調(diào)器制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度會(huì)提高，冷凝溫度會(huì)降低，相應(yīng)的空調(diào)器制冷循環(huán)會(huì)發(fā)生變化，如圖3所示。理論循環(huán)由1-2-3-4-1變成了1′-2′-3′-4′-1′，單位制冷量為q0′=(h1′-h4′)>q0，單位理論功為w0′=(h2′-h1′)ε0，減少了壓縮過(guò)程耗功，提高了制冷系統(tǒng)的制冷性能。因此，樣機(jī)冷凝器換熱面積較原機(jī)減小37.53%，制冷劑充注量減小11.42%時(shí)，空調(diào)器機(jī)組消耗總功率減小2.92%，能效比EER提高7%。

圖3 傳熱系數(shù)提高，制冷循環(huán)變化示意圖

2.2 毛細(xì)管規(guī)格和制冷劑充灌量對(duì)制冷性能的影響

1)毛細(xì)管規(guī)格對(duì)樣機(jī)額定制冷性能的影響

圖4 不同毛細(xì)管內(nèi)徑的制冷量和消耗功率對(duì)比

圖5 不同毛細(xì)管內(nèi)徑能效比對(duì)比

由圖4和圖5可知，在實(shí)驗(yàn)工況條件下，樣機(jī)冷凝器毛細(xì)管內(nèi)徑d=1.2 mm時(shí)，空調(diào)制冷性能最佳，制冷量為2440.5 W，消耗功率為891.66 W，此時(shí)能效比EER達(dá)到2.73。

由圖6和圖7可知，在實(shí)驗(yàn)工況條件下，毛細(xì)管內(nèi)徑一定，d=1.2 mm，樣機(jī)冷凝器毛細(xì)管長(zhǎng)度L=600 mm時(shí)，空調(diào)制冷性能最佳，制冷量為2027.3 W，消耗功率為826.5 W，能效比EER達(dá)到2.45。

圖6 不同毛細(xì)管長(zhǎng)度制冷量和消耗功率對(duì)比

圖7 不同毛細(xì)管長(zhǎng)度能效比對(duì)比

2)制冷劑充灌量對(duì)樣機(jī)額定制冷性能的影響

圖8和圖9所示給出了隨著制冷劑充灌量的變化，樣機(jī)制冷量、消耗功率以及能效比的變化規(guī)律。當(dāng)毛細(xì)管內(nèi)徑d=1.2 mm，長(zhǎng)度L=600 mm時(shí)，制冷劑充灌量在M=340 g時(shí)，樣機(jī)制冷性能最好，制冷量為2148.92 W，消耗功率為858.4 W，能效比達(dá)到2.51。

圖8 不同制冷劑充灌量制冷量和消耗功率對(duì)比

圖9 不同制冷劑充灌量能效比對(duì)比

3 結(jié)論

1)在相同制冷工況條件下，樣機(jī)冷凝器換熱面積較原機(jī)減小37.53%，制冷劑灌注量減小11.42%，制冷量反而提高3.59%，能效比EER提高7%，表明無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器具有較強(qiáng)的換熱能力。

2) 在相同制冷工況條件下，無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器窗式空調(diào)器的冷凝器毛細(xì)管內(nèi)徑d=1.2 mm，長(zhǎng)度L=600 mm，制冷劑充灌量M=340 g時(shí)，樣機(jī)制冷性能最好。

3)換熱器中銅的成本占家用空調(diào)總成本的15%左右，研制成功的全鋁無(wú)接觸熱阻全鋁換熱器為家用空調(diào)Al代Cu提供了技術(shù)保障，可以降低成本，其高效的傳熱性能和小型化使得其將成為家用空調(diào)換熱器理想的替代品。

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