扁平銅管翅片管冷凝器性能實(shí)驗(yàn)

扁平銅管翅片管冷凝器性能實(shí)驗(yàn)
                                      梁祥飛  邢淑敏  莊嶸  鄭波
           (珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院，廣東珠海519070)
    摘要：對(duì)一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器（FTHX）進(jìn)行了單體冷凝性能和整機(jī)制冷性能試驗(yàn)，并與現(xiàn)行銅圓管翅片管換熱器（CTHX）在相同工況下進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明：FTHX具有風(fēng)阻低、制冷劑流阻高和系統(tǒng)制冷劑充注量少的特性；FTHX綜合冷凝性能高于φ7銅管換熱器但略低于φ9.52銅管換熱器；FTHX整機(jī)制冷能力和能效比均略低于單排φ9.52銅管換熱器。
    關(guān)鍵詞：翅片管換熱器  扁平管  百葉窗翅片
    0·前言 
    空調(diào)原材料上漲和能效比的提高加速了高效換熱器的研發(fā)和應(yīng)用。翅片管換熱器管徑小型化是高效換熱器發(fā)展趨勢(shì)之一，管徑減小可以同時(shí)降低風(fēng)阻和制冷劑充注量，具有類似效果的另外一種可能的發(fā)展趨勢(shì)是圓管橢圓化或扁平化。ARTI的一篇研究報(bào)告[1]指出，當(dāng)φ9.52×0.3銅管壓扁后的高度為2.57mm時(shí)，光滑扁管冷凝傳熱強(qiáng)化因子可達(dá)1.7～2.3，內(nèi)螺紋扁管冷凝傳熱強(qiáng)化因子則高達(dá)3.5～4.5。扁平管橫截面示意圖見(jiàn)圖1，扁平管是指橫截面外型線為兩條平直線與兩條近似半圓組合而成，橢圓管則指橫截面外型線為橢圓。圖2示出扁平管與圓管流通面積之比（亦是內(nèi)容積之比）的理論計(jì)算值與扁管高度的變化趨勢(shì)，可見(jiàn)圓管扁平化后的內(nèi)容積與圓管內(nèi)容之比將隨著扁管高度的降低而迅速減小。當(dāng)扁管高度為2mm時(shí)，扁平管的內(nèi)容積分別為φ9.52×0.3和φ7×0.3的28.9%和39%。 
                  
             
    扁平管翅片管換熱器的風(fēng)阻也將由于扁管的形體阻力大幅降低而降低，且管后的低速尾流區(qū)大幅縮小、翅片效率有所提高都有利于提高空氣側(cè)傳熱系數(shù)。為了綜合評(píng)估這種新型換熱器在家用空調(diào)器中的應(yīng)用可行性，有必要對(duì)該種換熱器的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比分析。
    本文對(duì)一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行單體換熱器冷凝性能試驗(yàn)，并將其折彎后進(jìn)行整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn)，同時(shí)與φ9.52和φ7內(nèi)螺紋銅管百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行了單體和整機(jī)性能對(duì)比。
    1·試驗(yàn)樣件及試驗(yàn)方案
    1.1試驗(yàn)樣件
    本文所采用的扁平銅管翅片管換熱器基本參數(shù)列于表1中，同時(shí)列入表1中的還有兩種對(duì)比用內(nèi)螺紋銅管翅片管換熱器。扁平銅管換熱器FTHX為φ7光銅管（壁厚0.3mm）經(jīng)特殊工藝壓扁并按傳統(tǒng)脹管工藝制作，翅片孔和脹頭的形狀均與扁管相適應(yīng)。圖3為該換熱器的局部照片，圖4為其流路布局示意圖。三種翅片管換熱器的迎風(fēng)尺寸長(zhǎng)度相同，高度相近（為保證裝機(jī)）。試驗(yàn)用FTHX有30根直管但實(shí)際僅用29根管，后文對(duì)比分析時(shí)將就此作特別說(shuō)明。
            
    1.2試驗(yàn)方案
    先采用直板形式的換熱器進(jìn)行單體冷凝性能對(duì)比試驗(yàn)，然后折彎后裝機(jī)進(jìn)行整機(jī)制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn)。
    為保證換熱器單體冷凝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度、迎面風(fēng)速、制冷劑入口壓力、制冷劑入口過(guò)熱度、制冷劑出口過(guò)冷度均受控。制冷劑為R-22。風(fēng)阻對(duì)比試驗(yàn)時(shí)采用通風(fēng)工況（無(wú)熱交換），此時(shí)僅控制進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度和迎面風(fēng)速。整機(jī)制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)機(jī)不變，僅更換室外機(jī)冷凝器，調(diào)節(jié)制冷劑充注量和電子膨脹閥開(kāi)度使整機(jī)制冷量和制冷能效比匹配到接近或達(dá)到最優(yōu)水平。
    單體換熱器冷凝換熱性能試驗(yàn)和整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn)都在格力兩器暨空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。
    2·試驗(yàn)結(jié)果及分析
    2.1單體換熱器冷凝性能試驗(yàn)結(jié)果
    空氣側(cè)試驗(yàn)工況為：進(jìn)風(fēng)干濕球溫度35/24℃，迎面風(fēng)速（折算進(jìn)風(fēng)風(fēng)量與迎風(fēng)面積之比）范圍為0.5～2.8m/s；制冷劑側(cè)試驗(yàn)工況為：制冷劑R22，入口壓力（絕對(duì)）1.729～2.033MPa，入口過(guò)熱度20℃，出口過(guò)冷度2～8℃。
    扁平銅管換熱器FTHX的風(fēng)阻試驗(yàn)曲線示于圖5中，作為對(duì)比，同時(shí)示于此圖中的還有φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52的風(fēng)阻試曲線?？梢?jiàn)，相同風(fēng)速下FTHX的風(fēng)阻最低，迎面風(fēng)速2m/s時(shí)，風(fēng)阻為14.3Pa，分別比CTHX-7和CTHX-9.52低29%和46%。
    從表1可見(jiàn)，F(xiàn)THX的片距和CTHX-7的相近，空氣流向長(zhǎng)度大70%，孔距也有所減小，但風(fēng)阻卻顯著下降，其主要原因在于圓管壓扁后的形體阻力大幅下降。
            
    將三種換熱器的單體冷凝能力在對(duì)比工況下進(jìn)行處理后所得到的單位迎風(fēng)面積相對(duì)冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R與迎面風(fēng)速vy的變化曲線示于圖6中，其中扁平銅管換熱器FTHX的冷凝能力已經(jīng)按1.0345（=30/29）修正因子給予修正。
              
    由圖6可見(jiàn)，在相同迎面風(fēng)速下，扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風(fēng)面積冷凝能力在實(shí)用風(fēng)速范圍內(nèi)與φ7換熱器CTHX-7的相當(dāng)或略低，但明顯低于φ9.52換熱器CTHX-9.52，低約10%?？紤]到相同風(fēng)速下的風(fēng)阻不同，為了綜合評(píng)價(jià)，采用冷凝能力-風(fēng)機(jī)理論功耗曲線進(jìn)行對(duì)比，處理所得到的單位迎風(fēng)面積相對(duì)冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R隨單位迎風(fēng)面積理論功耗（表示單位迎風(fēng)面積總壓功耗）Δpa,t×va（Δpa,t為風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)壓與靜壓之和，va取出口風(fēng)速）的變化曲線示于圖7中。
              
    從圖7中可見(jiàn)，當(dāng)單位迎風(fēng)面積理論功耗相同時(shí)，扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風(fēng)面積冷凝能力明顯高于φ7換熱器CTHX-7，而略低于φ9.52換熱器CTHX-9.52。
    圖8為不同工況下三種規(guī)格換熱器管內(nèi)制冷劑側(cè)流阻試驗(yàn)值隨制冷劑相對(duì)流量變化曲線，由此圖可見(jiàn)，扁平銅管換熱器FTHX管內(nèi)流阻遠(yuǎn)高于φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52。扁平管流通面積相對(duì)圓管大幅減小使得管內(nèi)質(zhì)量流速增加，而扁管內(nèi)壁面速度梯度也被相對(duì)提升，這兩方面均造成扁平管內(nèi)流動(dòng)阻力大幅上升。另外，試驗(yàn)所用扁平管換熱器流路布局方式適合冷凝（圓管翅片管換熱器的流路布局為熱泵型空調(diào)器用的折衷布局方式），多流路數(shù)的流程短而少流路數(shù)的流程長(zhǎng)，這也使得扁平管換熱器的管內(nèi)流阻相對(duì)較大。
             
    扁平管換熱器的管內(nèi)制冷劑高流阻的特點(diǎn)將使得該種換熱器的應(yīng)用范圍局限于冷凝器，且只能用于單冷機(jī)型的冷凝器。
    值得說(shuō)明的是，扁平銅管換熱器制造工藝尚不成熟，扁平銅管換熱器在性能上還存在一些提升空間。
    2.2整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn)結(jié)果
    采用格力某款家用分體壁掛空調(diào)器（熱泵型，壓縮機(jī)排量19.3cc/rev）進(jìn)行制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2中。從表2中可見(jiàn)，扁平銅管換熱器FTHX的整機(jī)制冷能力和能效比高于φ7內(nèi)螺紋管換熱器CTHX-7但低于φ9.52內(nèi)螺紋管換熱器CTHX-9.52，制冷劑充注量分別減少150g（18.7%）和250g（27.8%）。
             
    考慮到試驗(yàn)所用扁平銅管換熱器實(shí)際僅用了30根管中的29根，因此若將此根管合理用上則整機(jī)制冷能力和能效比將更接近或達(dá)到φ9.52內(nèi)螺紋管換熱器的水平。因此，整機(jī)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)論與單體換熱器冷凝對(duì)比試驗(yàn)結(jié)論是完全吻合的。
    整機(jī)轉(zhuǎn)額定制熱試驗(yàn)時(shí)扁平銅管換熱器迅速出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，扁平銅管換熱器管內(nèi)制冷劑流阻很高是導(dǎo)致額定制熱時(shí)冷凝器結(jié)霜的原因。
    3·結(jié)論
    本文對(duì)新型扁平銅管百葉窗翅片管冷凝器進(jìn)行了單體換熱和整機(jī)試驗(yàn)，并在相同試驗(yàn)條件下與現(xiàn)行內(nèi)螺紋銅管換熱器進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：
    1）扁平銅管換熱器具有風(fēng)阻低、制冷劑流阻高和系統(tǒng)制冷劑充注量少的特性，風(fēng)速2m/s時(shí)其風(fēng)阻分別比φ7銅管換熱器和φ9.52銅管換熱器低約29%和46%；
    2）扁平銅管換熱器的單體綜合冷凝性能明顯高于φ7銅管換熱器而略低于φ9.52銅管換熱器，扁平銅管換熱器的整機(jī)能力和能效比均略低于φ9.52銅管換熱器，制冷劑充注量相對(duì)減少27.8%；
    3）扁平銅管換熱器僅能用于單冷機(jī)冷凝器。本文試驗(yàn)所采用的是光滑扁平銅管，若采用內(nèi)螺紋扁平銅管或橢圓管將使管內(nèi)傳熱系數(shù)進(jìn)一步得到顯著提高，且使用橢圓管將有助于降低管內(nèi)流阻從而有望用于熱泵型空調(diào)器的冷凝器。
參考文獻(xiàn)
[1]Wilson J W,Chato J C,Newell T A.CDA FlattenedCopper Tube Project 
Final Report.ARTI Final Report.CDA-Report2,2001.