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平行流换热器在家用空调的应用和分析点击：2408 日期：[ 2014-04-26 22:00:53 ] |
| 平行流换热器在家用空调的应用和分析 李越峰 陈俊智 王晰 四川长虹电器股份公司 【摘要】通过一款平行流换热器在分体挂壁式冷暖空调室外机上的应用，和原来管片式换热器系统在方案、成本等方面进行对比分析以及制冷性能试验研究，同时介绍了平行流换热器作为蒸发器进行结构改进方案，并对平行流换热器在丙烷新冷媒系统的应用前景进行展望。 【关键词】平行流换热器家用空调丙烷 1.前言 美国摩丁（modine）公司最早的专利 产品平行流换热器（简称PFC）是用来替代原来在汽车空调的管片式冷凝器，后来经过日本昭和铝等公司在两端集管中增加 隔板形成不同回路而称之为多元流换热器 （简称MFC，Multi-Flow Condenser），其基本构成见图1：扁管两端分别插入左集管和右集管，利用设置在左集管和右集管上的隔板分隔而形成串连通道，翅片和集管表面涂敷有钎料和钎剂，整个芯体通过夹具夹持，通过NOCKLOCK钎焊炉整体焊接而成。国内平行流换热器通过大批量在汽车空调中使用，技术已经非常成熟，目前主要应用的是多元流（MFC）的形式。和管片式换热器相比，平行流有以下优点： ●由于扁管不流通，面积小于圆管，因此空气侧阻力小； ●翅片效率和翅片当量高度成反比，管片式由于U型传热管弯曲半径限制，而 平行流无此限制，因此翅片效率高； ●平行流可以灵活调整流程的扁管分布，使制冷剂侧换热能力增加时而阻力减小； ●扁管和翅片的焊接方式决定了扁管和翅片的接触热阻小； ●容易回收； 近些年，国家对家用空调能效要求日益提高，对高效换热的研究逐渐成为学术研究以及行业的关注热点，但发表的文章主要以平行流换热研究为主，对家用空调应用和替代研究文章较少[1]、[2]。文献［1］对平行流冷凝器用于家用空调做了理论可行性论证，文献［2］做了平行流冷凝器在家用空调上的对比测试和分析,但使用平行流不是空调换热器尺寸，研究方向是空调能效5级产品。本文研究按现有空调换热器尺寸设计的平行流样件在分体挂壁式冷暖空调系统的匹配试验，从取得性能和付出成本进行对比分析。 2.替换试验 为能对平行流换热器制冷和制热效果做初步摸底，我们准备在一款分体挂壁式冷暖空调室外机替换原来的管片式换热器，室外机带有四通阀管路组件，毛细管外置，制冷剂充注量根据匹配情况调整。分别与3200W和3500W的室内机进行匹配试验，试验结果和原来管片式换热器系统进行比较。 2.1平行流换热器样件 2.1.1几何参数 某厂提供的平行流换热器芯体尺寸： 575（集管中心线）mm×500mm×16（厚 度）mm，翅片：16mm×7.8（波高）mm ×2.4（波距）mm，扁管：2mm×16mm ×5 7 5 m m（光管），取换热器长度为 575mm，考虑到平行流换热器不好折弯， 该尺寸也是目前单冷直排管片式换热器方 案的翅片端板间长度，见图2。 由于平行流换热器进出口是铝管，为满足家用空调铜管的焊接要求，平行流换 热器样件进出口管组件，与平行流冷凝器连接的一侧采用铝管，与空调铜管连接的一侧采用铜管，铜管和铝管之间采用电阻焊，该焊接方法目前已成熟并大量应用在空调室内外机的铜铝连接配管。 2.1.2流程分布 平行流换热器样件为6流程，见图3，每个流程管数14、11、9、7、5、4。 2.2 空调系统参数 平行流换热器应用的室外机系统和原 来管片式换热器的室外机系统状态对比见 表1。 2.3 测试结果对比 和相应规格的空调对比测试采用相同室内机进行，状态区别主要是外机换热器和充注量更改，按GB 7725-2004规定的制冷和制热性能工况进行测试，具体结果见表2。由于在额定制热测试过程中大量水珠不断积聚在平行流换热器的翅片间，而换热器本身没有设计排水流道，随着水珠不断增加，使室外侧的风量不断减少，使空调短时间制热能力瞬间值达到3200W后，制热能力出现明显下降，使额定制热测试 无法进行。Condenser名字决定了平行流适合作为冷凝器而非蒸发器。 从表2可以看出平行流换热器的换热能力非常强，换热潜力比较大，仅靠增大室内机换热器和风量可以使原来32的平行流室外机系统达到35机的制冷能力和EER 达到2级能效要求。 3.成本构成和分析 3.1平行流换热器成本构成 对此次试验用的平行流换热器材料成本分析见表3。 3.2系统成本方案对比 平行流换热器和不同机型管片式换热 器系统材料成本对比见表4，成本比较仅 反映制冷性能的差异,由于压缩机排量减 少，空调制热量也一定会减少，但对于单冷空调可以达到提高空调性能和降低成本 的目的。 4.改进措施介绍 汽车空调是单冷空调，制热是靠暖风 机利用发动机余热提供，平行流冷凝器不 用考虑蒸发器的作用。而家用热泵空调室 外换热器要使用平行流换热器，就必须进 行相应的结构改进。从前面的试验和分析 可以看出，首先必须解决换热器翅片表面 凝结水问题，即如何形成“水道”将冷凝水迅速排走。 由于加工工艺需要进行整体焊接，无法使用亲水铝箔，普通铝箔容易产生珠状 凝结在翅片上形成“水桥”；并且由于扁管本身结构形式是水平平板，由于水有张力，冷凝水无法及时顺利排掉。对于亲水性问题可以考虑对换热器本身进行整体式亲水处理的方案。对于现有结构方式改变，目前公布的主要解决方案有两个：一个是美国摩丁公司提出的平行流第二代P F 2 （Parallel flow plate fin）方案见图4，摩丁公司将原来的翅片形式改为类似管片式翅片形式，利用两端翅片形成水道；另外一个是韩国LG公司申请的专利［3］，见图5，主要解决方案是将原来水平放置扁管改为倾斜放置从而形成排水道。由于对摩丁公司PF2没有更多的细节介绍，无法获得更多的信息。基于排水效果判断，LG方案倾斜扁管的方案效果似乎会更好。 图4平行流二代示意图 5.新工质应用前景 目前家用空调使用的R22制冷剂将会在未来被其它制冷剂替代，文献［4］阐述 了丙烷是非常有希望替代R22的自然工质，但是由于丙烷是可燃气体，其安全性一直受到质疑。丙烷燃烧的两个条件： ①空气中的浓度在燃烧上下限之间； ②明火、火花达到相当能量和温度；由此可以看出丙烷空调的安全性或对 环境的威胁主要取决于丙烷的充注量。如果丙烷完全泄漏后浓度远远低于燃烧下限，可以认为是安全的。一般国外通常认为空间中丙烷含量不超过燃烧下限的20%的量是安全的，即 空气中丙烷含量≤39g/m320%＝7.8g/m3， 按1.5HP空调制冷量对应房间面积一 般在15 m2左右，按2.6m房高计算安全充 注量为：7.8 g/m3×15m2×2.6m＝304.2g 可以看出充注量小于304g的以丙烷作为制冷剂的空调，即制冷剂完全泄漏 在房间内也可以满足对空调安全要求。文献［5］研究表明：相同空调系统，丙 烷的充注量是R22空调系统充注量的 48%～49%。从前面1.5HP空调系统冷凝器应用平行流换热器使R22充注量降低到500g以下，可以推算如果该系统改用丙烷，则丙烷充注量应在250g以下。我们可以进一步推断：如果蒸发器可以改用平行流形式，系统丙烷充注量完全可以控制到200g以内，国际标准对小型制冷机使用碳氢化合物的安全要求是不大于150g，如果蒸发器形式可以采用平行流，小制冷量的空调系统达到这一目标非常有希望。 6.结论 对平行流换热器在家用空调室外机和管片式换热器进行替换研究，在相同迎风 面积下，材料成本有所增加，平行流冷凝器可以将原系统能效比从5级提高到3级，而如果对系统室内侧做适当优化，平行流换热器系统能效比可以达到2级节能要求，同比管片式换热器材料成本有所降低，同时制冷剂的充注量明显降低，通过以上分析可以形成如下结论： ●基于制冷能效比提高的优化设计，平行流换热器在材料成本优于目前管片式 换热器。 ●目前平行流换热器可以用于单冷空调，在家用空调提高能效标准的大环境下，如果能改进结构有效解决凝结水和化霜水排除问题，平行流换热器在家用空调将会有更大应用空间。 ●应用平行流换热器的系统充注量会比管片式换热器系统大幅降低，会使应用丙烷制冷剂的空调系统安全性大幅提高，具有十分积极的意义。 参考文献 1.陈芝久.陈江平.刘敬辉.平行流换热器用于家用 空调的可行性分析，上海市制冷学会二○○三 年学术年会论文集，2003年，p.307-309 2.罗顺春.崔炳禄.浅谈平行流冷凝器在家用空调 上的应用，第八届全国空调器、电冰箱（柜）及 压缩机学术交流会论文集.中国广东珠海,2006 年,p.118-120 3. LG电子株式会社.扁管式换热器.中国，发明专 利说明书，ZL 97103961.5 2003 4.李越峰.李进.丙烷在家用空调中应用前景，中国制 冷学会第十七次团体会员大会暨第五届全国食品冷 藏链大会论文集,中国长沙，2004年,p.40-47 5.Y.Hwang et al.,September 2002, P E R F O R M A N C E C O M P A R I S O N O F HYDROCARBON R-290 WITH R-22 IN RESIDENTIAL HEAT PUMP SYSTEM,5th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural WorkingFluids,p.603-610 （注：本文选自第九届全国小型制冷机学术交流会 论文集，该文获得优秀论文奖。） 【编辑/李鹏】 |
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