小管徑換熱器在空調(diào)系統(tǒng)上的應(yīng)用研究

胡知耀

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

伴隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，空調(diào)市場(chǎng)需求越來(lái)越大，空調(diào)系統(tǒng)中銅消耗占很大一部分，因此降低銅的消耗對(duì)空調(diào)研發(fā)有重大意義。并且國(guó)內(nèi)和很過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家近年也一直在提升空調(diào)產(chǎn)品的性能標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)歐盟市場(chǎng)季節(jié)能效比每?jī)赡晏嵘粋€(gè)等級(jí)，因此如何提升產(chǎn)品性能是空調(diào)行業(yè)一直追求的目標(biāo)。隨著技術(shù)進(jìn)步，制冷空調(diào)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，在滿足性能可靠性需求下，需要提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，換熱器成本在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)中占有較大比重，因此換熱器降成本是設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)，目前應(yīng)用于空調(diào)中換熱器主要有銅鋁換熱器和全鋁微通道換熱器，全鋁微通道換熱器目前仍面臨制熱化霜排水問(wèn)題和防腐問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，本文重點(diǎn)研究小管徑銅鋁換熱器在空調(diào)中的應(yīng)用，也是目前最有效的降成本方案，本文主要從φ5 mm管換熱器和φ7 mm管換熱器對(duì)比分析。

1 小管徑換熱器理論分析

本文選用出口歐盟輕商U-Match24K座吊機(jī)進(jìn)行分析，機(jī)組配置如表1。

表1 歐盟24 K座吊機(jī)組配置表

1.1 蒸發(fā)面積的變化

針對(duì)上述內(nèi)機(jī)，其蒸發(fā)器只改變了流路數(shù)，但總U數(shù)和蒸發(fā)器整體的長(zhǎng)寬均沒(méi)有變化，因而其蒸發(fā)器管路總長(zhǎng)度可視為相等，則φ7 mm管改為φ5 mm管后總換熱面積減小28.5%：

式中：

d1—φ5 mm管直徑；

d2—φ7 mm管直徑；

L—換熱管長(zhǎng)度。

1.2 管道壓力變化

流體在管道中流動(dòng)，管徑改變后流速與壓力損失發(fā)生變化。在對(duì)比變化時(shí)，假設(shè)其流量QV相同、流動(dòng)狀態(tài)均為層流，管路流動(dòng)沿程不變，根據(jù)連續(xù)性方程有：

式中：

v1—φ5 mm管內(nèi)流體速度；

A1—φ5 mm管截面積；

v2—φ5 mm管內(nèi)流體速度；

A2—φ7 mm管截面積。

通過(guò)式（2）連續(xù)性方程可得到φ5 mm管與φ7 mm管的冷媒流速之比為49：25；

沿程流動(dòng)損失差值為：

局部流動(dòng)損失差值為：

式中：

L—換熱管長(zhǎng)度；

d—管熱管的管徑；

v—換熱管內(nèi)冷媒流速；

λ—沿程阻力系數(shù)；

ρ—為流體密度；

ζ—局部阻力系數(shù)。

由上面計(jì)算可以知道，在管路總長(zhǎng)度不變時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)器的流路數(shù)量不變，φ7 mm管改為φ5 mm管后，其流動(dòng)阻力相對(duì)增大，即系統(tǒng)的壓降變大。通過(guò)公式（4）可以看到，管路中的局部損失不變的情況下，可以減少每一流路的管長(zhǎng)L，從而降低每一流路的沿程損失，達(dá)到把壓損的影響降低的效果。

2 整機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

從上述理論分析φ5 mm管蒸發(fā)器換熱面積減小近28.5%，壓降損失增大10～12%，因此為了降低φ5 mm管換熱器對(duì)整機(jī)系統(tǒng)性能和可靠性的影響，改善φ5 mm管換熱器換熱效率。通過(guò)對(duì)φ5 mm管換熱器減小內(nèi)螺紋齒頂角，降低齒高[2]，減小壁厚等進(jìn)行調(diào)整，降低管內(nèi)流阻，調(diào)整參數(shù)如表2。

表2 φ5 mm管換熱器參數(shù)調(diào)整

為了進(jìn)一步降低小管徑換熱器管內(nèi)流動(dòng)阻力，在流路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免流路不均導(dǎo)致系統(tǒng)換熱不均勻，通過(guò)冷媒在蒸發(fā)器中的流動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)冷媒主要以液態(tài)為主，因此需要提升冷媒在蒸發(fā)器中的流速，提升換熱性能，冷媒經(jīng)過(guò)一段換熱管后邊成氣態(tài)冷媒，因此需要降低冷媒的流速?gòu)亩档蛪航?，因此設(shè)計(jì)一種一進(jìn)兩出的流路從而減小系統(tǒng)壓降提升系統(tǒng)換熱性能。

2.1 性能試驗(yàn)分析

對(duì)φ5 mm管換熱器和φ7 mm管換熱器進(jìn)行整機(jī)性能對(duì)比試驗(yàn)，針對(duì)出口歐盟24 K座吊機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，通過(guò)調(diào)整冷媒灌注量和節(jié)流閥的大小使其發(fā)揮出最優(yōu)的換熱性能，在焓差試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試名義工況下的數(shù)據(jù)如表3。

通過(guò)制冷仿真軟件對(duì)φ5 mm管換熱器的流路形式和分流毛細(xì)管進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)φ5 mm管換熱器采用4路設(shè)計(jì)，由于分流的均勻性直接影響整機(jī)性能，因此測(cè)試時(shí)針對(duì)每一路的出口進(jìn)行熱電偶檢測(cè)溫度，確保出口溫差在3度以?xún)?nèi)，并且確保每一路蒸發(fā)完全通過(guò)調(diào)整電子膨脹閥數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，出口過(guò)熱度控制在2度左右，得出名義制冷和名義值熱數(shù)據(jù)φ5 mm管換熱器和φ7 mm管換熱器在能力和能效方面相當(dāng)，因此在性能方面完全可以使用φ5 mm管換熱器替換φ7 mm管換熱器，在保證性能前提下降低研發(fā)成本。

表3 φ5 mm管換熱器和φ7 mm管換熱器性能測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 可靠性試驗(yàn)分析

由于φ5 mm管換熱器壓降較大，因此針對(duì)可靠性方面需要重點(diǎn)驗(yàn)證其在最大制冷，最小制冷，防凍結(jié)化霜，堵回風(fēng)口等對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響；制冷系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)蒸發(fā)器散熱不良時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)分流不均的現(xiàn)象；在低溫制冷時(shí)，蒸發(fā)溫度更低，如果分液不均，內(nèi)管溫位置不合理，就會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)效果異常出現(xiàn)結(jié)霜不化霜（防凍結(jié)保護(hù)不進(jìn)入）等問(wèn)題。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案如表4。

表4 φ5 mm管蒸發(fā)器可靠性測(cè)試方案

2.2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析：

1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，φ5 mm管換熱器并沒(méi)有出現(xiàn)分液不均的現(xiàn)象，上述在性能測(cè)試時(shí)已優(yōu)化換熱流路和分液毛細(xì)管長(zhǎng)度，因此只要合理設(shè)計(jì)流路可以解決φ5 mm管換熱器壓損增大導(dǎo)致分路不均的影響。

2）在低溫制冷工況如表5，當(dāng)內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器管溫包溫低于4℃時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)壓縮機(jī)限降頻率把內(nèi)管溫限制在3～6 ℃之間，因而對(duì)于φ5 mm管徑換熱器現(xiàn)有的蒸發(fā)器感溫包位置、防凍結(jié)控制邏輯符合要求，保證機(jī)組運(yùn)行可靠。

表5 低溫制冷φ5 mm管蒸發(fā)器各流路的溫度℃

3）在過(guò)負(fù)荷制熱實(shí)驗(yàn)中，可以觀察到φ5 mm管換熱器的運(yùn)行頻率稍微比φ7 mm管換熱器高。當(dāng)φ5 mm管換熱器室內(nèi)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)低風(fēng)檔運(yùn)行時(shí)，內(nèi)管溫上升，通過(guò)感溫包位置調(diào)整和控制邏輯調(diào)整系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)入限降頻模式保證機(jī)組正?？煽窟\(yùn)行，避免機(jī)組運(yùn)行溫度和壓力過(guò)高。

3 成本分析

使用小管徑換熱器降成本主要是換熱銅管和冷媒灌注量的降低，由于φ5 mm銅管重34.1 g/m，φ7 mm銅管重54 g/m[1]， 因此相同長(zhǎng)度銅管降成本36.8%；由于小管徑換熱器管徑減小換熱效率高，蒸發(fā)器管內(nèi)體積減小冷媒灌注量也減小，溫室氣體排放少，對(duì)環(huán)境污染小，更利于環(huán)保性制冷劑的推廣使用。表6是歐盟24 K座吊內(nèi)及成本分析。總體降成本41 RMB，單內(nèi)機(jī)降成本可達(dá)6%，因此小管徑換熱器在后續(xù)的產(chǎn)品中重點(diǎn)推廣應(yīng)用。

表6 24 K座吊機(jī)成本分析

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，φ5 mm管換熱器同φ7 mm管換熱器在換熱器大小尺寸相同，換熱管數(shù)量相同的情況下對(duì)比結(jié)論如下：

1）φ5 mm管換熱器換熱面積是φ7 mm管換熱器的28.5%；φ5 mm管徑減小冷媒側(cè)的沿程阻力增大，銅管管徑減小成本降低。

2）由于冷媒側(cè)沿程阻力加大為了確保整機(jī)性能和可靠性需要針對(duì)冷媒灌注量和蒸發(fā)器分路進(jìn)行優(yōu)化減小流程流程阻力，提升產(chǎn)品性能和可靠性。

3）性能方面通過(guò)優(yōu)化流路能力能效兩者相當(dāng)，因此可以通過(guò)調(diào)整銅管數(shù)做更高效產(chǎn)品，滿足市場(chǎng)需求。

4）可靠性方面通過(guò)流路設(shè)計(jì)和蒸發(fā)器感溫包位置的調(diào)整可滿足不同工況下的可靠性要求，機(jī)組能正常進(jìn)入防凍結(jié)和防高溫要求，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。