摘要：分别从改变翅片厚度和换热管规格２个方面对翅片式换热盘管整体换热性能和成本的影响进行分析和实验研究。结果表明，只减小翅片厚度或减小换热管规格均会导致换热器的整体换热性能下降，若保持相同换热量，则可能需要用更多的换热原材料，而这会导致换热器成本的增加。
    关键词：换热器；翅片；换热管；盘管；性能；性价比；经济效益
    翅片式换热盘管作为一种基本的换热设备，由于其具有结构简单、标准化程度高、换热效果好等特点，在空气调节设备中扮演的角色越来越重要。随着制冷空调行业的迅速发展，翅片式换热盘管的使用量越来越大。相关资料显示，国内风机盘管机组的销售量从２００２年的１３７．８万套发展至２００８年的３１７．２万套；组合式空调机组的销售量从２００２年的２．８万台发展至２００８年的７万多台；风柜２００８年的销售量为１６．１万台［１］，２００９年出现过少许下跌现象，但２０１０年后又出现异常亢奋的发展态势。
    随着制冷空调行业的迅猛发展，制冷空调产品的原材料需求急剧加大，同时，受到国际大环境的影响，各种换热原材料价格一路飙升。据了解，制冷空调产品所用的主要换热原材料铜、铝等价格自２００９年起一直呈现上升趋势，２０１１年年初铜价同比２００９年上涨了约２．２倍，铝的价格上涨了约１．５倍；同时，制造所需的钢铁、水电等价格也在上涨。这些因素直接导致了制冷空调产品生产成本近几年的迅猛增加。
    如何缓解原材料价格上涨带来的经营压力是新形势下摆在制冷空调产品生产企业面前严峻而又迫切的课题。为此，国内众多制冷空调产品生产企业纷纷开展了产品的优化、改进工作，期望能从产品零配件的选用到材料的用材、用量等多方面寻找降低制造成本的机会。这些工作的开展，一方面进一步推动了制冷空调产品研究的深入发展，另一方面也确实给部分生产企业带来了缓解压力的良好效果。
    翅片式换热盘管作为制冷空调产品中主要的换热设备，理所当然地进入了诸多制冷空调产品生产企业的优化改进之列。其中，比较常见的改进方案是将换热盘管的原材料用量减少，如将翅片厚度改薄、换热管规格改小、换热管厚度改薄等措施，认为这样就达到了降成本的目的。如果设计者对这些改进措施导致的换热性能的影响研究得不透彻，设计得不够合理，最终的结果可能是适得其反：不仅达不到降成本的目的，甚至就连原有的换热性能也达不到了。
    为此，笔者将重点对翅片式换热盘管的一些改进进行实验研究，主要研究翅片厚度和换热管规格对换热器换热性能的影响，寻找相应的规律，以供用户及制冷空调行业设计人员参考。
    １·翅片式换热盘管的结构形式
    制冷空调产品用的翅片式盘管换热器结构形式有多种，有铜翅片式换热盘管、铝翅片式换热盘管、不锈钢翅片换热盘管等，近几年还出现了其他特殊材料的换热盘管，其中铝翅片式换热盘管由于具有性价比好、工艺简单等特点在市场中备受青睐。为了研究方便，笔者将着重以铝翅片式换热盘管器作为分析对象（见图１），但是需要说明的是，取得的换热规律同样适用于其他类型的换热盘管。
             
    铝翅片式盘管换热器的换热结构是将换热铜管按照设计要求有序地穿入事先准备好的铝翅片管孔内，并通过胀管工艺将换热管与铝翅片的管孔紧密地胀接在一起（见图２）。为了分析方便，可假设铝翅片与换热管的胀接间隙的空气热阻为零。
              
    ２·翅片式盘管换热器的工作原理通常，翅片式盘管工作时，换热管内是冷水（供冷）或热水（供热），换热管外是被风机强制驱动的需要冷却或升温的空气（见图３）。
              
    热力学第二定律［２］揭示了热力过程的方向性，热能的传播条件必须是传播物体间存在一定的温差，否则热能不能自发地在物体间进行传播。
    Ｑ＝ＫＦΔｔ（１）
    式中：Ｑ为换热器的传热量（Ｗ）；Δｔ为传热温差（℃）；Ｆ为传热面积（ｍ２）；Ｋ为传热系数（Ｗ／（ｍ２·Ｋ））。
    从式（１）可以看出，对于同一换热位置，换热物质间的温差越大，热能传播效率越高、越充分。反之，则热能传播效率越低、越不充分。
    ３　实验条件
    文中涉及的各种性能实验均在国家机构认可的焓差实验室中进行，按照ＧＢ／Ｔ１９２３２—２００３《风机盘管机组》规定的试验工况参数要求，供冷量的性能实验工况见表１［３］。
              
    ４　翅片厚度对传热性能及成本的影响
    ４．１　换热性能分析
    为了更好地分析铝翅片的换热规律，笔者在某个盘管中任取某个铝翅片进行分析，得出的换热规律同样适用于其余铝翅片。
    图４所示为铝翅片的换热模拟图。笔者将铝翅片剖面从紧贴换热管的根部起到翅片末稍（沿换热管表面的垂直方向）均匀地分成１０小段。根据表１的换热工况要求，进入换热管内的冷水温度为７℃，冷水在管内发生热交换。通常地，冷水与换热管间的换热温差为２～４℃，换热管与翅片的换热温差为２～４℃，为了分析方便，暂定冷水到翅片间的总换热温差为６℃，则可得出铝翅片根部的温度为１３℃，铝翅片根部与环境空气（２７℃）之间的温度差为１４℃。随着铝翅片与环境空气间不断进行换热，沿着翅片剖面０→１０方向将形成一个铝翅片与环境空气间的温差梯度，如图４中的类似三角形状０ａｂ所示，其中位置０点的换热温差最大，换热最好；位置１０点的换热温差最小，换热最差。如果铝翅片从根部送来的冷量不充足，则随着铝翅片与环境空气间不断换热，甚至出现冷量还未能传到翅片末稍１０点位置，翅片与环境空气间的温差就趋近于０℃的情况。此时翅片上该点位置以后的翅片部分由于没有温差将不再发生热量传播，即成为多余物料，同时增加空气流动阻力。
              
    通过以上分析可知，为了提高翅片的换热效率，须从以下方面进行改进：
    １）提高翅片上各点与环境空气间的平均换热温差；
    ２）加大通过翅片单位截面上的冷量。以一台普通的风机盘管机组ＦＰ２００为实验对象（机组结构及其主要结构参数分别见图５和表
    ２）验证以上分析。
              
              
    拟定实验方案如下：
    １）实验对象为同一台风机盘管机组ＦＰ２００，通过更换不同翅片式盘管换热器，进行换热性能实验和对比分析。
    ２）翅片式盘管换热器只改变翅片厚度，其余保持不变。根据现场条件，样机采用的铝翅片厚度分别为０．１４５　ｍｍ，０．１２７　ｍｍ，０．１１５　ｍｍ和０．１０５　ｍｍ四种规格。
    ３）均在表１规定的名义测试工况条件下进行实验。
    ４）实验中，分别记录各种换热管同一区域翅片中部位置５的温度及机组供冷量。
             
    图７和图８所示为实验中记录的相关温度及供冷量情况。
             
    由图可以看出，机组供冷量随着翅片变薄而减小，这主要由于厚翅片比薄翅片在相同位置上的单位横截面通过的冷量较多，改变了翅片各点与环境空气间的温差，提高了翅片各点的换热效率，从而使得机组供冷量发生了明显的变化。即在换热翅片数量相同的情况下，厚翅片比薄翅片的换热效率高，换热更充分。
    ４．２　成本分析
    图９所示为换热器翅片厚度对换热器成本（铜材为８万元／吨，铝材为２万元／吨）及供冷量的影响。由图可以看出，若以０．１４５　ｍｍ的铝翅片换热器为基准，随着翅片厚度的变薄，换热器材料成本减少，同时供冷量相应减少。
    假如以上各材料原料价格不变，并且要求换热器的总换热量不变，只减薄翅片厚度的做法对降低产品成本几乎没有作用。为了实现相同供冷量并解决由于翅片变薄导致平均换热效率下降的问题，甚至为此需要付出更多的翅片材料（如增加更多的翅片数量），从而最终可能导致机组整体材料成本不减反增。
    由于换热器中原材料价格的变化会影响铝材与铜管材料在换热器中的成本比例，因而原材料价格的变化可能会导致换热器整体的成本变化与供冷量变化比例不太一样的情况（见图１０）。
             
    通过图１０不难发现，当铜材原料价格与铝材原料价格比例大于１：０．２５时，即铝材原料的价格占比越小，换热器成本的下降速度越小于供冷量的减少速度，因而，此时不宜采用只减薄铝翅片厚度的方式去实现降低成本的目的。
    ５　换热管规格对换热性能及成本的影响
    采用类似上述的分析方式，同样地将换热管从有第一片翅片的位置开始沿着冷水的进水方向至换热管末端出水口，将换热管均匀地分成１０小段（见图１１）。根据表１的要求，进入换热管初始端的冷水温度为７℃，为了分析方便，暂定取冷水与换热管的换热温差为２℃，换热铜管与翅片根部间的换热温差为４℃，则换热管初位置０′处的温度约为９℃，对应的翅片根部温度为１３℃，此位置上的换热管与翅片根部间的温差达到４℃。随着换热管与铝翅片间换热的不断进行，换热管沿着水流（０′→１０′）方向同样形成一个换热管与翅片间的温差梯度，见图１１中类似三角形状０′ｃｄ所示，其中位置０′点的换热温差最大，换热最好；位置１０′点的换热温差最小，换热最差。
             
    对于相同长度的换热管，水流量变小，即供冷量变小，则随着换热管与翅片间的不断换热，甚至出现冷量还未传到换热管出口处（１０′点）换热管与翅片的温差就趋近于０℃的情况，则换热管上该点位置以后的换热管换热效率将非常低，甚至不再传递热量，同样成了多余物料。
    通过以上分析可知，类似提高翅片换热效率的思路，可以从以下方面进行改进：
    １）加大换热管各点与翅片间的换热温差；
    ２）提高输送到换热管单位截面上的冷量。同样以风机盘管机组ＦＰ２００为实验对象验证以上分析。
    拟定实验方案如下：
    １）实验对象为同一台风机盘管机组（见表２），更换不同的翅片式换热器，通过实验进行对比分析。
    ２）换热器采用相同厚度的翅片（０．１０５　ｍｍ），但采用不同规格的换热管。根据现场条件，样机采用的换热管规格分别为Φ１２．７ｍｍ×０．３ｍｍ，Φ９．５２ｍｍ×０．３ｍｍ，Φ７．９４ｍｍ×０．３ｍｍ和Φ７．０ｍｍ×０．２６ｍｍ四种规格。
    ３）均在表１规定的名义测试工况条件下进行实验。
    ４）实验中分别记录各种换热管对应位置上的温度及机组供冷量。
    在制造过程中，盘管换热管外表面已被翅片管孔翻边完全胀接并覆盖（见图３），现场没有办法测量换热管与翅片间的温差，图１２所示为换热管上０′点、５′点和１０′点在翅片管孔翻边外侧对应位置的测点与环境空气间的温差。
    为了更方便寻找换热管规格变化对换热器换热性能的影响，尽量将４种换热管的外表面积设计成基本相当，同时要求换热管的厚度也基本相同，以便在换热管原材料使用量基本相同的情况下，通过改变换热管规格分析带来的换热性能影响。为此，在设计时，各种盘管结构做了少许变化（见表３）。
              
    由图１２可以看出，４种换热器在进口壁面处与外部空气间的温差近似相同，但在换热管中部（５′点），４种换热器的温差出现了少许差异，其中换热管规格越小温差越小；在接近换热管出口处（１０′点），４种换热器与外部空气间的温差的差异更加明显。值得注意的是，温度传感器的包扎对测点位置的换热及温度的测量会带来少许影响与误差。由图１３可以看出，随着换热管管径的变小，总体上换热性能呈现出下降趋势。这主要是由于换热管单位截面上冷水提供的冷量变小，导致换热管上各相应位置上换热温差出现明显差异，换热管整体平均换热效率发生改变，从而出现换热器总体换热性能的差异变化。
    同理，若想保持换热器相同的换热性能，只减小换热管内径的做法也难以达到降低产品成本的目的。为了实现相同供冷量并解决由于换热管内径变小而导致平均换热效率下降的问题，甚至为此增加换热管材料，从而最终可能会导致材料成本不减反增。
    ６　结束语
    通常情况下，在设计翅片式盘管换热器时，减薄翅片厚度或减小换热管内径均会导致换热器的整体换热性能下降，若想实现相同的换热性能，可能需要花费更多的换热原材料弥补因上述改动导致的换热器平均换热效率下降的损失，这可能会增加材料成本。因而，对于翅片式换热盘管的设计，设计人员必须结合换热器的整体实际情况，对换热器材料变化导致的换热效率与成本之间的相互影响进行分析，从翅片厚度、翅片密度、换热管规格、换热管排数［４］、管间距、迎风面积、水路数、进出水温差［５］等多方面因素进行综合分析，拟定合适的匹配的设计优化方案。
参考文献
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［２］韩宝琦，李树林．制冷空调原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．
［３］ＧＢ／Ｔ１９２３２—２００３风机盘管机组［Ｓ］．
［４］马最良，陆亚俊，林丽．关于风机盘管空调器盘管排数的实验研究［Ｊ］．暖通空调，１９９２（２）：３２－３５．
［５］陈剑波，徐小军．变冷冻水温／水量对风机盘管性能的影响的实验研究［Ｊ］．制冷与空调，２００７，７（２）：１－５．