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浅谈高效率房间空调器的换热器设计点击：1974 日期：[ 2014-04-26 22:06:32 ] |
| 浅谈高效率房间空调器的换热器设计 宋吉 郑钢 上海通惠－开利空调设备有限公司 摘要：为了提高房间空调器的效率，应该对其换热器进行优化设计。通过提高翅片的换热系数，增大翅片的换热面积，采用高亲水处理的翅片，提高管内制冷剂换热系数，采用椭圆管换热器，以及盘管回路的优化设计，不对称结构设计等方法，均可以提高换热器的换热能力。 关键词：房间空调器 换热器 优化设计 ０ 引言 提高房间空调器效率的方法有很多，如高效变频压缩机的采用，冷凝器和蒸发器的优化设计，先进节流元件的采用，控制系统的优化等等。随然变频压缩机和电子膨胀阀的使用将大大提高系统的能效比，但冷凝器和蒸发器换热效率的高低也直接决定了整个系统的能效水平。本文将针对房间空调器“两器”的优化设计进行初步的讨论。这些优化措施包括空气侧的换热强化，制冷剂侧的强化传热，盘管的设计优化等多个方面。 １ 空气侧的换热强化 空气侧的对流换热系数比制冷剂侧蒸发、冷凝的换热系数要小得多，这样在 热量交换过程中，空气侧会形成瓶颈，因此翅片换热能力的强化一直是研究的热 点。增强空气侧换热能力包括三个方面：强化翅片的换热效率；对翅片进行高亲 水性处理；增大换热器的面积。 １．１强化翅片的换热效率 由于空气存在粘性，在换热表面流动的空气会在翅片表面形成一层边界层，造成较大的热阻，因此通过改变翅片的结构，可以减薄或者破坏边界层的形成。早期在房间空调器的换热器上使用的是平翅片，铜管的直径为９．５２ｍｍ，之后发展成了波纹片，波纹片的传热量为平片的１．２倍。 上世纪８０年代左右又发展成冲缝片，传热量提高到平片的２倍。后来随着铜管细化为７ｍｍ管，冲缝片的换热能力提高到平片的２．５～３倍。目前大多空调企业均采用冲缝片作为两器的翅片，以提高换热器的换热效率。 选择冲缝片时，应该注意合适的翻边高度，翻边过高，造成翅片过疏，换热面积太少，影响换热性能；翻边过低，造成翅片过密，风阻过大，风量减小，同样影响换热效果。 另外，由于冲缝片的强度较差，在冷凝器 ９０度折弯过程中容易将圆弧段的翅片弄成倒片，倒片使得空气阻力增加，影响了换热。因此，提高翅片的强度和改善加工工艺也能有效地提高换热效率。 １．２对翅片进行高亲水性处理空调器在运行时会产生凝结水，当凝结水珠的高度超过翅片间距的一半时，两冷却片之间的水珠就会连接起来，形成牢固的水桥，造成冷却片间距堵塞，使空气流动的阻力大大增加，从而减少了空气流量，导致换热器的换热量降低和效率下降。室外机在冬季运行时因为同样的原因而结霜，大大降低了系统的效率。因此，对两器的铝箔应该进行亲水处理，即在铝箔表面涂上一层亲水膜，它具有很强的水润湿性，冷凝水极易沿铝箔表面铺开，不形成水桥，而是以薄的水膜形态流下去。评价铝箔亲水性的优劣主要根据其持续亲水角。持续亲水角的大小关系到亲水性的好坏，持续亲水角每减少１０°，空调制冷量可提高 ２％～６％。根据测试，当持续亲水角θ≤ ２０°时，铝箔的亲水性良好；当２０°＜θ≤３０°时，铝箔亲水性一般；当３０°＜θ≤５０°时，铝箔亲水性较差；当θ＞５０°时，铝箔的亲水涂层已基本不起作用。 １．３增大换热面积 增大换热器面积的方法之一就是对冷凝器和蒸发器多次折弯，如图１所示。室内机盘管的折弯形式不断改进，三折换热器的面积比单板式换热器的面积大５０％以上。室外机也可以采用多折方法来增大换热面积，由于室外机空间相对较大，加上高效冲缝翅片的利用，一般情况下采用一个９０度的折弯形式就能满足要求；若需继续增大换热面积，也可采用２个９０度折弯形式。 除通过上述方法增加换热面积外，减小翅片间距也能增大盘管的换热面积。盘管长度相同时，翅片间距越小，翅片数就越多，因此换热面积也就越大。当然，翅片间距也不能太小，否则会加大阻力，引起风量的减小，并且冬季运行时，翅片间距越小越容易结霜，而且结霜后供热量的衰减也越快。对于采用高亲水性冲缝片的室外机，翅片密度在每英寸 １４～１６片为宜；对于采用同样翅片的室内机，翅片密度在每英寸１１～１３片为宜。 ２ 制冷剂侧的强化传热 制冷剂侧的强化传热也是换热器优化的一个重要方面，采用内螺纹铜管和使用椭圆管是制冷剂侧强化传热的主要手段。 ２．１使用内螺纹管 与普通光管相比，内螺纹管的内表面积增大，同时制冷剂流动时沿螺旋槽旋转产生扰动，以及由于表面张力使液膜变薄等原因，传热系数增大。增大的程度随内螺纹肋形的不同而有所不同，山型齿内螺纹管的内表面传热系数是光管的１．５倍左右；梯型是光管的２倍左右；小顶角型是光管的２．５倍左右；细高齿型是光管的３倍左右。 ２．２使用椭圆管 目前，由于工艺水平的限制，换热器的铜管都采用圆管，但椭圆翅片管比圆管翅片管性能更加优越正在受到重视。虽然目前家用空调器换热器使用椭圆管仍停留在实验室研究阶段，但根据研究结果可以预见椭圆管换热器一定会有广阔的发展前景。文献［１］的研究结果表明对于给定的换热器，椭圆管换热器比圆管换热器需要较小的换热面积和较小的风机能耗；在相同的迎面风速下，椭圆翅片管比圆翅片管的 空气侧换热系数大３～７倍；另外，换热系数相同时，椭圆翅片管的压降也小于圆管换热器。 盘管设计的优化 在采用了高效换热元件后，盘管设计的优化也是提高换热器换热效率的重要步骤。盘管的优化设计包括回路设计，不对称盘管设计等多种方法。 １合理的回路设计 冷凝器和蒸发器回路设计是个需要综合考虑换热性能和阻力性能的问题。制冷剂在管中的流动速度越大，制冷剂管内的换热系数也就越大，因此很多房间空调器的两器均是采用单回路设计。但是这样的设计沿程损失大，制冷剂的压力下降较大，随着换热器长度的增加，这个问题会更加严重，并且单回路设计中，由于换热温差越来越小，回路后部的换热能力已经变得非常糟糕。因此，回路设计必须对回路的阻力进行精确的计算（冷凝器的压力以饱和温度下降１℃为上限，蒸发器以饱和温度下降 ２℃为上限），若阻力损失过大，应采用多个回路，并增大空气和冷媒之间的换热温差。 ３．２不对称盘管设计 对于多排管换热器来讲，每排的换热量是不同的。对于双排冷凝器，当两排的铜管和翅片完全相同时，迎风侧的换热量约占总换热量的７０％，背风侧换热量只占３０％左右，背风侧的换热能力没有得到充分的发挥，因此国内外有些空调产品采用不对称结构设计的方法，通过稍微降低盘管迎风侧的换热能力而增强背风侧换热能力，从而增强整个盘管的换热能力。不对称结构设计包括前后排翅片类型不同，翅片间距不同，铜管直径不同以及铜管类型不同以及上述方法的相互搭配等。 文献［２］指出在相同的风量下，迎风侧使用光管、背风侧使用内螺纹管的换热器的换热量均大于相同片距下全内螺纹管的换热器的换热量。文献［３］对迎风侧使用平片而背风侧使用冲缝片的换热器进行了试验研究。迎风侧使用平片，使空气温度升高，但小于使用冲缝片时的温度升高幅度，即在迎风侧的换热量小于全冲缝片迎风侧的换热量；但空气在背风侧的换热温差大于全冲缝片换热器背风侧的换热温差，所以提高了背风侧换热量在总换热量中所占的比例，总体的效果是迎风侧平片的换热效果优于全冲缝片的换热效果。 如图２所示，文献［４］提出迎风侧采用小管径，背风侧采用大管径的换热器设计 思路。并通过计算机仿真模拟，得到相同的翅片间距或者相同的风速下，新设计换热器的总换热量比传统换热器增强１０％以上。 综上所述，为了增强背风侧盘管的换热能力，可采用盘管的不对称结构设计：迎风侧翅片采用大间距的平片，背风侧采用小间距的冲缝片；迎风侧使用光管，背风侧使用内螺纹管；迎风侧使用小管径铜管，背风侧使用大管径铜管。通过组合搭配试验，以得最佳的换热效果。 ４ 小结 换热器的优化设计是系统优化的一个重要组成部分，并且换热器优化设计也一直是空调行业的热点。因此，本文从空气侧的换热强化，制冷剂侧的强化传热，盘管的设计优化等几个方面对换热器的优化进行了初步的讨论。 参考文献 １.屠珊 椭圆翅片管空冷器流动传热特性的研究［Ｊ］热能动力工程 ２０００年第５期Ｐ４５５－４５８ ２.周彬 房间空调器高效节能技术分析［Ｊ］ 电机电器技术 ２００３年第４期ｐ２３－２５ ３.张智 空调器用风冷冷凝器换热能力实验研究［Ｊ］暖通空调２００４年第３期ｐ４２－４５ ４.张智 不同管径组合的冷凝器换热数值研究［Ｊ］ 热科学与技术 ２００２年第２期ｐ１０４－１０８ ５.周启瑾 提高舒适性的节能型房间空调器的开发［Ｊ］ 制冷 ２００３年第２期ｐ５８－６０ ６.徐红鸯 空调换热器亲水铝箔亲水性的测试及控制［Ｊ］ 制冷 ２００３年第２期ｐ４－７（编辑／李鹏） |
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