平行流換熱器在空調(diào)器柜機(jī)中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究

代傳民 滕兆龍 馬強(qiáng) 張明杰

1. 青島海爾智能技術(shù)研發(fā)有限公司 山東青島 266103；

2. 青島海爾空調(diào)器有限總公司 山東青島 266103；

3. 數(shù)字化家電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266103

1 引言

平行流換熱器是一種基于微通道技術(shù)發(fā)展起來(lái)的高效緊湊式換熱器[1]?，F(xiàn)有研究表明，與傳統(tǒng)銅管鋁翅片的管翅式換熱器相比，平行流換熱器采用全鋁結(jié)構(gòu)，具有體積小、成本低、換熱效率高等優(yōu)勢(shì)[2]，這與當(dāng)前空調(diào)產(chǎn)品低成本、高能效、節(jié)能節(jié)材的市場(chǎng)需求相適應(yīng)，因此得到了制冷空調(diào)行業(yè)的普遍關(guān)注[3]。

與管翅式換熱器相比，平行流換熱器具有以下優(yōu)點(diǎn)：由于橫截面積小于圓管，因此空氣側(cè)的阻力較??；翅片效率和翅片當(dāng)量高度負(fù)相關(guān)，管翅式換熱器因受U型傳熱管的彎曲半徑所限，翅片效率較低，而平行流換熱器無(wú)此限制，翅片效率相對(duì)較高[4]；平行流換熱器可以靈活調(diào)整流程的扁管分布，使制冷劑側(cè)換熱能力增加時(shí)阻力較??；其扁管和翅片采用的焊接方式?jīng)Q定了他們的接觸熱阻較小[5]，且為全鋁換熱器，更容易回收[6]。目前，關(guān)于平行流換熱器的傳熱機(jī)制[7,8]、傳熱性能及其影響因素已開(kāi)展了較多研究，并在風(fēng)冷式冷水機(jī)組室外機(jī)上已有工程應(yīng)用，但在房間空調(diào)器中的應(yīng)用研究還相對(duì)較少。本文以R410A空調(diào)柜機(jī)為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比分析室內(nèi)機(jī)分別采用平行流換熱器和管翅式換熱器時(shí)的空調(diào)器性能，并進(jìn)一步提出改善平行流換熱器柜機(jī)制熱性能的技術(shù)方案。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為對(duì)比室內(nèi)機(jī)換熱器采用平行流與普通管翅式換熱器時(shí)空調(diào)器的性能，制作了兩臺(tái)5 hp柜機(jī)空調(diào)器為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)保持室外機(jī)配置完全相同，室內(nèi)機(jī)換熱器分別采用平行流換熱器和管翅式換熱器，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中，平行流換熱器的長(zhǎng)寬尺寸與管翅式換熱器相當(dāng)，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 平行流換熱器扁管和翅片的結(jié)構(gòu)示意圖

表1 5 hp空調(diào)柜機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要配置與結(jié)構(gòu)參數(shù)

按照國(guó)標(biāo)GB/T 7725-2004規(guī)定，將兩臺(tái)樣機(jī)在焓差室內(nèi)進(jìn)行制冷與制熱實(shí)驗(yàn)，其制冷實(shí)驗(yàn)工況：室外干/濕球溫度為35℃/24℃，室內(nèi)干/濕球溫度為27℃/19℃；制熱實(shí)驗(yàn)工況：室內(nèi)干/濕球溫度為20℃/15℃，室外干/濕球溫度為7℃/6℃。

3 結(jié)果分析

3.1 制冷運(yùn)行

分別調(diào)節(jié)兩臺(tái)樣機(jī)的制冷劑充注量、壓縮機(jī)頻率和電子膨脹閥開(kāi)度，使其制冷量和EER達(dá)到最佳水平，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制冷性能

從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，管翅式換熱器樣機(jī)的制冷劑充注量為5100 g，制冷量為13720 W，EER為3.1；平行流換熱器樣機(jī)的制冷劑充注量為4500 g，制冷量為15126 W，EER為3.2，制冷劑充注量相比于管翅式樣機(jī)減少11.8%；而制冷量增加1406 W，提升10.2%；平行流換熱器與普通管翅式換熱器因空氣流通時(shí)氣流組織發(fā)生變化，風(fēng)阻降低，內(nèi)機(jī)風(fēng)量提升4.7%。

由圖1的平行流換熱器結(jié)構(gòu)可知，平行流換熱器由多孔扁管、翅片采用焊接方式形成，與銅鋁管翅式換熱器相比消除了銅管與翅片間的接觸熱阻，提高了導(dǎo)熱性能，不存在由于電位差而引起的腐蝕。平行流換熱器采用扁管設(shè)計(jì)，對(duì)于空氣側(cè)，產(chǎn)生的熱邊界層有益于強(qiáng)化空氣側(cè)的傳熱，可有效降低風(fēng)扇的功耗；對(duì)于制冷劑側(cè)，制冷劑流道被分為若干個(gè)平行通道，其換熱系數(shù)h=Nu?k/d（Nu為努謝爾特?cái)?shù)，d為水力直徑，k為導(dǎo)熱系數(shù)），由于水力直徑的減小而顯著提高，故其性能優(yōu)于管翅式換熱器。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)熱成像儀得到制冷時(shí)蒸發(fā)器出風(fēng)側(cè)溫度分布，并按照規(guī)律選取20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度采集，如圖2所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，換熱器的溫度分布較為均勻，溫度從左到右，隨著制冷劑方向從下到上有逐漸升高的趨勢(shì)。

圖2 制冷運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器出風(fēng)側(cè)的溫度分布圖

3.2 制熱運(yùn)行

兩臺(tái)樣機(jī)均保持制冷劑充注量不變，調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度及壓縮機(jī)頻率對(duì)空調(diào)器進(jìn)行調(diào)試，得出最佳的制熱量及制熱能效比COP，其結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制熱性能

從表3中可以看出，在保持各自制冷劑充注量與制冷運(yùn)行時(shí)相同的情況下，平行流換熱器樣機(jī)的制熱量明顯小于管翅式換熱器樣機(jī)，制熱量由15500 W衰減至14609 W，COP由3.6衰減至3.4。經(jīng)分析，其衰減原因在于：在制熱工況下大部分制冷劑聚集在冷凝器中，當(dāng)平行流換熱器作為冷凝器使用時(shí)由于其內(nèi)容積小，制熱量降低；冷凝壓力升高，能效比降低。因此，必須將制熱運(yùn)行時(shí)多余的制冷劑充注量進(jìn)行儲(chǔ)存并提升室外換熱器的供液量。針對(duì)此問(wèn)題本文提出優(yōu)化方案。

4 優(yōu)化方案

在原平行流換熱器樣機(jī)的基礎(chǔ)上增加閃蒸器及節(jié)流器件，構(gòu)成如圖3所示的改進(jìn)制冷循環(huán)，即在電子膨脹閥（節(jié)流裝置3）和室外換熱器之間增設(shè)閃蒸器，同時(shí)增設(shè)節(jié)流裝置1和節(jié)流裝置2，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以改善空調(diào)器的制熱性能。

圖3 優(yōu)化后柜機(jī)的制冷循環(huán)原理圖

優(yōu)化后樣機(jī)的控制策略為：制冷運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉節(jié)流裝置1，節(jié)流裝置2全開(kāi)，節(jié)流裝置3起到節(jié)流作用；制熱運(yùn)行時(shí)，節(jié)流裝置2和節(jié)流裝置3均起節(jié)流作用，其中利用節(jié)流裝置2控制系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力，節(jié)流裝置3將制冷劑節(jié)流至中壓狀態(tài)，節(jié)流裝置1將閃蒸器中的中壓氣體減壓至蒸發(fā)壓力并直接進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣管。閃蒸器在制熱時(shí)具有兩個(gè)功能：（1）儲(chǔ)存部分液態(tài)制冷劑，緩解平行流內(nèi)容積小帶來(lái)的不利影響；（2）使更多的液態(tài)制冷劑進(jìn)入室外換熱器，保證供液充分及分流均勻，從而提升換熱效果。

在額定工況對(duì)優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，其性能數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同系統(tǒng)制冷制熱性能對(duì)比

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在保持制冷劑充注量為制冷運(yùn)行最佳充注量4500 g的條件下，優(yōu)化后的閃蒸器+平行流換熱器樣機(jī)與優(yōu)化前平行流換熱器樣機(jī)相比，其制冷量和EER水平保持相當(dāng)，而制熱量則由14609 W提升至15560 W，COP由3.4提升至3.6?？梢?jiàn)，優(yōu)化后樣機(jī)的制熱量及COP相比于采用管翅式換熱器時(shí)略有提升。

5 結(jié)論

本文將平行流換熱器應(yīng)用在5 hp空調(diào)器柜機(jī)的室內(nèi)機(jī)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比分析其與采用管翅式室內(nèi)換熱器時(shí)的性能，獲得了如下結(jié)論：

（1）與采用管翅式室內(nèi)換熱器的空調(diào)器相比，采用平行流換熱器時(shí)，其室內(nèi)機(jī)風(fēng)量略有增加，空調(diào)器的制冷量提升了10.2%，但其制熱量衰減5.7%。

（2）采用閃蒸器+平行流換熱器的空調(diào)器與僅采用平行流換熱器的空調(diào)器相比，其制冷量相當(dāng)，制熱量提高6.5%，制熱COP提高5.9%；制熱量和COP比采用管翅式換熱器的空調(diào)器略有提升。

由于平行流換熱器作為室內(nèi)機(jī)換熱器的制冷系統(tǒng)時(shí)增加閃蒸器，大幅增加了系統(tǒng)的控制工作量和成本，今后尚需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化并充分驗(yàn)證其應(yīng)用可靠性。