微通道換熱器用于家用柜機空調(diào)時整機性能的對比實驗研究

王 穎 徐 博 陳江平 葛方根 汪 峰 李 峰 楊 濤

(1 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240; 2 浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 杭州 310000; 3 四川長虹電器股份有限公司 綿陽 621000)

微通道換熱器用于家用柜機空調(diào)時整機性能的對比實驗研究

王 穎1徐 博1陳江平1葛方根2汪 峰2李 峰3楊 濤3

(1 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海 200240; 2 浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 杭州 310000; 3 四川長虹電器股份有限公司 綿陽 621000)

微通道換熱器的應(yīng)用日益普遍。文章通過將微通道換熱器引入3 HP柜式家用空調(diào)，并對系統(tǒng)性能和充注量等進行了對比研究。實驗表明：當只更換室內(nèi)換熱器，室內(nèi)微通道換熱器翅片間距為1.4 mm時，系統(tǒng)性能達到最優(yōu)：與原機相比，系統(tǒng)充注量降低15.9%，制冷量基本相當，制冷COP提高2.2%；制熱量比原機提高3.9%，制熱COP則提高了11.2%。當將室內(nèi)外換熱器都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量降低54%，與原機相比：制冷量提高0.8%，系統(tǒng)COP提高5.2%；當制冷劑更換為R290時，系統(tǒng)最優(yōu)充注量降為500 g。

微通道換熱器；家用空調(diào)；制冷量；R290

微通道換熱器與傳統(tǒng)管翅式換熱器相比，具有重量輕，體積小，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊奏等優(yōu)點。這也使得其廣泛應(yīng)用于車用空調(diào)領(lǐng)域，但是其在家用空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用還并不普遍。近年來，由于微通道換熱器的成本和性能優(yōu)勢的凸顯，其在家用空調(diào)的應(yīng)用研究也更加受到關(guān)注。

國內(nèi)外很多的企業(yè)和高校都在對微通道在家用空調(diào)的應(yīng)用進行了研究。陳芝久[1]對微通道換熱器用于家用空調(diào)的可行性進行了理論分析。嚴瑞東等[2]對微通道換熱器在家用空調(diào)使用時的流程分布進行了分析。李峰等[3]則對微通道換熱器對家用空調(diào)的充注量影響進行了研究，研究表明：通過改進，對于相同的迎風(fēng)面積，新型微通道樣件的內(nèi)容積比傳統(tǒng)樣件內(nèi)容積降低了71%，系統(tǒng)充注量降低28.3%，在降充注方面優(yōu)勢明顯。金聽祥等[4]利用Devenport C J[5]的空氣側(cè)傳熱關(guān)聯(lián)式，分析了微通道換熱器翅片各個參數(shù)對空氣側(cè)換熱系數(shù)的影響。徐博等[6]則對微通道在熱泵工況下的結(jié)霜問題進行了探究，表明扁管豎直樣件可有助于解決微通道排水問題。譚易軍等[7]則采用仿真方法，對R290微通道冷凝器的性能及充注量進行了分析，表明微通道與小管徑換熱器相比，在制冷劑減充注方面具有更大潛力。Kim M H和Bullard C W[8]將房間空調(diào)器的管片式冷凝器直接更換為微通道換熱器，結(jié)果顯示系統(tǒng)COP基本不變，但充注量降低了35%。Kim J H等[9]將熱泵系統(tǒng)的管片式冷凝器更換為微通道換熱器，在換熱面積減小23%的情況下，其系統(tǒng)制冷量減小2.3%，壓縮機耗功減小3.2%。Rin Yun[10]在一個7 kW的家用空調(diào)系統(tǒng)中將原來的管片式換熱器更換為等面積的微通道換熱器，結(jié)果系統(tǒng)的充注量減小10%，而系統(tǒng)SEER提高7%。

文章通過將柜式家用空調(diào)的管片式換熱器更換為微通道換熱器，對其系統(tǒng)性能及充注量等參數(shù)進行對比分析，進一步指出了后續(xù)的優(yōu)化方向。

1 實驗設(shè)備及樣件

1.1 換熱器樣件

文中的實驗用微通道換熱器由百葉窗翅片和微通道扁管組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。室內(nèi)換熱器采用內(nèi)插管的分液方式。實驗所用3 HP柜機空調(diào)機組則為長虹KFR-72LW/DHR(W2-G)+2。根據(jù)機組尺寸，實驗分別準備了室內(nèi)和室外兩種由鋁合金材料制作的微通道樣件，用于替換原樣機的管片式蒸發(fā)器和冷凝器。同時為了研究不同片距對于排水和系統(tǒng)性能的影響，實驗準備了片距分別為1.1 mm，1.4 mm，1.6 mm三種不同片距(Fp)的室內(nèi)微通道換熱器。微通道樣件及原機樣件尺寸見表1。

1.2 實驗設(shè)備

如圖2所示，根據(jù)國家標準GB/T7725的要求，實驗空調(diào)在焓差臺中進行。焓差法實驗臺包括蒸發(fā)器室和冷凝器室兩個房間，每個房間都有一套空調(diào)機組，用于控制房間的空氣狀態(tài)。蒸發(fā)器室內(nèi)的風(fēng)洞可測試風(fēng)量和出口焓值，用于計算被測空調(diào)的制冷能力。實驗臺的各個被測參數(shù)的測試精度如表2所示。

2 實驗過程及工況

實驗首先對原機的性能進行了測試，然后將室內(nèi)換熱器更換為微通道換熱器，并對片距不同的微通道換熱器在相同工況下進行測試，并對系統(tǒng)性能進行對比。選擇一組性能最優(yōu)的系統(tǒng)，再將室外換熱器也更換為微通道換熱器，對系統(tǒng)在不同制冷劑充注量的情況下進行性能測試。最后，將制冷劑更換為R290，并對系統(tǒng)的最優(yōu)充注量進行探究。由于微通道換熱器在制熱工況下存在結(jié)霜等問題，因此在全微通道的情況下，實驗只研究系統(tǒng)的制冷性能。根據(jù)國家標準GB/T7705—2004，實驗工況如表3所示。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 不同片距的室內(nèi)微通道換熱器性能對比

將室內(nèi)換熱器更換為微通道換熱器后，通過實驗觀察分析，可以發(fā)現(xiàn)：對于翅片間距Fp為1.1 mm的微通道換熱器，由于其翅片間距較小，導(dǎo)致系統(tǒng)運行時排水不暢，冷凝水很快積聚在翅片間，導(dǎo)致系統(tǒng)性能快速衰減；而翅片間距1.4 mm及1.6 mm的微通道換熱器在系統(tǒng)運行時排水性較好，能夠及時將冷凝水排出，保證系統(tǒng)穩(wěn)定較好運行。圖3～圖6顯示了在制冷制熱工況下，帶有#2和#3樣件的新系統(tǒng)的制冷能力、耗電量、效率及通風(fēng)量與原機的對比情況。

由圖3～圖6可以看出：帶#2樣件的系統(tǒng)性能比帶#3樣件的系統(tǒng)性能更好。與原機相比：制冷時，#2與#3系統(tǒng)制冷量比原機分別降低了1.0%與2.0%，功耗分別降低了3.1%與3.0%，COP與原機相比則分別提高了2.2%與1.7%；制熱時，#2與#3系統(tǒng)的制熱量分別比原機提高3.9%與1.2%，功耗降低了6.6%與5.2%，系統(tǒng)COP則提高了11.2%與7%。同時在更換室內(nèi)蒸發(fā)器后，兩個系統(tǒng)R22的充注量從2200 g降到1850 g，降低了15.9%。

這主要是由于微通道換熱器與原機的管片式換熱器相比，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，內(nèi)容積更小。因此將室內(nèi)管片式換熱器更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量減小。制冷時，微通道換熱器受到排水問題的影響，新系統(tǒng)的性能較原機相比，制冷量略微下降，但由于新系統(tǒng)的流量與原機相比更小，其系統(tǒng)功耗更小，因此新系統(tǒng)整體COP較原機提高。制熱時，微通道換熱器作為冷凝器，不存在排水問題，其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢更為明顯。新系統(tǒng)制熱量比原機提高的同時，其系統(tǒng)功耗由于流量減小而同樣減小，因此新系統(tǒng)的COP較原機有較大提升。而#2微通道樣件與#3號微通道樣件相比，在保證排水順暢的情況下，翅片間距縮小，換熱面積更大，因此其換熱量更大，性能更優(yōu)。

從圖6可知：#2與#3系統(tǒng)的通風(fēng)量比原系統(tǒng)略小，但相差不大。制冷時最大相差18 m3/h；制熱時最大相差35 m3/h。這主要是由于百葉窗微通道換熱器相較于管片式換熱器對風(fēng)流動的阻力更大。

3.2 室內(nèi)外全微通道換熱器情況下的整機性能測試

圖7～圖9顯示了室內(nèi)為#2微通道換熱器，室外也更換為微通道換熱器后，在制冷工況下，系統(tǒng)的制冷能力、功耗及COP在不同充注量情況下的對比圖。

由圖7～圖9可以看出：系統(tǒng)充注量從950 g增加到1000 g時，系統(tǒng)性能隨著充注量的增加而逐漸提升。但當充注量大于1000 g時，系統(tǒng)制冷量雖然隨著充注量增加而有所提升，但系統(tǒng)功耗大幅提升，系統(tǒng)COP逐漸降低。

這主要是由于隨著制冷劑的增加，系統(tǒng)流量增加，系統(tǒng)制冷量和功耗都會相應(yīng)增加。當制冷劑不足時，制冷量的提升高于系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)的COP提高；當制冷劑偏多時，制冷量提升則并不明顯，功耗則會增加，系統(tǒng)COP下降。

分析可得出：當室內(nèi)室外都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的最佳充注量從原來的2200 g降低到1000 g，降低了54.5%。當充注量為1000 g時，與原機性能相比，使用全微通道換熱器的系統(tǒng)制冷量提高0.8%，功耗下降4.1%，系統(tǒng)COP則提高5.2%。

3.3 更換R290制冷劑后的整機性能測試

圖10～圖12顯示了當制冷劑更換為R290時，在制冷工況下，系統(tǒng)的制冷能力、功耗及COP在不同充注量情況下的對比圖。

由圖10～圖12可以看出，當制冷劑更換為R290時，系統(tǒng)充注量從450 g增加到500 g時，系統(tǒng)制冷量提高8.5%，功耗增加3.0%，系統(tǒng)COP提高5.4%，充注量從500 g增加到550 g時，系統(tǒng)制冷量增加了1.5%，功耗則增加4.3%，系統(tǒng)COP降低了2.6%。整個系統(tǒng)在500 g時達到最優(yōu)充注量。

此時與原機相比，系統(tǒng)制冷量下降10.3%，功耗下降19.1%，系統(tǒng)COP提高10.9%。這主要與R290制冷劑的特性有關(guān)，R290與R22相比，密度更小，汽化潛熱更大。由于壓縮機的轉(zhuǎn)速一定，因此R290系統(tǒng)流量會較R22小，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量下降，但同時其功耗下降更大，因此系統(tǒng)COP較R22有較大提升。

4 結(jié)論

文章通過將微通道換熱器應(yīng)用在3 HP家用柜機空調(diào)，在不同充注量情況下對其進行性能檢測，并與原機進行了對比，從結(jié)果可以看出：

1)對于室內(nèi)微通道換熱器，翅片間距對其排水性能及系統(tǒng)整體性能有較大影響。對于實驗所給系統(tǒng)，當翅片間距1.4 mm時，系統(tǒng)性能達到最優(yōu)；

2)使用微通道換熱器可以有效降低系統(tǒng)充注量：當只更換室內(nèi)換熱器時，系統(tǒng)的充注量由原來的2200 g降到1850 g左右，降低15.9%；當將室內(nèi)外的管片式換熱器都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量由原來的2200 g降到1000 g左右，降低大約54.5%，當制冷劑更換為R290后，系統(tǒng)最優(yōu)充注量達到500 g；

3)使用微通道換熱器對于系統(tǒng)性能有一定提升：將室內(nèi)側(cè)管片式換熱器更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的制冷量降低1%，系統(tǒng)制冷COP提高2.2%；制熱時，系統(tǒng)的制熱量比原機提高3.9%，COP則提高了11.2%。當室內(nèi)外換熱器全部更換為微通道換熱器后，在1000 g的最優(yōu)充注量下，系統(tǒng)制冷量提高0.8%，COP則提高5.2%；更換為R290制冷劑后，在500 g的最優(yōu)充注量下，系統(tǒng)制冷量下降10.3%，COP提高10.9%。

從結(jié)果可以看出：微通道換熱器應(yīng)用于家用空調(diào)仍具有較大優(yōu)勢。更進一步，帶有微通道換熱的新系統(tǒng)性能仍有很大的優(yōu)化提高空間：1)通過對蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及翅片參數(shù)的進一步優(yōu)化，可進一步提高微通道換熱器效率換熱效率，提高系統(tǒng)性能；2)對分液結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高制冷劑進入蒸發(fā)器的均勻性，也可使系統(tǒng)性能進一步提高。

[1] 陳芝久. 平行流換熱器用于家用空調(diào)的可行性分析[C]//石家泰. 上海市制冷學(xué)會2003年學(xué)術(shù)年會論文集. 上海： 上海市制冷學(xué)會, 2003: 307-309.

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[10] Rin Yun. Comparison of performance of a residential air conditioning system using microchannel and fin-and-tube heat exchanger[C]//International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue, 2006: 1-8.

About the author

Wang Ying, male, master, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 18818215015, E-mail: wy_770455712@126.com. Research fields: microchannel heat exchanger, automotive and domestic air conditioning system.

Experimental Research of Microchannel Heat Exchanger on Packaged Air Conditioning System

Wang Ying1Xu Bo1Chen Jiangping1Ge Fanggen2Wang Feng2Li Feng3Yang Tao3

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2. Zhejiang Dunan Artificial Environment Co., Ltd., Hangzhou, 310000, China; 3. Sichuan Changhong Electric Appliance Co., Ltd., Mianyang, 621000, China)

The application of microchannel heat exchanger is becoming more and more widely. The application of microchannel heat exchanger (MCHX) on domestic air conditioning system was investigated experimentally. The results show that: 1) when only the indoor heat exchanger was changed into the microchannel heat exchanger, the system had the best performance when the fin pitch of the indoor MCHX was 1.4mm. The charge of refrigerant for the system reduced 15.9%. Meanwhile, the cooling capacity of the new system was 1% lower than the original system while the COP was 2.2% higher; when it worked in heating mode, the heating capacity of the new system was 3.9% higher than the original one while the COP was 11.2% higher than the original one; 2)when all the heat exchangers were changed into the microchannel heat exchangers, the charge of refrigerant for the system was reduced 54%. Meanwhile, the cooling capacity of the new system was 0.8% higher while the COP was 5.2% higher than the original one in refrigerating mode; when the refrigerant was changed into R290, the best refrigerant charge for the new system was 500 g.

microchannel heat exchanger; domestic air conditioner; cooling capacity; R290

0253- 4339(2015) 01- 0024- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.024

十二五國家科技支撐項目——微通道平行流換熱器制造工藝及裝備示范(2012BAF01B06)資助。(The project was supported by the Key Technologies R & D Program of China during the 12th Five-Year Plan Period: manufacturing technology and equipment demonstration of microchannel parallel heat exchanger (No. 2012BAF01B06).)

2014年4月13日

TB657.5； TM925.12； TU831.4

A

王穎，男，碩士研究生，上海交通大學(xué)，機械學(xué)院制冷與低溫研究所，18818215015，E-mail: wy_77045571@126.com。研究方向：微通道換熱器，車用、家用空調(diào)系統(tǒng)。