房間空調(diào)器小管徑室外換熱器流路優(yōu)化

摘要：隨著空調(diào)器的快速發(fā)展和國(guó)際銅價(jià)的持續(xù)升高，制冷空調(diào)行業(yè)采用的換熱器在向著小體積、低成本發(fā)展的過(guò)程中往往面臨著性能衰減的技術(shù)瓶頸。為突破此瓶頸，以一款冷暖型房間空調(diào)器翅片管式室外換熱器為研究對(duì)象，將其換熱管外徑由7 mm減小至5 mm并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化其流路，最終實(shí)現(xiàn)Φ5 mm換熱器性能達(dá)到初始樣機(jī)水平并有效降低換熱器成本。首先，分別在5種標(biāo)準(zhǔn)工況下測(cè)試初始樣機(jī)性能；然后，利用CoilDesigner軟件來(lái)分析小管徑化對(duì)換熱器性能的影響，仿真結(jié)果表明，在不改變流路布置的情況下，Φ5 mm換熱器的換熱能力略有提升，但制冷劑側(cè)壓降增大4～7倍；進(jìn)一步地，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了5種流路布置方案來(lái)探究分路數(shù)、分路匯合位置等因素對(duì)換熱器傳熱及壓降特性的影響規(guī)律，總結(jié)了小管徑翅片管式換熱器流路優(yōu)化的思路，并設(shè)計(jì)了3種Φ5 mm管徑室外換熱器流路優(yōu)化方案。仿真評(píng)估3種方案的可行性后制作樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：方案（3）性能與原換熱器相當(dāng)，同時(shí)其材料成本可降低34.6%。

關(guān)鍵詞：房間空調(diào)器；翅片管式換熱器；小管徑；流路優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TB69.文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202405017.文章編號(hào)：0253-987X（2024）05-0179-11

Research on Circuit Optimization of Small-Diameter Outdoor Heat

Exchanger for Room Air Conditioner

Abstract：With rapid advancements in air conditioners and increasing international copper prices， the heat exchangers used in the refrigeration and air conditioning industry frequently face technical challenges that hinder performance degradation as efforts focus on compact size and cost efficiency. In response， a study is conducted on a dual-mode room air conditioner with a finned-tube outdoor heat exchanger. The outer diameter of the heat exchange tubes is reduced from 7 mm to 5 mm alongside the circuit optimization. The goal is to achieve the performance of the Φ5 mm heat exchanger at the level of the initial prototype and effectively reduce the cost of the heat exchanger. Firstly， the performance test of the original prototype is carried out across five standard operating conditions. Subsequently， CoilDesigner is utilized to assess the impact of tube diameter reduction on the heat exchanger’s performance. Simulation results indicate a minor improvement in the heat transfer capacity of the Φ5 mm heat exchanger without any circuit alterations. However， the refrigerant pressure drop increases by 4—7 times. Furthermore， five targeted circuit schemes are designed to examine the impact of factors such as the number of circuits and confluence locations of circuits on the heat transfer and pressure drop characteristics of the heat exchanger. The study summarizes an optimization approach for the circuit of small-diameter finned-tube heat exchangers. Three optimization schemes are developed for the Φ5 mm outdoor heat exchanger. After simulating and evaluating the feasibility of these three schemes， prototypes are generated for performance testing. The experimental results reveal that scheme （3） performs on par with the original heat exchanger while concurrently reducing material costs by 34.6%.

Keywords：room air conditioner; finned-tube heat exchanger; small tube diameter; circuitry optimization

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)空調(diào)市場(chǎng)的迅速發(fā)展，房間空調(diào)器產(chǎn)銷(xiāo)量逐年攀升，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明目前家用空調(diào)的年耗電量達(dá)到400億kW·h以上［1］，同時(shí)房間空調(diào)器的能效標(biāo)準(zhǔn)也在逐漸提高［2］。在各種暖通空調(diào)與制冷技術(shù)中，空氣源熱泵因其運(yùn)行成本低、環(huán)境效益好、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)。然而，越來(lái)越多的應(yīng)用也不可避免地增加了對(duì)能源和材料的需求［3］。翅片管式換熱器是空氣源熱泵中換熱管外空氣與換熱管內(nèi)制冷劑進(jìn)行熱傳遞的關(guān)鍵設(shè)備，其主要由銅換熱管和鋁翅片組成?？照{(diào)器中銅的消耗量占銅總消耗量的15%以上［4］，且近年來(lái)銅的材料價(jià)格持續(xù)上漲，給翅片管式換熱器的生產(chǎn)制造帶來(lái)了巨大的成本壓力。翅片管式換熱器的性能受換熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)［5-6］、制冷劑類(lèi)型［7-8］、換熱器的幾何結(jié)構(gòu)［9-10］、翅片類(lèi)型［11-13］等多方面因素的影響，雖然優(yōu)化這些參數(shù)可以有效提高翅片管式換熱器的性能，但這往往會(huì)以付出更高的成本為代價(jià)。如何在滿足房間空調(diào)器性能需求和能效標(biāo)準(zhǔn)的前提下，減少銅的用量來(lái)節(jié)約換熱器成本，是眾多空調(diào)企業(yè)迫切追求的目標(biāo)。

室外換熱器的發(fā)展趨勢(shì)是發(fā)展緊湊式換熱器［14］，即采用更小管徑的銅管來(lái)提升其換熱性能［15］。小管徑換熱器具有結(jié)構(gòu)更緊湊、成本更低、傳熱效率更高以及顯著降低制冷劑充注量等優(yōu)點(diǎn)［16-17］，但是換熱器的小管徑化也會(huì)帶來(lái)制冷劑側(cè)壓降劇增、空氣側(cè)阻力變大、管內(nèi)側(cè)傳熱面積減小等弊端，最終可能導(dǎo)致房間空調(diào)器的性能降低和能效下降［18-20］。換熱器的流路布置對(duì)其性能有很大的影響［21-23］，這也說(shuō)明了在過(guò)渡到更小的換熱管管徑時(shí)優(yōu)化制冷劑流路的重要性。通過(guò)優(yōu)化換熱器的流路，可以在制冷系統(tǒng)其他設(shè)備保持不變的情況下，顯著提升房間空調(diào)器的能效［24］。王皓宇等［25］通過(guò)數(shù)值模擬研究了適用于冷藏陳列柜的小管徑冷凝器在不同工況下的傳熱、壓降性能，證明了冷凝器的小管徑替代技術(shù)路線是可行的。李俊峰等［26］分析了不同流路、不同運(yùn)行工況下Φ5 mm換熱器壓降特性變化規(guī)律，結(jié)果表明Φ5 mm換熱器冷凝工況下壓降增大0.5～1.3倍，蒸發(fā)工況下壓降增加３倍以上，另外他們提出了采用多管并聯(lián)的過(guò)冷管，可以大幅度減少蒸發(fā)壓降。陳偉等［27］對(duì)一款7 mm管徑改5 mm管徑的室外換熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了優(yōu)化后室外換熱器的換熱性能。結(jié)果表明，相比于優(yōu)化前的室外換熱器，優(yōu)化后室外換熱器的額定制冷和額定制熱工況下?lián)Q熱能力分別降低了0.7%和0.3%。

目前，有關(guān)優(yōu)化翅片管式換熱器流路的研究主要集中在使用直徑為7 mm或更大直徑換熱銅管的空調(diào)系統(tǒng)上，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)采用直徑為5 mm換熱銅管的翅片管式換熱器性能進(jìn)行研究，且研究范圍較小。故在未來(lái)?yè)Q熱器小管徑化發(fā)展的趨勢(shì)下，亟需補(bǔ)充對(duì)不同規(guī)格小管徑換熱器性能的研究。因此，本文以一款冷暖型房間空調(diào)器室外換熱器為研究對(duì)象，提出將其換熱管管徑由7 mm減小至5 mm，力求在滿足其性能和能效要求的前提下實(shí)現(xiàn)成本最小化。在數(shù)值仿真的指導(dǎo)下對(duì)其流路布置進(jìn)行了優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了空調(diào)器的性能能夠滿足要求，同時(shí)換熱器的材料成本預(yù)計(jì)可降低34.6%。

1.原型機(jī)性能測(cè)試及仿真

1.1.實(shí)驗(yàn)裝置及性能測(cè)試

原型機(jī)是一款冷暖型房間空調(diào)器，其冷媒采用R410A，制冷劑充注量為1 120 g；圖1給出了房間空調(diào)器原型機(jī)的制冷系統(tǒng)，共有壓縮機(jī)、室內(nèi)換熱器、室外換熱器和電子膨脹閥4個(gè)基本部件，其中室內(nèi)換熱器布置于空調(diào)室內(nèi)機(jī)中，其余3個(gè)基本部件集中布置在空調(diào)室外機(jī)中。壓縮機(jī)采用型號(hào)為ASM103N11UFT的定頻壓縮機(jī)，其工作電壓與頻率分別為230 V與60 Hz；電子膨脹閥的型號(hào)為SANHUA SHF-4-10L3；室內(nèi)換熱器采用Φ7 mm-16U的四進(jìn)四出翅片管式換熱器；室外換熱器采用Φ7 mm-雙排26U的四進(jìn)一出翅片管式換熱器。

原型機(jī)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)在空調(diào)器5HP焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。該焓差室主要用于分體式房間空調(diào)器的性能測(cè)試，可以對(duì)空調(diào)器制冷量、壓縮機(jī)耗功、出風(fēng)溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)所用的焓差室主要由室內(nèi)側(cè)房間和室外側(cè)房間組成，包括工況控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)工況的控制是通過(guò)操作焓差室工況控制柜來(lái)實(shí)現(xiàn)的；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由室內(nèi)側(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和室外側(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成，包括若干熱電偶、壓力傳感器、風(fēng)量測(cè)試裝置和空氣干濕球溫度測(cè)量裝置等。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了原型機(jī)在T1制冷工況、T3制冷工況、高溫制冷工況、額定制熱工況和低溫制熱工況下的換熱能力、樣機(jī)功率、室內(nèi)機(jī)風(fēng)量、室內(nèi)外換熱器進(jìn)出口的制冷劑溫度與壓力等數(shù)據(jù)。房間空調(diào)器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況見(jiàn)表1。將實(shí)驗(yàn)臺(tái)安裝好后啟動(dòng)焓差室，待焓差室室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)空氣的干濕球溫度、相對(duì)濕度均調(diào)節(jié)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定工況后，開(kāi)啟空調(diào)待其運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始記錄所需的測(cè)試數(shù)據(jù)：每種不同的工況分別每隔5 min記錄一組數(shù)據(jù)，每種工況記錄7組數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

1.2.原型機(jī)性能仿真及分析

把原型機(jī)部分測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)作為初始條件，并合理地選取傳熱及壓降關(guān)聯(lián)式，利用CoilDesigner軟件［28］對(duì)初始室外換熱器的性能進(jìn)行仿真計(jì)算，換熱量的仿真計(jì)算結(jié)果與原型機(jī)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比如圖2所示。由圖2可以看出，5種工況下室外換熱器換熱量仿真計(jì)算結(jié)果相較于實(shí)驗(yàn)得出的原型機(jī)測(cè)試結(jié)果的偏差均小于1%，說(shuō)明本次仿真輸入的初始條件、選取的傳熱和壓降關(guān)聯(lián)式以及設(shè)置的關(guān)聯(lián)式修正因子均較為合理，軟件計(jì)算也較為準(zhǔn)確，模擬結(jié)果可靠，該軟件可以指導(dǎo)后續(xù)流路優(yōu)化工作。圖3和圖4分別給出了T1制冷工況下管內(nèi)制冷劑溫度分布情況與5種工況下每根換熱管的換熱能力。在圖4中，換熱管1～26為第1列換熱管（迎風(fēng)側(cè)），換熱管27～52則代表第2列換熱管（背風(fēng)側(cè)）。由圖4曲線的變化趨勢(shì)可得出，制冷工況下第2列換熱管總體的換熱量約為第1列換熱管的一半；制熱工況下第2列換熱管性能衰減嚴(yán)重，其中額定制熱工況下第2列換熱管總換熱量約為第1列的20%；低溫制熱工況下第2列換熱管總換熱量幾乎為0。圖4指出了換熱性能較差的換熱管位置，為換熱器的流路優(yōu)化提供了參考。

2.小管徑室外換熱器流路優(yōu)化

2.1.小管徑化對(duì)換熱器換

通過(guò)仿真來(lái)分析小管徑化對(duì)換熱器性能的影響，遵循單一變量原則，仿真計(jì)算小管徑室外換熱器性能時(shí)僅將其換熱管管外徑由7 mm減小為5 mm，其余無(wú)關(guān)變量均與原換熱器相同，得出仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，小管徑換熱器的換熱能力略有提升，在不同工況下提升幅度約為1%～3%。但是，制冷劑側(cè)壓降明顯提高：制冷工況下室外換熱器作冷凝器時(shí)制冷劑側(cè)壓降約為原換熱器的4倍；制熱工況下室外換熱器作蒸發(fā)器時(shí)制冷劑側(cè)壓降約為原換熱器的7倍。制冷劑側(cè)壓降的顯著提高一方面導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗明顯提升，最終使空調(diào)系統(tǒng)能效下降；另一方面使得傳熱溫差衰減，惡化換熱能力。因此流路優(yōu)化應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注降低制冷劑側(cè)壓降。

2.2.分路數(shù)、分路匯合位置對(duì)換熱器性能的影響

對(duì)小管徑換熱器傳熱及壓降特性影響較大的有換熱器分路數(shù)和分路匯合位置兩方面因素。

（1）換熱器分路數(shù)。增加分路數(shù)可以降低每條支路中制冷劑流速，從而減小制冷劑在管中的沿程阻力和局部阻力，降低制冷循環(huán)的壓降，使壓縮機(jī)功耗降低。與之相反，減小分路數(shù)會(huì)提升制冷劑的流動(dòng)阻力，但同時(shí)也提高了制冷劑的流速，從而增大了制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)。因此，分路數(shù)需要選擇一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，既能夠降低壓縮機(jī)功耗，又能夠表現(xiàn)出較好的換熱能力。

（2）換熱器分路匯合位置。當(dāng)換熱器作蒸發(fā)器時(shí)，推后分路匯合位置，延長(zhǎng)干度較低的氣液兩相態(tài)制冷劑在分流前的流動(dòng)管程，可以提高制冷劑處于干度較低的氣液兩相區(qū)的流動(dòng)速度，從而提高制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)，同時(shí)也增大了制冷劑側(cè)壓降；與之相反，提前分路匯合位置能夠降低制冷劑流動(dòng)沿程阻力和局部阻力，同時(shí)也會(huì)降低換熱性能。所以尋找合適的分路匯合位置既可以保持換熱器換熱能力，又能夠降低壓縮機(jī)的功率消耗。

為明確流路優(yōu)化的方向，有必要研究換熱器分路數(shù)、分路匯合位置對(duì)小管徑換熱器傳熱及壓降特性的影響規(guī)律。如圖6所示，本文有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了5種流路布置方案，通過(guò)仿真的結(jié)果來(lái)分析總結(jié)分路數(shù)、分路匯合位置等因素對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律。其中方案（a）、（b）、（c）3種流路布置方案為6進(jìn)1 出的流路布置，3種流路的布置方式有所區(qū)別：分別為N、N與n混合和n型布置，可以對(duì)比探究在重力的作用下N、n型布置對(duì)換熱器性能的影響；方案（d）為8進(jìn)1出的流路布置，可與原流路和方案（c）來(lái)對(duì)比研究分路數(shù)對(duì)換熱器傳熱及壓降性能的影響；方案（e）為6進(jìn)1出的流路布置，相比于方案（a），方案（e）改變了匯合管的位置，可用來(lái)探究分路匯合位置對(duì)換熱器性能的影響規(guī)律。

以額定制熱工況為例，上述5種流路布置方案性能的仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示。分析圖7可得出以下結(jié)論。

（1）對(duì)比方案（a）、（b）、（c）。換熱器各支路的N型、n型和N與n混合型布置對(duì)換熱器的傳熱及壓降性能影響程度相近，其中換熱器支路N型布置的換熱量略大于其他兩種布置方式。

（2）對(duì)比原流路、方案（c）和方案（d）。隨著分路數(shù)的增大，換熱器換熱量逐漸減小，同時(shí)制冷劑側(cè)壓降顯著下降，如流路數(shù)由4增大到8時(shí)，換熱量下降了3.6%，制冷劑側(cè)壓降下降了39.1%。

（3）對(duì)比方案（a）、（e）。匯合管長(zhǎng)度由2管程增大到4管程后制冷劑側(cè)壓降提升了93.3%，同時(shí)其換熱量提升了2%。

（4）方案（e）匯合管為2管程，其制冷劑側(cè)壓降為80.3 kPa，仍大于初始室外換熱器的冷媒壓降約一倍，故在流路優(yōu)化時(shí)不再考慮帶有匯合管的結(jié)構(gòu)。

2.3.小管徑室外換熱器流路優(yōu)化思路

2.3.1.流路優(yōu)化原則

基于前文對(duì)小管徑室外換熱器性能的研究以及分路數(shù)、分路匯合位置等因素對(duì)換熱器傳熱及壓降特性影響規(guī)律的探究，并結(jié)合了其他文獻(xiàn)對(duì)流路優(yōu)化的研究成果總結(jié)出流路優(yōu)化的原則如下。

（1）換熱器管徑變小后應(yīng)適當(dāng)增加分路數(shù)，并合理選取分路匯合位置來(lái)降低制冷劑流過(guò)換熱器的壓降［18，29］；

（2）換熱器作冷凝器時(shí)制冷劑與外界空氣逆交叉流換熱，作蒸發(fā)器時(shí)制冷劑與外界空氣順交叉流換熱，這樣可以提高平均對(duì)數(shù)傳熱溫差［30-33］；

（3）制冷劑在冷凝器中應(yīng)該盡量上進(jìn)下出，以減小重力的作用對(duì)換熱性能的負(fù)面影響［34］；

（4）為了降低冷媒壓降，小管徑室外換熱器可根據(jù)實(shí)際情況考慮不采用匯合管結(jié)構(gòu)；

（5）換熱器每條換熱支路的管程分布應(yīng)盡量均勻［35］；

（6）迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速小的地方適當(dāng)加長(zhǎng)管程，風(fēng)速大的地方適當(dāng)縮短管程［36-39］；

（7）合理采用流量分配器、分液毛細(xì)管等分液裝置來(lái)盡量保證每條支路中制冷劑分布均勻、穩(wěn)定流動(dòng)［40］。

2.3.2.分路數(shù)的理論計(jì)算

對(duì)于小管徑換熱器的流路優(yōu)化要找到合適的流路數(shù)，本文基于吳照國(guó)提出的微分方程［1］，推導(dǎo)了用于計(jì)算小管徑換熱器壓降與原管徑相當(dāng)?shù)淖钚×髀窋?shù)的公式，可用于指導(dǎo)小管徑換熱器的初步流路優(yōu)化工作。

假設(shè)換熱管的管徑變化前后換熱器的壓降保持不變，原換熱器的分路數(shù)為I，小管徑換熱器的分路數(shù)為I+i，即當(dāng)分路數(shù)增加i時(shí)使得換熱器管徑變化前后壓降相當(dāng)。

制冷劑側(cè)壓降ΔP與質(zhì)流密度G和流程長(zhǎng)度L成正比，可用下式計(jì)算

ΔP=SG2L（1）

為使換熱器管徑減小后壓降保持不變，所以壓降ΔP對(duì)管徑D、換熱器流路數(shù)I和換熱器管程總長(zhǎng)度Ltotal的全微分等于0，如下式所示

假設(shè)換熱器管程近似平均分配，則換熱器管程總長(zhǎng)度Ltotal可表示為單條換熱管支路的管程L與流路數(shù)I的乘積，如下式

Ltotal=IL（3）

將式（1）和（3）代入式（2）中并化簡(jiǎn)，得

將式（4）做不定積分，取整后得到分路數(shù)與管徑的關(guān)系式

式中C是一個(gè)任意的常數(shù)。

假設(shè)換熱管總管程與單支路管程均不變，管徑縮小后換熱器需要增加的流路數(shù)i可由下式計(jì)算

式中：Dnew為管徑變化后的新管徑；Dorg為原始管徑。

將Dorg=7 mm、Dnew=5 mm代入式（6）中，計(jì)算得i=1.57，取整后為i=2，即對(duì)于此換熱器而言，為使換熱器管徑減小后制冷劑側(cè)壓降保持不變，流路應(yīng)當(dāng)增加1.57條，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)增加2條分路。

2.3.3.小管徑換熱器每條分路長(zhǎng)度的估算方法

通過(guò)理論計(jì)算來(lái)估算小管徑換熱器每條分路的長(zhǎng)度，一方面可以為流路優(yōu)化設(shè)計(jì)提供初步參考，另一方面可縮短流路設(shè)計(jì)周期。首先用效能-傳熱單元數(shù)法（ε-NTU法）來(lái)計(jì)算空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。由于管壁面溫度被設(shè)為定值，即管壁面的比熱容可以認(rèn)為無(wú)限大，不引起管壁溫度的變化，因此可以將效能ε與傳熱單元數(shù)NTU之間的關(guān)系簡(jiǎn)化為

式中：Tain為入口處空氣溫度；Taout為出口處空氣溫度；Tw為銅管管壁溫度。

式（7）中的傳熱單元數(shù)NTU可由下式計(jì)算得到

式中：qm為空氣質(zhì)量流量；cp為空氣比定壓熱容；η0為翅片管式換熱器的翅片總效率；h0為換熱器空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，兩者之間的計(jì)算可以由Schmid近似準(zhǔn)則［41］得到

式中：Af為換熱器翅片表面積；A0為換熱器翅片和圓管總表面積。

式（12）中的m由以下公式計(jì)算

式中：kf為翅片導(dǎo)熱系數(shù)；δt為翅片厚度；Pt為橫向管間距；Pl為縱向管間距。

利用式（7）～（17），可以通過(guò)迭代求解空氣側(cè)傳熱系數(shù)和翅片效率

Q=KA0ΔTm（18）

由效能-傳熱單元數(shù)法迭代計(jì)算得出空氣側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h0后，通過(guò)下式估算每條分路的長(zhǎng)度

2.4.流路優(yōu)化方案及性能仿真

2.4.1.流路優(yōu)化方案

結(jié)合總結(jié)出的小管徑換熱器傳熱及壓降特性，遵循前文列出的流路優(yōu)化原則，并在理論計(jì)算的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了如圖8所示的3種流路優(yōu)化方案，其中右側(cè)為室外換熱器作為冷凝器時(shí)的迎風(fēng)側(cè)：方案（1）是5進(jìn)5出的流路布置；方案（2）是6進(jìn)6出的流路布置；方案（3）是6進(jìn)3出的流路布置。

利用CoilDesigner軟件［28］在5種工況下分別對(duì)上述3種方案的換熱量及制冷劑側(cè)壓降進(jìn)行仿真計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖9所示。方案（1）換熱量與原換熱器基本相當(dāng)，但制冷劑側(cè)壓降略大于原換熱器，預(yù)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)整體能效應(yīng)略有下降；雖然方案（2）在5種工況下的制冷劑側(cè)壓降小于原型機(jī)，但其換熱能力比原型機(jī)下降了0.99%～2.38%，預(yù)計(jì)整機(jī)性能不能達(dá)到原型機(jī)水平；相較于原型機(jī)，方案（3）的換熱能力更強(qiáng)，同時(shí)制冷劑側(cè)壓降提升了64.3%以上，考慮到仿真選取的壓降關(guān)聯(lián)式應(yīng)用于本換熱器存在一定的誤差，預(yù)計(jì)方案（3）可以符合換熱能力與能效要求。

此外，換熱器的材料成本按照銅的價(jià)格為68 913元/t、鋁的價(jià)格18 419元/t來(lái)估算，原換熱器成本約為188.1元，優(yōu)化流路后的3種方案成本約為125.5元，相較于原換熱器成本減少了34.6%。 這里換熱器成本指的是換熱器的材料成本，即根據(jù)銅管的質(zhì)量計(jì)算得出的銅的材料成本和根據(jù)鋁翅片數(shù)計(jì)算得出的鋁的材料成本之和，并沒(méi)有考慮布置流路時(shí)所需分液頭、集氣管等配件的成本。新設(shè)計(jì)的適用于Ф5 mm翅片管式換熱器的流路，與原有Ф7 mm翅片管式換熱器的流路相比，二者在布置流路時(shí)均采用了一個(gè)分液頭和一根集氣管，區(qū)別只在于分液銅管的總長(zhǎng)度略有不同：Ф7 mm換熱器采用4根分液銅管，Ф5 mm換熱器按照方案（3）布置采用3根分液銅管；另外方案（3）采用了3個(gè)爪型三通；最終經(jīng)過(guò)估算，二者布置流路所需的配件成本基本一致，因此在計(jì)算換熱器總成本時(shí)并未考慮配件的成本。

2.5.流路優(yōu)化方案性能實(shí)測(cè)

按照2.4.1節(jié)中列出的3種方案焊接并制作好實(shí)際的室外換熱器后，將其安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的外機(jī)中，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別測(cè)試每種改進(jìn)流路在5種工況下的性能表現(xiàn)，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。分析小管徑優(yōu)化流路室外換熱器整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)得出如下結(jié)論。

（1）方案（1）在T3制冷以及高溫制冷工況下的性能近似原型機(jī)水平，但在剩余3種工況下性能相較于原型機(jī)有較大衰減，尤其是額定制熱和低溫制熱性能?chē)?yán)重衰減，這是由于室外換熱器在制熱工況下作蒸發(fā)器，小管徑換熱管流程阻力明顯提升，導(dǎo)致制冷劑在蒸發(fā)過(guò)程中溫度滑移增大，使其換熱能力嚴(yán)重衰減。

（2）方案（2）的性能衰減幅度較大：制冷工況時(shí)換熱能力能夠與原換熱器相當(dāng)，但其能效比衰減2.3%～6.9%；制熱工況時(shí)，換熱能力衰減0.85%～2.4%，能效比衰減2.4%～3.9%，且蒸發(fā)溫度越低性能惡化越嚴(yán)重。

（3）對(duì)比方案（1）和方案（2），方案（1）的制冷性能優(yōu)于方案（2），制熱性能則與之相反。這是因?yàn)榉桨福?）的流路數(shù)小于方案（2），相同工況下每條支路中制冷劑流量更大，在制冷工況時(shí)換熱能力提升帶來(lái)的收益大于壓降增大造成的不可逆損失，而在制熱工況時(shí)壓降帶來(lái)的不可逆損失占據(jù)主導(dǎo)地位，這便造成了方案（1）的制冷性能優(yōu)于方案（2），制熱性能正好相反的現(xiàn)象。顯然方案（1）與方案（2）性能均不符合要求。

（4）方案（3）在3種制冷工況下表現(xiàn)良好，對(duì)比原型機(jī)，其制冷能力與能效比分別提升3.8%～8.7%和0%～0.7%；在額定制熱工況下，制熱能力衰減0.9%，能效比提升1%；低溫制熱工況下，其能效比與原型機(jī)基本一致，但其制熱能力下降1.8%。綜合來(lái)看，方案（3）在多種工況下的能效比均優(yōu)于原型機(jī)，雖然在兩種制熱工況下的制熱能力略差于原型機(jī)，但也能夠滿足產(chǎn)品的能力要求，與此同時(shí)換熱器的材料成本可降低34.6%，一方面可以大量節(jié)約銅和鋁的消耗量，另一方面提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（5）對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者存在一定的誤差，說(shuō)明通過(guò)仿真可以指導(dǎo)、預(yù)測(cè)不同方案性能變化的趨勢(shì)，但實(shí)際的性能還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出才更具說(shuō)服力。

最后，綜合評(píng)估性能測(cè)試結(jié)果、換熱器成本、生產(chǎn)工藝難易等因素，確定方案（3）的6進(jìn)3出流路為滿足國(guó)際能效標(biāo)準(zhǔn)要求的Φ5 mm管徑室外換熱器最佳流路設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了維持室外換熱器性能基本不變的同時(shí)有效降低室外換熱器成本的目的。

3.結(jié).論

為了在滿足房間空調(diào)器性能需求的基礎(chǔ)上盡量降低換熱器的成本，本文通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式探究了在房間空調(diào)器室外機(jī)中利用Ф5 mm翅片管式換熱器代替Ф7 mm翅片管式換熱器的可行性。得出具體結(jié)論如下。

（1）小管徑翅片管式換熱器能夠提高傳熱系數(shù)、降低換熱器成本和減少制冷劑充注量，但也存在制冷劑側(cè)壓降明顯增大、換熱面積衰減等弊端，最終導(dǎo)致整機(jī)能效下降。因此，對(duì)于小管徑換熱器的流路優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)盡量降低制冷劑側(cè)壓降。

（2）對(duì)于小管徑換熱器的流路優(yōu)化主要通過(guò)適當(dāng)?shù)卦黾訐Q熱器的分路數(shù)和選取合適的分路匯合位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體而言可以考慮多流路和減少匯合管長(zhǎng)度的流路布置方式，此結(jié)論普遍適用于小管徑換熱器的流路優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）6進(jìn)3出的流路布置方案性能較好，在總換熱面積衰減5.1%的情況下，仍能夠保證Ф5 mm室外換熱器性能達(dá)到與初始樣機(jī)相同的水平。同時(shí)，有效降低室外換熱器的成本34.6%。由于換熱器的傳熱過(guò)程受外界環(huán)境、制冷劑種類(lèi)等因素的影響，本文得出的最優(yōu)流路設(shè)計(jì)方案僅適用于文中研究的換熱器或與之類(lèi)似規(guī)格和工作環(huán)境的家用分體式空調(diào)換熱器。

（4）文中總結(jié)了小管徑換熱器的流路優(yōu)化原則和最優(yōu)分路數(shù)的理論計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了流路優(yōu)化思路的可靠性；說(shuō)明此思路對(duì)于小管徑換熱器的流路優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，未來(lái)可以將其應(yīng)用于其他型號(hào)和運(yùn)行工況換熱器的流路優(yōu)化研究。

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