平行流換熱器在空調(diào)機(jī)上的應(yīng)用研究

林創(chuàng)輝

(廣東申菱空調(diào)設(shè)備有限公司,佛山,528313)

1 前 言

換熱器是空調(diào)機(jī)中的重要組成部分,位列空調(diào)器四大件,傳統(tǒng)風(fēng)冷式換熱器多為銅管套鋁翅片形式,近些年,由于國(guó)家對(duì)商用空調(diào)能效要求日益提高,對(duì)高效換熱的研究逐漸成為學(xué)術(shù)研究以及行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn),隨著制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了新形式高效緊湊型的換熱器,如平行流換熱器、板片式換熱器等。

全鋁平行流換熱器[1]最早應(yīng)用于汽車(chē)[2],由于換熱器高效、緊湊,其體積小,重量輕,受到汽車(chē)換熱器行業(yè)的歡迎,目前國(guó)內(nèi)平行流換熱器已經(jīng)大批量在汽車(chē)空調(diào)中使用,技術(shù)已經(jīng)非常成熟。但全鋁平行流換熱器應(yīng)用于商用空調(diào)仍處于起步階段,對(duì)商用空調(diào)應(yīng)用和替代研究文章也較少。本文通過(guò)對(duì)平行流冷凝器在商用空調(diào)中的應(yīng)用做了理論可行性論證,并研究按現(xiàn)有空調(diào)換熱器尺寸設(shè)計(jì)的平行流樣件在風(fēng)冷商用空調(diào)系統(tǒng)的匹配試驗(yàn),從取得的性能和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析,為今后平行流換熱器在風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)上的應(yīng)用提供參考。

2 從結(jié)構(gòu)與外觀分析全鋁平行流換熱器的性能與優(yōu)點(diǎn)

從結(jié)構(gòu)圖1可以看出,傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器是采用銅管套鋁翅片,脹管加工而成的,而全鋁平行流換熱器由集流管、數(shù)支平行排列的多微孔扁管、鋁翅片整體焊接而成。由于其結(jié)構(gòu)的不同,其結(jié)構(gòu)決定了其換熱性能更佳、更緊湊,與普通銅管套翅片式換熱器相比,全鋁平行流換熱器有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)全鋁平行流換熱器耐久性能更優(yōu)

由于傳統(tǒng)翅片式換熱器是采用銅管套鋁翅片,脹管加工而成的,它使管子脹大約0.2～0.4mm,管子和肋片之間的接觸面上就有一定的接觸壓力,保證管子與肋片之間接觸緊密。

但值得注意的是,由于管壁厚度與肋片厚度相差許多倍,所以,在換熱器工作過(guò)程中受到熱脹冷縮的影響,管子和肋片的線膨脹率不盡相同,兩者之間容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工作之后,肋片上的基孔在這種情況下被逐漸擴(kuò)大,管與片之間由脹管所造成的塑性彎形內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨之下降,接觸應(yīng)力相應(yīng)減低,從而引起接觸熱阻增大,換熱效率降低。

而全鋁平行流換熱器的翅片與換熱管是整體焊接結(jié)構(gòu),則可以避免由于翅片與管子之間因熱脹冷縮而造成的管子與翅片接觸熱阻上升的問(wèn)題,可以保證持續(xù)高效的換熱效果。

(2)全鋁平行流換熱器換熱性能更好

圖3是全鋁平行流換熱器結(jié)構(gòu)與制冷劑流程圖,其流程與傳統(tǒng)翅片式換熱器有一定的不同,從圖中可以看出,換熱扁管中有多個(gè)微小制冷劑通道,分成6股較小的制冷劑流體,從而提高了制冷劑與換熱管的接觸面積,提高制冷劑的換熱效果。

圖3 全鋁平行流換熱器結(jié)構(gòu)圖與制冷劑流程

同時(shí)在空調(diào)方面,當(dāng)流道尺寸小于3mm時(shí),氣液兩相流動(dòng)與相變傳熱規(guī)律不同于常規(guī)較大尺寸,通道越小,這種尺寸效應(yīng)越明顯。當(dāng)管內(nèi)徑小到0.5～1mm時(shí),對(duì)流換熱系數(shù)可增大50%～100%。將這種強(qiáng)化傳熱技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)換熱器,適當(dāng)改變換熱器結(jié)構(gòu)、工藝及空氣側(cè)的強(qiáng)化傳熱措施,預(yù)計(jì)可有效增強(qiáng)空調(diào)換熱器的傳熱、提高節(jié)能水平。與最高效的常規(guī)換熱器相比,空調(diào)器的微通道換熱效率可提高20%～30%[3]。

(3)全鋁平行流換熱器重量更輕

全鋁平行流換熱器采用鋁材制作,重量非常輕,這對(duì)于部分重量要求較高的機(jī)組,如吊裝或安裝于屋頂?shù)臋C(jī)組,如果使用該換熱器,則可以大大減少機(jī)組的重量,從而解決超負(fù)荷問(wèn)題,同時(shí)對(duì)普通機(jī)組,也可以達(dá)到減輕機(jī)組重量,使機(jī)組的搬運(yùn)與運(yùn)輸更加容易的目的。

(4)全鋁平行流換熱器阻力更低

全鋁平行流換熱器由于換熱管為扁管,與傳統(tǒng)圓型換熱管相當(dāng),其空氣阻力更低。

(5)全鋁平行流換熱器與傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器成本相當(dāng)

全鋁平行流換熱器由于采用全鋁制作,材料成本低于銅管套翅片式換熱器,但由于加工成本相應(yīng)有所提升,總體上成本與傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器相當(dāng),如果銅價(jià)高的時(shí)候還可能低于傳統(tǒng)銅管套翅式換熱器。

(6)全鋁平行流換熱器回收更方便

全鋁平行流換熱器采用鋁材制作,其廢材回收更方便,屬純鋁材回收,而銅管套翅片式換熱器,由于存在銅和鋁兩種金屬,廢材回收相當(dāng)麻煩。

從以上分析可知全鋁平行換熱器的壽命、換熱性能、重量、阻力、廢材回收等方面優(yōu)于傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試方法

為了檢測(cè)全鋁平行流換熱器和銅管套翅片式換熱器在實(shí)際應(yīng)用中的效果,測(cè)試機(jī)組工況環(huán)境通過(guò)焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái) (配有工況機(jī)、電加熱器和加濕器)來(lái)模擬,根據(jù)GB/T 17758-2010標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試。

在所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置中,制冷量是通過(guò)測(cè)定空調(diào)機(jī)進(jìn)、出口的空氣干、濕球溫度和空氣流量確定,然后將三者的測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算得到的 (進(jìn)出風(fēng) 焓差乘空氣流量)。

圖4 空氣式焓差測(cè)試裝置

如圖4所示,在室內(nèi)側(cè)試驗(yàn)房間系統(tǒng)中空氣側(cè)進(jìn)出口都設(shè)置有干濕球溫度傳感器,配置空氣流量測(cè)量裝置,在室外側(cè)試驗(yàn)房間的冷凝器進(jìn)風(fēng)處,設(shè)置干濕球溫度傳感器,這些測(cè)點(diǎn)的布置為分析系統(tǒng)的熱力性能提供具體的實(shí)測(cè)值。通過(guò)室外側(cè)的后臺(tái)空調(diào)機(jī)組和電加熱器調(diào)節(jié)帶走測(cè)試機(jī)組的負(fù)荷。

本實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)制冷量14kW的風(fēng)冷單元式空調(diào)機(jī),分別采用全鋁平行流換熱器和傳統(tǒng)銅管套鋁翅片換熱器作為冷凝器,在實(shí)驗(yàn)室于同樣的工況下(風(fēng)冷單元空調(diào)機(jī)國(guó)標(biāo)名義制冷工況下)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,對(duì)比兩個(gè)制冷系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

由于兩種換熱器不同,管路及制冷系統(tǒng)換熱器容積有所不同,在測(cè)試過(guò)程需調(diào)節(jié)機(jī)組在不同形式制冷系統(tǒng)下的制冷劑充注量,將機(jī)組制冷系統(tǒng)調(diào)試至最佳,測(cè)試機(jī)組的在各工況下,不同制冷劑配置下的性能,分析風(fēng)冷單元機(jī)制冷系統(tǒng)中兩種不同的冷凝器的性能及測(cè)試情況,得出測(cè)試結(jié)論。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在風(fēng)冷單元式空調(diào)機(jī)的名義制冷工況下,對(duì)兩種不同的換熱器的制冷系統(tǒng)做對(duì)比測(cè)試,可得到表1中的數(shù)據(jù):

表1 名義工況下全鋁平行流換熱器與傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器實(shí)際測(cè)試結(jié)果參數(shù)表

根據(jù)表1參數(shù),如果按傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器的參數(shù)設(shè)計(jì)為100%,則全鋁平行流換熱器的相對(duì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 名義工況下全鋁平行流換熱器與傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)表1和表2中的測(cè)試及分析數(shù)據(jù),分析如下:

4.1 制冷量

與傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器相比,采用全鋁平行流換熱器后,機(jī)組的制冷量由14.08kW提高至14.406kW,提高幅度為2.3%。平行流換熱器整體的換熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)銅管套鋁翅片換熱器。

4.2 EER

與傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器相比,采用全鋁平行流換熱器后,機(jī)組的EER由2.763kW/kW提高至2.856kW/kW,提高幅度為3.4%,由原來(lái)的國(guó)家四級(jí)能效提升至國(guó)家三級(jí)能效。這說(shuō)明平行流換熱器系統(tǒng)的效率確實(shí)是比傳統(tǒng)的銅管套鋁翅片換熱器系統(tǒng)要高。

4.3 制冷劑充注量

與傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器相比,采用全鋁平行流換熱器后,機(jī)組的制冷劑充注量可以有所減少,大約可以減少25%,這是因?yàn)槿X平行流換熱器由于通道非常小,內(nèi)部容積比較小,冷凝器內(nèi)部所需存儲(chǔ)的制冷劑很少,而傳統(tǒng)普通銅管套翅片換熱器,由于銅管內(nèi)徑較大,造成冷凝器內(nèi)部的容積較大,因此在制冷量變化不大情況下,使用全鋁平行流換熱器后,可減少充注量。

綜合各項(xiàng)性能參數(shù),在傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器的風(fēng)冷式空調(diào)機(jī)上,采用全鋁平行流換熱器,制冷量和EER均有一定的改善,機(jī)組的能效由原來(lái)的國(guó)家四級(jí)能效提升至國(guó)家三級(jí)能效,且制冷劑充注量方面比傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器減少25%,其使用性能可達(dá)到要求。

5 結(jié)論

綜上所述,從結(jié)構(gòu)理論分析與實(shí)際測(cè)試結(jié)論分析,全鋁平行流換熱器性能優(yōu)于傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器,主要表現(xiàn)在:全鋁平行換熱器的使用壽命、換熱性能、重量、阻力、廢材回收等方面優(yōu)于傳統(tǒng)銅管套翅片式換熱器。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試表明,在傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器的風(fēng)冷空調(diào)機(jī)上,采用全鋁平行流換熱器,制冷量和EER均有一定的改善,機(jī)組的能效由原來(lái)的國(guó)家四級(jí)能效提升至國(guó)家三級(jí)能效,且制冷劑充注量方面比傳統(tǒng)銅管套翅片換熱器減少25%,其使用性能可達(dá)到要求。

[2]王宜義,王君.汽車(chē)空調(diào)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1995

[3]http://www.bylm.net/forum/read-htm-tid-146128.html(2009-08-1)

[4]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1993