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微通道换热器空调系统性能试验分析点击：1786 日期：[ 2014-04-26 21:57:39 ] |
| 微通道换热器空调系统性能试验分析 张 蕾 (上海日立电器有限公司技术研究部,上海201206) 【摘 要】 本文通过对两套采用微通道换热器的KFR-72LW空调器样机(1号机:室内外换热器均采用微通道换热器; 2号机:室外机为微通道换热器,室内机为管翅式换热器),分别进行性能测试,对比分析采用微通道换热器与管翅式换热器的空调器性能差异。试验结果分析显示:微通道换热器空调器具有高效(强制冷性能)、减排(减少制冷剂充注量)、低成本(换热器小型化)等优点;但制热工况下,因室外机采用微通道换热器,换热面积大幅度减小,蒸发压力过低,导致制热效果不良、系统频繁除霜等问题,有待于进一步研究解决。 【关键词】 微通道换热器 管翅式换热器 制冷性能 制冷剂充注量 高效 0 引言 我国于2009年将要实施家用空调器的新能效标准,对空调器的能效比提出了相当高的要求:空调器制冷量<4500W的能效等级必须达到标准规定的2级,即能效比3·2。按照这一要求,需要大幅提高空调器的整机性能。 提高空调器整机性能的途径有多个方面,最关键的两个方面是压缩机和两器性能的提高。改进压缩机的性能,需要大量的时间和投入。采用高效内螺纹管、减小铜管直径、加大换热面积等措施来强化换热已经不能满足高能效要求,而且会带来成本的增加;而微通道换热器的强化换热性能应用于家用空调器则可以在较短时间内大幅提高空调器的性能。 在蒸发器、冷凝器中,当量直径在(10~200)μm的通道属于微通道。对于相变传热,当量直径Dh<3mm时,随着管径的减小,重力、表面张力和界面剪切力的相对重要性发生变化,导致管内凝结和沸腾换热机理不同于普通管道,气液两相流型及其转化规律也将显示出明显的尺度效应。通道越小,这种效应越明显。例如,当管内径小到(0·5~1)mm时,对流换热系数可增大(50~100)%[1]。 将微通道换热器的强化换热技术用于空调换热器,与最高效的传统管翅式换热器相比,空调器整体换热效率可望提高(20~30)%。 同时,空调器中的传统管翅式换热器的主要材料-铜的价格日益增长,而空调器的成本中除了压缩机以外,两器(蒸发器、冷凝器)是主要成本。铜价格的增长,必定增加了空调器整机成本。而采用全铝材料的微通道换热器,其主要材料? ?铝的价格明显低于铜的价格。只要微通道换热器的加工工艺日趋成熟,进入批量的话,可大大降低空调器的材料成本。本文通过对两套微通道换热器空调器样机(1号机:室内外换热器均采用微通道换热器; 2号机:室外机为微通道换热器,室内机为管翅式换热器)的制冷和制热性能进行测试,对比分析了采用微通道换热器和管翅式换热器的空调器性能差异,总结了微通道换热器应用于家用空调器的优势和存在的问题。 1 试验空调系统简介 1·1 试验用空调系统简介 试验的样机采用两套KFR-72LW空调器,对空调器的室内机和室外机的换热器进行替换: 1号样机的室内机采用2#微通道/扁管式换热器、室外机采用4#微通道/扁管式换热器; 2号样机的室内机采用原来的1#管翅式换热器、室外机采用4#微通道/扁管式换热器。对1号样机和2号样机进行对比试验。微通道/扁管式换热器的型式见图1所示。 1·2 原空调系统性能参数 原空调器(型号为KFR-72LW)主要性能参数 如下所示(铭牌标示值): 制冷剂:R22;充注量: 2·3 kg; 额定电压: 220V;额定频率: 50Hz; 额定制冷量: 7200W; 额定制热量: 8200W(10300W) 制冷/制热额定功率: 2630W /2600W (电加热4700W); 原机配毛细管:Φ2·5(外径)mm×630mm×3; 换热器型式:室内机采用1#管翅式换热器、室外机采用3#管翅式换热器。 1·3 换热器参数对比 空调器所用管翅式换热器(1#与3#)与微通道换热器(2#与4#)结构参数如表1所示。 1)微通道换热器的迎风面积较管翅式换热器减小,其中室内机2#换热器较1#换热器迎风面积减小3·4%、室外机4#换热器较3#换热器迎风面积减小4·4%; 2)微通道换热器的换热面积较管翅式换热器减小,其中2#换热器较1#换热器的换热面积减小19·4%、4#换热器较3#换热器的换热面积减小43·6%; 3)微通道换热器的质量较管翅式换热器亦减小,其中2#换热器较1#换热器减小26·4%, 4#换热器较3#换热器减小49·1%; 4)上述微通道换热器具有“节省材料”、“小型化”、“轻型化”的特点,有利于空调器室内外机降成本、安装运输方便、节省安装空间。 2 测试结果及分析 2·1 额定制冷性能比较分析 对KFR-72LW空调器的原机及更改换热器后的1号机、2号机进行额定制冷、额定制热性能测试[2]对比,数据汇总见表2。 由表2额定制冷性能对比可知: (1)微通道换热器的换热能力明显优于传统管翅式换热器; 1号样机的室内微通道换热器面积减小19·4%、室外微通道换热器面积减小43·6%,制冷剂充注量减小19·6%,而制冷量仅减小11·7% (6410W /7266W)、制冷能效比降低11·1% (2·41/2·71);而2号样机的室外微通道换热器面积减小43·6%,制冷剂充注量减小26·1%,但其制冷量反而上升3·4%(7513W /7266W),制冷能效比上升1·76% (2·74/2·71)。 (2)仅室外机采用微通道换热器的2号样机性能明显优于室内和室外外机均采用微通道换热器的1号机。 分析原因: 1号样机的2#换热器室内换热面积较2号样机减小19·4%,较小的蒸发面积导致了1号样机有较低的蒸发压力,其压缩机吸气密度20·47kg/m3,低于2号样机吸气密度23·10kg/m3,较高的吸气密度增加了制冷剂单位容积制冷能力。 (3)微通道换热器有利于减小压降 1号样机的2#室内微通道换热器,压降为81kPa;明显低于传统管翅式换热器的压降(144kPa)。 (4)2号样机具有较低的压缩机压比 2号样机压比为3·50,低于1号样机的压比3·91,有利于提高压缩机容积效率。 2·2 额定制热性能比较分析 两套KFR-72LW空调器样机在制热匹配过程中,因室外机均采用微通道换热器型式,制热工况下,换热面积减小43·6%,使蒸发压力过低,导致蒸发温度过低,换热器(蒸发器)表面温度过低,系统频繁除霜,无法稳定进行制热匹配。 通过调整加液量和毛细管规格,仍出现制热工况频繁除霜的现象,见图2所示,平均50min除霜一次。 2·3 微通道换热器的凝水排放问题 1号样机在额定制冷工况下,室内出现凝水微漏现象(未出现大面积积水)。 分析原因: 1号样机室内机采用微通道换热器型式(换热面积相应减小19·4% ),蒸发压力过低,同时因微通道换热器的强化换热器效果,导致凝水量增加。而试验用的KFR-72LW空调器的凝水盘和凝水管均是按照管翅式换热器型式设计的,故会出现室内凝水微漏现象。 对2号样机进行凝露试验测试,与某KFR-60空调器(定速机)的凝露试验作对比,结果见表3。由表3比较可知,在类似的蒸发压力下, 2号样机的除湿凝水量略大于普通定速KFR-60空调器的除湿凝水量,但因表3中进行比较的机型容量不同,仅供直观大致比较。 2·4 微通道换热器运用到家用空调器价格优势传统管翅式换热器的主要材料是铜,而微通道换热器的主要材料是铝,铝的价格明显低于铜。同时因微通道换热器的高强化换热功能,不依靠增加换热面积来提高换热效率,换热面积较管翅式大幅减少,所用材料亦大幅减少,可缓解铜材涨价造成的成本压力。 由上述两套KFR-72LW空调器样机新年的分析比较可知,微通道换热器的材料成本明显低于传统管翅式换热器的材料成本,见表4。 根据目前的金属价格,由表4可知,采用微通道换热器型式,室内机可节省材料成本108·7元;室外机可节省293·9元。 在微通道换热器加工工艺成熟的基础上,微通道换热器批量产业化的话,微通道换热器的材料成本较传统管翅式换热器,还是有很大的优势。 3 结论 (1)两台空调样机中,仅室外机采用微通道换热器的2号样机性能优于室内外机均采用微通道换热器型式的1号样机:制冷量7513W /6410W; COP2·76/2·41。 (2)由试验分析比较可知,微通道换热器具有以下优势: a)强化换热能力:减小换热面积的前提下,制冷量仍有明显优势; b)降成本、减排、环保:可减小换热器面积,降低制冷剂充注量; c)小型化、轻型化:可节省安装空间,便于运输。 (3)试验用微通道换热器空调器的室外机换热器面积大幅度减小,蒸发温度过低,导致制热效果不良、频繁出现除霜动作,还需通过匹配合适的换热面积等方法进行改进,以提高空调系统制热性能。 (4)试验用微通道换热器的蒸发压力较低,其凝水能力高于管翅式换热器。对于室内机采用换热面积大幅度减小的微通道换热器型式的家用空调器,其凝水排放系统(集水盘和排水管)需重新进行设计。 参考文献 [1] Pettersen J, Hafnera, Skaugeng, Rekstadh·Development of compactheat exchangers for CO2 air- conditioning systems [J]·Int J ofRefrig, 1998, 21(3): 180-193· [2]中华人民共和国国家标准GB/T 7725-2004《房间空气调节器》[S] |
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