家用空調機組蒸發器優化設計

黃曉清，吳俊鴻，楊杰，劉亞微，梁青

(珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070)

0 引言

目前，變頻空調中高能效空調的競爭格局發生變化，進口品牌在一二級能效變頻空調領域的傳統優勢在逐步減弱，中國品牌如格力、海爾等企業已經開始在這一領域實現了趕超。

同時，隨著變頻機新能效標準APF[1]的施行，預計2013 年9 月份會發布，我國變頻空調生產企業將通過在原有生產機型配置基礎上通過提高產品的系統配置，增加空調機組的成本，全面升級能效，從而達到新能效標準要求。

本文通過技術提升、優化設計兩器的換熱特性和合理布置換熱器的迎風面等方面，從實驗和理論兩個方面出發，在不增加空調機組系統配置成本的前提下，有效地提升了空調機組的能效，最好的發揮出空調機組的換熱特性，為空調行業的節能減排指出了思路和方向。

1 換熱器充分發揮作用的判斷依據

換熱器充分發揮作用的判斷依據包括：

1)制冷模式下換熱器每盤管分路均能同時過熱；

2)制熱模式下換熱器每盤管分路均能同時過冷；

3)無論是制冷模式，還是制熱模式，每盤管分路出口溫度的溫差均能控制在3℃以內。

2 提高空調換熱器換熱效率的方法

2.1 合理利用制冷工質兩相流的換熱特點

制冷循環下，進入空調機組室內機蒸發器的制冷劑處于低溫低壓的汽液混合態，由于制冷劑的體積變小，流速變慢，如果使汽液混合態制冷劑此時分多路進入蒸發器換熱器內，將會降低制冷劑的流速，即將會降低制冷劑的換熱效果，所以當制冷劑處于低溫低壓的汽液混合態時應該在同一循環管路中多走幾根U 型管路，讓制冷劑流速變快，汽液混合態的制冷劑漸漸轉變為氣態制冷劑比例大于液態制冷劑；而且在蒸發器的吸熱蒸發過程中，氣態制冷劑逐漸變多，體積變大，流速也變快，制冷劑流動的阻力較大，因此需要散熱的面積也應該較大，所以當遇到流速快、阻力較大的氣態制冷劑時，應該設計制冷劑流入的端口越多越有利于降低制冷劑流速、降低制冷劑的流動阻力；制冷劑在制熱循環中，制冷劑的流向與制冷時制冷劑的流向正好相反[2]。

同時，考慮到制冷劑的干度對制冷劑換熱系數的影響(見圖1)，制冷劑在蒸發吸熱過程中逐漸轉變為氣態的過程中，隨著制冷劑的干度的增加，制冷劑的換熱系數也是同步增加，但是制冷劑干度越接近于1時，制冷劑的換熱系數是下降的。所以在設計家用空調機組室內機流程時，應充分利用此特點，確保換熱器每盤管分路最好在之后一個U型管同時過熱。

圖1 R410a 制冷劑干度與換熱系數關系圖

2.2 改善分流器結構設計

在空調器的產品開發和生產制造中，經常會因為分流器結構設計的不合理，產生以下兩個質量問題：一個是由于蒸發器各路分液不均引起的冷量偏低和冷量波動，另一個是蒸發器低風檔的液流聲。本文中筆者只是闡述通過合理的設計分流器結構，使得換熱器中各盤管支路分流均勻，并讓制冷劑工質在汽相中進行流動中達到彌散霧狀流，彌散霧狀流是提高分流性能追求的最佳流型。

2.2.1 分流器應當豎直擺放

由圖2 可見：分液器垂直安裝時，由于沒有重力的影響，液膜均勻分布，所以各分流孔流出流量相等、干度相同的制冷劑；當分流器傾斜時，在重力的作用下，位置靠下的一側液膜加厚，而靠上的一側液膜變薄。流型的改變進而影響了最后的流量分配，位置靠下的分流孔流出的流量增加。

圖2 分流器不同擺放流體示意圖

2.2.2 分流器射流環直徑的設計

根據Weisman流型圖（如圖3所示）可知，只需滿足Gl≥10E+07，則在分流器中的流體就可以達到分流性能最佳的彌散霧狀流。G1根據式(1)算出。

式中：

G1——液相質量流率；

M——制冷系統制冷劑質量流量；

A——管道流體橫截面積；

X——制冷劑的干度；

d——管道的內徑直徑。

圖3 Weisman 流型圖

由上面的Weisman流型圖，可計算出普通5200 W的空調(4孔分流器使用較多的機型)，要在分流器混合室獲得霧狀流需滿足混合室(見圖4)的內徑小于4 mm～5 mm[3]。

圖4 分流器混合室示意圖

2.3 根據迎風面和背風面合理布置流程

筆者在進行某一款壁掛內機流程設計時，發現如果各盤管分支路的迎風面U 型管數不同時，換熱差異很大，從而導致能效和能力降低；具體的溫度參數見表2。

表1 方案1 和方案2 各系統參數

表2 方案1 和方案2 各點溫度數據(單位：℃)

圖5 方案1迎風與背風U管數相同

圖6 方案2迎風與背風U管數不同

由上面的數據可以看出，因方案1(圖5)中兩個分路的迎風面和背風面的U 管數量一樣，所以均能保持在最后一個U 形管過熱；但是方案2(圖6)在迎風面多走一個U 型管之后，影響整個蒸發器換熱效果，分路一出現嚴重的過熱，導致后面的三個U 型管都沒有發揮用處，而分路二因為背風面U 形管多，而得不到過熱，工質得不到充分的換熱。

所以在進行流程設計時，必須遵循以下原則：制冷劑和外界空氣應進行逆流換熱，不同流路的管程應當相同，而且應當均勻地流過迎風側和背風側使得換熱均勻[4]。

2.4 根據氣流組織的變化分布合理布置流程

通過CFD 軟件模擬仿真某一款壁掛機的的氣流組織的變化分布，見圖7，由下圖的流場中可以看出，蒸發器正面的氣流速度較其他位置快，說明此處換熱好，所以此處可以作為蒸發器汽液兩相混合態的入口處，同時因其換熱好，布置此分路的流程U 形管數可以少一些，避免因U 形管過熱導致換熱不良而浪費U 形管。

圖7 壁掛機內氣流組織變化分布

3 總結

在目前國家和社會日益提倡節能、環保舒適的時代，筆者從自身的工作出發，提出了4 種可以在不增加生產制造成本的情況提高空調機組室內機蒸發器的換熱效率，為設計開發節能型空調機組提供新的思路：

1)合理利用制冷工質兩相流的換熱特點；

2)改善分流器結構設計，提高能效；

3)根據迎風面和背風面合理布置流程；

4)根據氣流組織的變化分布合理布置流程。

[1]GB 21455-2013,轉速可控型房間空氣調節器能效限定值及能效等級[S].

[2]張智,金培耕,涂旺榮等.制冷劑流路對冷凝器換熱特性的影響[J].暖通空調,2002,32(5):61-63.

[3]高原,田懷璋,袁秀玲等.分液器在制冷系統中的應用[J].制冷與空調,2001,1(5):30-32,35.

[4]劉金平,袁玉玲.管排數對翅片管蒸發器換熱性能影響的仿真計算[J].低溫與超導,2010,38(11):63-69.