家用空調冷凝器的節能分析

天津商業大學 寧靜紅 劉圣春 彭苗 李慧宇

家用空調冷凝器的結構形式是空氣冷卻（風冷式）套片管式換熱器，與其他結構形式的冷凝器相比，其最大缺點是傳熱系數低，以致造成冷凝壓力高，制冷系數低，能耗大，材料消耗量多。冷凝器是空調器的重要換熱設備之一，其換熱特性對家用空調器的性能有重大影響，本文對提高冷凝器換熱效果的方法進行詳細地分析，為開發節能環保的家用空調冷凝器提供一定的依據。

1 管內制冷劑側

1.1 流速和流向的影響

制冷劑蒸氣在冷凝器換熱管表面的凝結，一般都是膜狀凝結。膜狀凝結形成的液膜在重力的作用下向下流動并逐漸增厚，液膜成了冷凝器中制冷劑一側的主要熱阻，而液膜的增厚將使制冷劑側的熱阻增大，傳熱系數降低。因此，理想的情況是液膜不至于增厚并能迅速從傳熱表面上脫離。當制冷劑蒸氣與冷凝液膜朝同一方向運動時，冷凝液體與傳熱表面的分離較快，傳熱系數增高。而當制冷劑蒸氣作反液膜流向運動時，則傳熱系數可能降低，也可能增大，此時將決定于制冷劑蒸氣的流速。若蒸氣的流速較小時，則液膜流動減慢，液膜變厚，傳熱系數降低；若制冷劑蒸氣流速相當大時，則液膜會被制冷劑蒸氣帶著向上移動以至吹散而與傳熱表面脫離，在這種情況下，傳熱系數將增大。制冷劑蒸氣的流速大小，在壓縮機排氣量一定的條件下取決于冷凝器換熱管的直徑和制冷劑的種類。一般情況下，各種冷凝器傳熱管的直徑已有規定，因而制冷劑蒸氣的流速可按制冷劑種類的不同來選擇。如以氟里昂為工質的冷凝器，其蒸氣流速一般在9～11m/s之間。

1.2 不凝性氣體的影響

空調制冷系統中，會有一些空氣以及制冷劑和潤滑油在高溫下分解出來的不凝性氣體存在，這些氣體隨制冷劑蒸氣進入冷凝器，在靠近制冷劑凝結液膜表面的蒸氣側，隨著蒸氣的不斷凝結，不凝性氣體將附著在凝結液膜上而使其分壓力顯著增加，制冷劑蒸氣的分壓力下降，使得蒸氣在抵達液膜表面進行凝結前，必須以擴散的方式穿過聚積在界面附近的不凝性氣體層。因此，不凝性氣體層的存在增加了熱量傳遞過程的阻力，使凝結傳熱系數顯著降低。同時制冷劑蒸氣分壓力的下降，使相應的飽和溫度下降，減小了蒸氣凝結的驅動力，也使凝結過程削弱。不凝性氣體的存在使壓縮機的排氣壓力和溫度升高，增加壓縮機的功率消耗。為防止冷凝器中過多積聚不凝性氣體，惡化傳熱過程，必須采取措施，既要防止空氣滲入制冷系統內，又要及時地將系統中的不凝性氣體利用專門設備排出。

1.3 潤滑油的影響

制冷劑蒸氣中含潤滑油對凝結傳熱系數的影響，與油在制冷劑中的溶解度有關。家用空調器使用的制冷劑一般為氟里昂，而氟、油很容易溶解，所以當含油濃度在一定范圍內（小于6%～7%）時，可不考慮含油對傳熱的影響，超過此限時，會使傳熱系數降低。

Xiang[1]實驗測試R410A中混入潤滑油對其冷凝傳熱系數的影響，得出潤滑油惡化R410A的凝結換熱，當混入1%的潤滑油時，影響不明顯，但當潤滑油的比例達到3%～5%時，凝結換熱受到嚴重影響，當潤滑油的比例大于5%，對4.18mm和1.6mm的光滑換熱管，其凝結換熱系數最大降低24.9%和28.5%。

1.4 制冷工質的影響

冷凝器的性能除受到上述因素的影響之外，還與制冷工質有關。同一臺冷凝器，所使用制冷工質不同，其傳熱性能也不一樣。如使用R134a制冷劑的冷凝器將比使用R22的熱負荷減少5%。

2 管外空氣側

2.1 空氣流速

空氣流速越高表面傳熱系數越大，冷凝器的傳熱系數越大，冷凝器的尺寸越小，金屬消耗量越少。較高的空氣流速還可降低污垢的沉積，減少污垢對傳熱的影響。但流速過大，會使空氣流動阻力增加，增加風機的功率消耗，加大風機的初投資與運行費用。過高的流速也會加劇對傳熱管的侵蝕。因此，空氣流速的選擇應綜合考慮經濟效果。如迎面風速一般在2～5m/s之間，傳熱系數隨迎面風速在5.7～23W/m2·K之間。在通流面積和風機轉速一定的條件下，風速的大小與風機電機的頻率有關；頻率越高，風速越大，則傳熱系數越大。如當風機電機的頻率由50Hz改為60Hz時，冷凝器的傳熱系數值可升高約8.7%。

2.2 運行工況

1）污垢

冷凝器運行一段時間后，會在傳熱管內、外兩側表面上形成污垢，即制冷劑側的油垢和空氣側的微生物及塵垢。污垢層的厚度隨著冷凝器運行時間的延長而增加。油垢、塵垢的出現增加冷凝器的傳熱熱阻，影響冷凝器的傳熱性能。

油垢在傳熱管表面上的形成取決于潤滑油在制冷劑中的溶解度；溶解度越差，潤滑油越容易在傳熱管表面上形成油膜，則油垢系數越大。對氟里昂制冷系統，由于氟里昂與潤滑油很容易溶解，可不考慮制冷劑側的油垢系數。

圖1 干凈和帶微生物污垢的換熱器表面對比

對家用空調冷凝器，空氣中的含塵量越多、風速越低、冷凝器運行時間越長，塵埃在換熱管翅片及翅間管面上形成的塵埃垢層越厚。如圖1所示，Hui Pu[2、3]研究得出在Re＜400的情況下，微生物污垢對換熱器空氣側換熱有一定的增強作用，但隨著污垢面積的增大，換熱污垢因子先增大后減小，隨著Re的增大，污垢對換熱的增強作用逐漸減弱，當Re＞1200后，污垢對換熱只起到衰減的作用，因此，應盡量減少微生物污垢的存在。微生物污垢對壓降的影響明顯大于對換熱的影響，微生物污垢面積越大，壓降越大，在Re相同時，空氣側壓降隨著微生物污垢面積的增加逐漸增大，但在相同的污垢面積比下，隨著Re的增大，壓降污垢因子逐漸減小，并且污垢面積比越大，減小的趨勢越明顯.

2）蒸發溫度和冷凝溫度的影響

在家用空調制冷系統中，蒸發溫度和冷凝溫度的變化都會對冷凝器的熱負荷產生影響。隨著蒸發溫度的降低，或冷凝溫度的升高，冷凝器和冷凝機組的熱負荷均會減少。

3）環境溫度的影響

家用空調冷凝器一般都裝在室外,環境溫度的變化影響到冷凝器的熱負荷。環境溫度過高,冷凝溫度增大，使冷凝器的熱負荷減少。但較低的冷凝壓力使通過膨脹閥的制冷劑流量減少，造成蒸發器制冷劑不足；引起熱力膨脹閥交替開啟和關閉，間接地影響冷凝器的工作。

胡兵[4]通過實驗研究，得出翅片不僅能增加傳熱面積，而且能促進流體的湍流流動，增大傳熱量。但實際使用中換熱器工作和停機導致壓力交變、溫度交變引起材料接觸面變松，間隙加大，增加接觸熱阻；銅管-鋁翅片換熱器接觸面在弱酸性條件下發生電化學腐蝕。相同尺寸銅翅片換熱器的換熱能力比鋁翅片換熱器的能力大3%～10%；溫度交變后銅翅片換熱能力比鋁翅片大8.7%～12.1%；溫度交變前，在風量較小時，銅翅片管換熱器比鋁翅片管換熱器空氣側壓降大，隨著風量增加，兩者的空氣側壓降差別減小；溫度交變后，鋁翅片管換熱器和銅翅片管換熱器空氣側壓降幾乎一致，只是在較大風量時略有差別。銅管銅翅片換熱器在不同測試風量下的換熱能力比銅管鋁翅片換熱器換熱能力大；熱交替實驗會導致換熱器性能顯著的下降，與溫度交變前相比，銅翅片換熱器系數下降8.1%～25.2%，鋁翅片換熱器換熱系數下降10.6%～40.7%，全銅換熱器具有更好的長效特性。

4）空氣進口溫度

家用空調器的室外機組即壓縮冷凝機組在炎熱的夏季常常不可避免地在陽光下暴曬,特別是酷暑的中午時段,由于進入冷凝器的空氣溫度過高,引起冷凝溫度與冷凝壓力升高,導致空調器的制冷效果降低,嚴重時,還會引起冷凝壓力過高而保護停機、壓縮機過熱停機以至壓縮機燒毀等故障。呂金虎[5]利用等焓加濕法研究得到冷凝器進口空氣溫度對冷凝器的換熱性能具有較大的影響,尤其是在夏季強輻射高溫環境下,冷凝器的換熱性能差,影響到系統的正常工作。利用等焓加濕降低冷凝器進口空氣溫度可提高翅片管式冷凝器的冷卻效果。

3 加工過程

翅片與換熱管是翅片管冷凝換熱器中最重要的部件，如圖2所示[6]，是通過脹管的方式形成一個整體，兩者的接觸面積直接影響到冷凝器的換熱效果。Ding[6]通過實驗觀測得到圖3所示的(a)4.8%、(b)6.2%和(c)7.6%不同膨脹比下的換熱管與翅片脹管后的表面接觸情況，得出管-翅間的接觸表面并不是完全接觸，而是有間隙存在，使得傳熱系數減小，這與脹管頭的幾何形狀有關，當膨脹比為4%～6%的相對較好，傳熱系數可以達到12000W/m2K。

圖2 脹管過程

圖3 不同膨脹比的表面接觸觀測

4 結構形狀

4.1 管路排列

Cheng[7]通過實驗觀測在空氣流速0.5m/s、平翅片間距10mm時直線排列和交錯排列的換熱管外空氣的溫度變化和傳熱情況（如圖4所示），得到交錯排列換熱管較直線排列換熱管結構的平均傳熱系數提高8%～13%。

圖4 不同管路排列的空氣側溫度分布

譚月普[8]研究得出，通過調整管間距使管間流通截面積達到相等，從而使得氣流流過管間截面時流速近似相等，避免流體周期性的加速和減速脈動，流動阻力明顯降低。同時，速度矢量與溫度梯度夾角減小，即速度場與溫度場更加協同；雖使換熱受到一定程度的減弱，但能量損失減少的幅度更大，因而換熱器的整體效能便得到了提高。

劉建[9]通過引入圖論和流量自適應調整方法，得出對于單支路換熱器，在合理布置下，混流形式的換熱性能可比逆流形式提高2%～4%，應盡量避免進、出口布置太近，造成冷(熱)量損失。在壓力損失允許的情況下，采用單支路換熱器結構設計可以獲得較高的換熱能力。對多支路換熱器，應盡量使各支路制冷劑換熱均勻，避免換熱器內部制冷劑流量分配不均，造成換熱量損失。

4.2 翅片形狀

如圖5和圖6所示，Mao[10]通過實驗觀測平翅片、波紋翅片和組合翅片空氣流動情況，得出在空氣流速1～3 m/s，Re為600～2000情況下，波紋翅片相對于平翅片在壓力降、傳熱系數、摩擦系數和流動系數方面分別增加10.9%～31.9%,11.8%～24.0%,2.2%～27.5% 和0.5%～2.7%，而組合翅片相對于平翅片在壓力降、傳熱系數、摩擦系數和流動系數方面分別增加33.5%～63.1%,27.0%～45.5%,6.9%～71.1%和9.4%～13.2%.

圖5 平翅片、波紋翅片和組合翅片的形狀

圖6 翅片間空氣流動狀況

圖7 波紋開縫翅片的示意圖

圖8 翅片管換熱器的幾何尺寸

李軍[11]研究得出，在Re低于2752的情況下，平板開縫翅片比波紋開縫翅片換熱要好；在Re高于2752的情況下，波紋開縫翅片比平板開縫翅片換熱要好；壓力損失系數隨Re的增加而減小，在相同的Re情況下波紋開縫較平板開縫翅片的阻力損失要小；在Re小于2752時，可以選用平板開縫翅片，而在Re大于2752時，由于在換熱與阻力損失兩方面，波紋開縫翅片都比平板開縫翅片好，故可選用圖7中所示的波紋開縫翅片。

4.3 傳熱管表面形狀

為強化制冷劑的管內凝結，近年來也廣泛采用微翅片管；在其它條件相同的情形下，其凝結表面傳熱系數是光管的3倍左右。同時，保持冷凝傳熱管表面上的光滑和清潔，也有利于提高凝結傳熱系數。

5 材料

譚月普[12]研究得出銅翅套片式換熱器與鋁翅套片式換熱器相比，整體換熱性能提高20%～27%，優勢明顯。換熱性能差異的主要原因是鋁材比銅材軟，鋁翅與銅管脹接后的接觸沒有黃銅翅與銅管脹接后緊密，因此接觸熱阻大，換熱性能弱。套片式換熱器翅片材料的不同對空氣流動阻力基本沒有影響。Lin[13]實驗研究塑料翅片換熱器的傳熱性能，得出導熱系數達15W/m K的塑料翅片換熱器，在相同幾何尺寸以及相同的工況下，可以達到鈦換熱器傳熱性能的95%以上，達到鋁或銅的換熱器傳熱性能的84%。

6 結論

通過對近幾年學者對風冷套片管式換熱器的相關研究分析，得出如下家用空調冷凝器強化傳熱的方法：

1）選擇合適的制冷劑蒸氣流速，加強密封以防止不凝性氣體的漏入，嚴格控制制冷劑中潤滑油的含量；

2）選擇導熱性能良好的片材和管材、選擇合適的空氣流速、適宜的運行工況以及翅片表面和管內表面的形狀，保持冷凝換熱器外表面的清潔，合理地布置管路；

3）空氣入口淋水加濕以降低空氣入口的溫度；

4）選用合適的制冷工質，可采用與常規制冷工質R22性能相近的自然工質R290，以保護環境，節約能源。

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