淺談高效率房間空調(diào)器的換熱器設(shè)計

摘要：為了提高房間空調(diào)器的效率，應(yīng)該對其換熱器進行優(yōu)化設(shè)計。通過提高翅片的換熱系數(shù)，增大翅片的換熱面積，采用高親水處理的翅片，提高管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)，采用橢圓管換熱器，以及盤管回路的優(yōu)化設(shè)計，不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法，均可以提高換熱器的換熱能力。
　　關(guān)鍵詞：房間空調(diào)器　　換熱器　　優(yōu)化設(shè)計
　?。啊∫?BR>　　提高房間空調(diào)器效率的方法有很多，如高效變頻壓縮機的采用，冷凝器和蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計，先進節(jié)流元件的采用，控制系統(tǒng)的優(yōu)化等等。隨然變頻壓縮機和電子膨脹閥的使用將大大提高系統(tǒng)的能效比，但冷凝器和蒸發(fā)器換熱效率的高低也直接決定了整個系統(tǒng)的能效水平。本文將針對房間空調(diào)器“兩器”的優(yōu)化設(shè)計進行初步的討論。這些優(yōu)化措施包括空氣側(cè)的換熱強化，制冷劑側(cè)的強化傳熱，盤管的設(shè)計優(yōu)化等多個方面。
　　１　空氣側(cè)的換熱強化
　　空氣側(cè)的對流換熱系數(shù)比制冷劑側(cè)蒸發(fā)、冷凝的換熱系數(shù)要小得多，這樣在
熱量交換過程中，空氣側(cè)會形成瓶頸，因此翅片換熱能力的強化一直是研究的熱
點。增強空氣側(cè)換熱能力包括三個方面：強化翅片的換熱效率；對翅片進行高親
水性處理；增大換熱器的面積。
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　　由于空氣存在粘性，在換熱表面流動的空氣會在翅片表面形成一層邊界層，造成較大的熱阻，因此通過改變翅片的結(jié)構(gòu)，可以減薄或者破壞邊界層的形成。早期在房間空調(diào)器的換熱器上使用的是平翅片，銅管的直徑為９．５２ｍｍ，之后發(fā)展成了波紋片，波紋片的傳熱量為平片的１．２倍。
    上世紀(jì)８０年代左右又發(fā)展成沖縫片，傳熱量提高到平片的２倍。后來隨著銅管細化為７ｍｍ管，沖縫片的換熱能力提高到平片的２．５～３倍。目前大多空調(diào)企業(yè)均采用沖縫片作為兩器的翅片，以提高換熱器的換熱效率。
    選擇沖縫片時，應(yīng)該注意合適的翻邊高度，翻邊過高，造成翅片過疏，換熱面積太少，影響換熱性能；翻邊過低，造成翅片過密，風(fēng)阻過大，風(fēng)量減小，同樣影響換熱效果。
    另外，由于沖縫片的強度較差，在冷凝器 ９０度折彎過程中容易將圓弧段的翅片弄成倒片，倒片使得空氣阻力增加，影響了換熱。因此，提高翅片的強度和改善加工工藝也能有效地提高換熱效率。
    １．２對翅片進行高親水性處理空調(diào)器在運行時會產(chǎn)生凝結(jié)水，當(dāng)凝結(jié)水珠的高度超過翅片間距的一半時，兩冷卻片之間的水珠就會連接起來，形成牢固的水橋，造成冷卻片間距堵塞，使空氣流動的阻力大大增加，從而減少了空氣流量，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱量降低和效率下降。室外機在冬季運行時因為同樣的原因而結(jié)霜，大大降低了系統(tǒng)的效率。因此，對兩器的鋁箔應(yīng)該進行親水處理，即在鋁箔表面涂上一層親水膜，它具有很強的水潤濕性，冷凝水極易沿鋁箔表面鋪開，不形成水橋，而是以薄的水膜形態(tài)流下去。評價鋁箔親水性的優(yōu)劣主要根據(jù)其持續(xù)親水角。持續(xù)親水角的大小關(guān)系到親水性的好壞，持續(xù)親水角每減少１０°，空調(diào)制冷量可提高 ２％～６％。根據(jù)測試，當(dāng)持續(xù)親水角θ≤ ２０°時，鋁箔的親水性良好；當(dāng)２０°＜θ≤３０°時，鋁箔親水性一般；當(dāng)３０°＜θ≤５０°時，鋁箔親水性較差；當(dāng)θ＞５０°時，鋁箔的親水涂層已基本不起作用。
    １．３增大換熱面積
    增大換熱器面積的方法之一就是對冷凝器和蒸發(fā)器多次折彎，如圖１所示。室內(nèi)機盤管的折彎形式不斷改進，三折換熱器的面積比單板式換熱器的面積大５０％以上。室外機也可以采用多折方法來增大換熱面積，由于室外機空間相對較大，加上高效沖縫翅片的利用，一般情況下采用一個９０度的折彎形式就能滿足要求；若需繼續(xù)增大換熱面積，也可采用２個９０度折彎形式。
    除通過上述方法增加換熱面積外，減小翅片間距也能增大盤管的換熱面積。盤管長度相同時，翅片間距越小，翅片數(shù)就越多，因此換熱面積也就越大。當(dāng)然，翅片間距也不能太小，否則會加大阻力，引起風(fēng)量的減小，并且冬季運行時，翅片間距越小越容易結(jié)霜，而且結(jié)霜后供熱量的衰減也越快。對于采用高親水性沖縫片的室外機，翅片密度在每英寸 １４～１６片為宜；對于采用同樣翅片的室內(nèi)機，翅片密度在每英寸１１～１３片為宜。
                        
    ２　制冷劑側(cè)的強化傳熱
    制冷劑側(cè)的強化傳熱也是換熱器優(yōu)化的一個重要方面，采用內(nèi)螺紋銅管和使用橢圓管是制冷劑側(cè)強化傳熱的主要手段。
    ２．１使用內(nèi)螺紋管
   與普通光管相比，內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面積增大，同時制冷劑流動時沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擾動，以及由于表面張力使液膜變薄等原因，傳熱系數(shù)增大。增大的程度隨內(nèi)螺紋肋形的不同而有所不同，山型齒內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是光管的１．５倍左右；梯型是光管的２倍左右；小頂角型是光管的２．５倍左右；細高齒型是光管的３倍左右。
   ２．２使用橢圓管
   目前，由于工藝水平的限制，換熱器的銅管都采用圓管，但橢圓翅片管比圓管翅片管性能更加優(yōu)越正在受到重視。雖然目前家用空調(diào)器換熱器使用橢圓管仍停留在實驗室研究階段，但根據(jù)研究結(jié)果可以預(yù)見橢圓管換熱器一定會有廣闊的發(fā)展前景。文獻［１］的研究結(jié)果表明對于給定的換熱器，橢圓管換熱器比圓管換熱器需要較小的換熱面積和較小的風(fēng)機能耗；在相同的迎面風(fēng)速下，橢圓翅片管比圓翅片管的   空氣側(cè)換熱系數(shù)大３～７倍；另外，換熱系數(shù)相同時，橢圓翅片管的壓降也小于圓管換熱器。
   盤管設(shè)計的優(yōu)化
   在采用了高效換熱元件后，盤管設(shè)計的優(yōu)化也是提高換熱器換熱效率的重要步驟。盤管的優(yōu)化設(shè)計包括回路設(shè)計，不對稱盤管設(shè)計等多種方法。
   １合理的回路設(shè)計
   冷凝器和蒸發(fā)器回路設(shè)計是個需要綜合考慮換熱性能和阻力性能的問題。制冷劑在管中的流動速度越大，制冷劑管內(nèi)的換熱系數(shù)也就越大，因此很多房間空調(diào)器的兩器均是采用單回路設(shè)計。但是這樣的設(shè)計沿程損失大，制冷劑的壓力下降較大，隨著換熱器長度的增加，這個問題會更加嚴(yán)重，并且單回路設(shè)計中，由于換熱溫差越來越小，回路后部的換熱能力已經(jīng)變得非常糟糕。因此，回路設(shè)計必須對回路的阻力進行精確的計算（冷凝器的壓力以飽和溫度下降１℃為上限，蒸發(fā)器以飽和溫度下降 ２℃為上限），若阻力損失過大，應(yīng)采用多個回路，并增大空氣和冷媒之間的換熱溫差。
    ３．２不對稱盤管設(shè)計
    對于多排管換熱器來講，每排的換熱量是不同的。對于雙排冷凝器，當(dāng)兩排的銅管和翅片完全相同時，迎風(fēng)側(cè)的換熱量約占總換熱量的７０％，背風(fēng)側(cè)換熱量只占３０％左右，背風(fēng)側(cè)的換熱能力沒有得到充分的發(fā)揮，因此國內(nèi)外有些空調(diào)產(chǎn)品采用不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，通過稍微降低盤管迎風(fēng)側(cè)的換熱能力而增強背風(fēng)側(cè)換熱能力，從而增強整個盤管的換熱能力。不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計包括前后排翅片類型不同，翅片間距不同，銅管直徑不同以及銅管類型不同以及上述方法的相互搭配等。
    文獻［２］指出在相同的風(fēng)量下，迎風(fēng)側(cè)使用光管、背風(fēng)側(cè)使用內(nèi)螺紋管的換熱器的換熱量均大于相同片距下全內(nèi)螺紋管的換熱器的換熱量。文獻［３］對迎風(fēng)側(cè)使用平片而背風(fēng)側(cè)使用沖縫片的換熱器進行了試驗研究。迎風(fēng)側(cè)使用平片，使空氣溫度升高，但小于使用沖縫片時的溫度升高幅度，即在迎風(fēng)側(cè)的換熱量小于全沖縫片迎風(fēng)側(cè)的換熱量；但空氣在背風(fēng)側(cè)的換熱溫差大于全沖縫片換熱器背風(fēng)側(cè)的換熱溫差，所以提高了背風(fēng)側(cè)換熱量在總換熱量中所占的比例，總體的效果是迎風(fēng)側(cè)平片的換熱效果優(yōu)于全沖縫片的換熱效果。
    如圖２所示，文獻［４］提出迎風(fēng)側(cè)采用小管徑，背風(fēng)側(cè)采用大管徑的換熱器設(shè)計 思路。并通過計算機仿真模擬，得到相同的翅片間距或者相同的風(fēng)速下，新設(shè)計換熱器的總換熱量比傳統(tǒng)換熱器增強１０％以上。
                          
    綜上所述，為了增強背風(fēng)側(cè)盤管的換熱能力，可采用盤管的不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計：迎風(fēng)側(cè)翅片采用大間距的平片，背風(fēng)側(cè)采用小間距的沖縫片；迎風(fēng)側(cè)使用光管，背風(fēng)側(cè)使用內(nèi)螺紋管；迎風(fēng)側(cè)使用小管徑銅管，背風(fēng)側(cè)使用大管徑銅管。通過組合搭配試驗，以得最佳的換熱效果。
   ４　小結(jié)
   換熱器的優(yōu)化設(shè)計是系統(tǒng)優(yōu)化的一個重要組成部分，并且換熱器優(yōu)化設(shè)計也一直是空調(diào)行業(yè)的熱點。因此，本文從空氣側(cè)的換熱強化，制冷劑側(cè)的強化傳熱，盤管的設(shè)計優(yōu)化等幾個方面對換熱器的優(yōu)化進行了初步的討論。