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小管径内螺纹铜管在空调系统中的应用点击：2050 日期：[ 2014-04-26 21:39:19 ] |
| 小管径内螺纹铜管在空调系统中的应用 尤顺义,张静,林灿洪,刘凌晓 (广东志高空调有限公司,佛山,广东528244) 【摘 要】在比较Φ5mm内螺纹铜管与普通Φ7mm内螺纹铜管换热及流体压降特点的基础上,介绍了家用空调使用Φ5mm内螺纹铜管的特点及其采用的相应措施。整机性能测试证明,采用Φ5mm内螺纹铜管时蒸发器铜的用量降低43%以上,成本下降40%左右;而制冷量、能效比及循环风量均有所增加。 【关键词】小管径 内螺纹铜管 换热器 0 前言 随着经济的快速发展,空调的市场容量逐年扩大,对空调的质量要求也在逐步提高。铜管在空调器中起着举足轻重的作用,对铜管的技术要求同样也越来越苛刻,尤其对换热器中的铜管要求更高。因此,如何使铜管更好地满足空调行业的需要已显得更重要。追求低成本、高效率、高质量已成为铜管制造业公认的发展趋势。 有资料显示,中国铜资源比较贫乏,铜材主要依赖进口。但我国却是铜资源的消耗大国,仅空调一项的年消耗量就相当可观。2009年市场空调年产量约为8153万台,每台平均用铜(6~8)kg计算,每年总耗铜量约(49~65)万吨,按现有市场铜价5. 5万元/吨计算则高达(269~357)亿元人民币。按目前国内铜年总需求380万吨计算,空调用铜占12. 6% ~16.8%,空调器减少对铜的消耗,对我国整体减少铜的消耗具有重要意义。与此同时也有利于空调器向小型化方向发展,降低空调制造成本,提高企业产品竞争力。 换热器是空调的核心部件,对空调的性能和成本控制起着关键作用。为了减少铜耗,强化换热,拟在家用空调器上使用小管径内螺纹铜管。针对压降增大的问题对小管径铜管的内螺纹作了改造,进行了相关实验;同时对相关工艺进行了调整。实验证明,在家用空调器上使用Φ5mm(实际管径为4. 96 mm)的新型小管径内螺纹铜管代替Φ7mm内螺纹铜管是可行的。 1 两种内螺纹铜管的性能比较分析 换热器的换热方式包括三种基本的方式:传导、对流、辐射。换热器中的铜管起着传导换热的作用是换热的最直接的方式,铜管本身的换热性能直接影响空调器的换热效果。同时,铜管本身也起到构成制冷系统回路的作用。根据需要,铜管要弯成各种形状,通过胀管、焊接的方式连接起来。铜管在空调器中起着如此重要的作用,因此,对铜管的几何尺寸、焊接性能、加工性能、可靠性等方面的要求很高。 1.1 Φ5 mm内螺纹铜管的结构特点 含油制冷剂在小管径换热管内流动沸腾换热与压降特性研究表明[1],Φ5mm强化管内工质流动的压降比Φ7 mm强化管增大了10% ~30%,即管内工质流动时的能量损失增大了10% ~30%。 从换热理论来看,提高接触长度,对提高管内蒸发传热系数帮助很大,提高留液面积,对提高管内冷凝传热系数帮助很大。因此,为改善铜管换热效率,主要考虑从增加齿高、加大齿底宽、减小齿顶角等方面入手。 为了降低压降,薄化液膜,提高热传导效率,对Φ5mm内螺纹铜管进行了改进: (1)内螺纹齿顶角从25°调整为18°,齿高从0·18 mm降低到0. 14 mm,使齿型尖细,增强了螺纹齿对制冷剂的扰动和对液膜的剪切,使管壁上的制冷剂液膜变薄,同时获得较大的槽底宽,减小了制冷剂的流阻,强化了管内换热情况; (2)管径减小使管道的耐压性能得到增强,为此将铜管壁厚从0. 25 mm调整为0. 20 mm。在不降低蒸发器耐压的情况下,有效地节省了铜的消耗。 1.2 管内传热系数比较 改进后的新型小管径内螺纹铜管与Φ7mm内螺纹铜管管内换热系数的比较如图1所示。可以看出,两种规格的内螺纹铜管应用于蒸发器时管内换热系数几乎相同(蒸发温度7. 5℃)。通常在空调蒸发器上的性能差异相当于管内换热系数的十分之一,由此推断两种铜管应用于蒸发器上的差异可以忽略。 1.3 管内压力损失比较 图2展示新型小管径内螺纹铜管与Φ7 mm内螺纹铜管管内压降的比较。可以看出,新型小管径内螺纹铜管的管内压力损失约高出10% ~12%。 1.4 管外传热系数比较 采用Φ5mm管可以有效的减小管排的拖曳作用,减小管外背风侧的传热盲区,提高管外侧传热性能,同时管排间距的增大,有利于凝结水的排放,从而使换热器的压降损失降低[2]。 处于加工工艺及可替换性的考虑,Φ5管应用于蒸发器采用和Φ7管相同的结构,管排布置不变。Φ5管单管换热性能与Φ7管相比基本相当,但管内压力损失约高出10% ~12%;由于风量的增大和管外侧传热性能的提高使得换热器整体换热性能基本相当。 1.5 力学性能与耐压性 在空调系统中使用的铜管除要考虑其换热性能外,还要满足使用性能,即铜管应当有足够的强度和韧性。5mm铜管在应用加工过程中的必需的工艺性能,如铜管在经受弯曲、扩口过程中的可塑性成形性,与7mm铜管相差无几,;但由于壁厚的下降,对其在焊接、胀管中的要求更高。 铜管的耐压性与爆裂性能,在空调热交换的铜管标准中没有这项要求,其原因是空调制冷装置的工作压力不高。但在采用HFCs类制冷剂之后,由于使用新型制冷剂的空调制冷装置的压力提高了约50%,铜管的耐压性就必须考虑。经过实验, 5mm铜管由于管径小,耐压性能好, 0. 20mm壁厚的5mm铜管与0. 25 mm壁厚的7mm铜管耐压性能相当,均可承受2MPa以上的压力,满足使用要求。 2 采用新型小管径内螺纹铜管的相应技术措施 采用新型小管径内螺纹铜管在节省铜材的同时也会出现一些技术和工艺方面的问题,为解决这些问题,为进一步提高换热器换热性能,采取了一系列相应措施。 2.1 新型高效翅片的应用 采用Φ5mm新型内螺纹铜管使得蒸发器换热面积减少了20%,为提高蒸发器换热效率采用了新型高效翅片。该翅片源自国内外先进的百叶窗片技术,包括多个隔开的平行翅片,以引导空气在每对相邻翅片之间流动。翅片中包含格栅型结构,格栅可使空气流动变为湍流;交替伸出翅片相反两侧面的结构加强了温度边界层效应,使压力降低减少到最低程度。两方面的综合效果使换热性能比普通翅片提高了1. 5倍。 由于蒸发器翅片温度沿空调进风方向逐渐升高,在翅片的迎风侧,由于翅片温度较低,相比其他位置而言,换热效果较差,对风阻的影响和其他位置是一样的。因此,可适当的减小翅片片宽,从12. 7mm减至10. 8mm,有效的节省了材料,同时提高了管外空气流速,提高管外侧传热性能。 2.2 流路优化 研究说明[3],小管径换热性能较好,但容易形成环状流,使管内压降增加。需要对整个系统的流路进行优化,尽量避免复杂的流程布置造成传热的不均匀性。并采用最优的管组连接方式使换热器有均匀的换热和流动性,以取得较高的换热量。 为此,实验中,在制冷剂液态较多的蒸发器前半部分采用两路方式,充分发挥制冷剂流速越快,换热效果越好的特点;在制冷剂汽态较多的蒸发器后半部分增加流路数,采用四分流方式,有效的减小了管内制冷剂的压降。 2.3 铜管加工过程中存在的问题及分析 空调器的铜管在制作过程中,因设备、工艺、原材料性能等方面原因引起的质量问题时有发生[4],采用了Φ5mm内螺纹管对铜管胀管、焊接等方面的加工提出了更高的要求[5],铜管加工过程中经常出现的问题及发生原因归纳如表1所示。 3 整机性能分析比较 3.1 在R22系统中的应用 表2为不同铜管加工的蒸发器应用于使用R22的1P系统中的测试结果。可以看出,在实际应用中,采用新型Φ5mm内螺纹管的换热器的各项性能指标均优于采用Φ7 mm内螺纹管的换热器。 3.2 在R410A系统中的应用 根据《蒙特利尔保护臭氧层议定书》和《京都议定书》,R22的淘汰已成定局,R410A越来越多的应用于空调系统。对使用R410A制冷剂的系统应用5mm铜管也进行了一些实验研究,结果见表3。由于R410A工作压力高,流动性能好,系统性能受压降损失的影响不敏感,因此循环时制冷剂流速可以更大。采用小管径铜管,多流路设计,对于R410A系统有更明显的优势。 4 结论 (1)采用新型5mm内螺纹管的蒸发器,与传统的7mm内螺纹铜管蒸发器相比,在降低耗材提高性能方面具有明显的优势,使产品的市场竞争能力得到大幅度提升。 (2)实验证明, 5mm铜管应用于使用R22制冷剂的系统,采用合理的设计可以降低较高的管内压降,其胀管及焊接等加工问题也可以通过工艺的调整解决。 (3)实验证明, 5mm铜管应用于使用R410A制冷剂的系统,有更明显的优势。 (4)由于小管径铜管的应用可以显著减少系统灌注量,对于系统经济性及环保性能均十分有利。 参考文献 [1]魏文建,胡海涛,丁国良,王凯建.含油制冷剂在小管径换热管内流动沸腾换热关联式[J].上海交通大学学报, 2007, 41(3): 404-410 [2]魏文建,胡海涛,丁国良,王凯建.含油制冷剂在小管径换热管内流动沸腾换热特性实验研究[J].上海交通大学学报, 2006, 40(2): 286-290 [3]姜明健,孙晗.制冷剂在微尺度槽道内的流动与传热研究[J].北京工业大学学报, 1998, 24(1): 55-59 [4]杜学峰,张晓春,王彦坤,李金伟.ACR铜管在空调换热器中的应用与[J].平原大学学报, 2003, 20(4): 20-23 [5]王伟成.ACR微细内肋管传热阻力性能分析[J].制冷与空调,1999, 23(2): 21-24 |
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