采用微通道冷凝器的商用空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

葛方根，汪峰，鐘建法，熊中華，施駿業(yè)，徐博，高天元，陳江平

（1-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江杭州 310051；2-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

采用微通道冷凝器的商用空調(diào)系統(tǒng)性能的實(shí)驗(yàn)研究

葛方根1，汪峰1，鐘建法1，熊中華1，施駿業(yè)*2，徐博2，高天元2，陳江平2

（1-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江杭州 310051；2-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

本研究針對(duì)商用空調(diào)系統(tǒng)中采用平行流微通道冷凝器替代傳統(tǒng)管片式冷凝器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)樣件中的兩種冷凝器迎風(fēng)面積相等，微通道冷凝器芯體厚度比管片式冷凝器減少73%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在3種標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，采用微通道冷凝器替代管片式冷凝器其空調(diào)系統(tǒng)制冷量相差不大，系統(tǒng)COP平均提高了2.45%，系統(tǒng)充注量由5 kg降為2.5 kg，材料成本減少38.5%。因此微通道冷凝器替代銅管鋁翅片式冷凝器用于商用空調(diào)系統(tǒng)具有良好的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

微通道；冷凝器；商用空調(diào)；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

全鋁平行流冷凝器具有重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，替代銅材料（國家戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源）而具成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，其內(nèi)部容積小的特點(diǎn)有利于大大減少制冷劑充注量，符合國家節(jié)能及環(huán)保相關(guān)政策法規(guī)。由于同樣體積的鋁價(jià)只是銅價(jià)的1/12左右，在銅價(jià)居高不降的情況下，全鋁冷凝器受到了空調(diào)業(yè)界的廣泛關(guān)注。歐美、日韓等國的主要家用/商用空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)均在全力進(jìn)行以鋁制平行流微通道冷凝器替代銅管鋁片式冷凝器的研究工作。

在家用/商用空調(diào)行業(yè)中，目前研究表明平行流冷凝器在節(jié)能及環(huán)保方面都具有優(yōu)勢(shì)。李越峰等[1]將平行流冷凝器應(yīng)用在分體掛壁式冷暖空調(diào)室外機(jī)上，并和原來管片式冷凝器系統(tǒng)在方案、成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析以及制冷性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明平行流冷凝器可以提高系統(tǒng)性能、降低成本，并可減少制冷劑充注量。周子成[2]在中央空調(diào)單元式機(jī)組中采用平行流冷凝器替代銅管鋁翅片風(fēng)冷冷凝器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在換熱量相接近的情況下，冷凝器迎風(fēng)面積由 1.22 m2減小到0.352 m2，材料質(zhì)量由銅材10 kg和鋁材3.5 kg減小到銅材0 kg，鋁材2.7 kg。HRNJAK P和LITCH A D[3]對(duì)在氨系統(tǒng)中使用平行流冷凝器作為冷凝器及冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明氨系統(tǒng)每kW制冷量對(duì)應(yīng)的充注量可降低20 g，這主要得益于平行流微通道技術(shù)的貢獻(xiàn)，同時(shí)未來具有一定可燃性，但ODP和GWP值較低的天然工質(zhì)可能會(huì)被采用，所以充注量的減少具有積極意義。

本研究將在商用冷水機(jī)組中，采用批量生產(chǎn)的商用微通道冷凝器替換原有的管片式冷凝器作為冷凝器，冷凝器尺寸較大，長(zhǎng)度達(dá)到 1.8 m，寬度達(dá)到1 m，與家用空調(diào)和單元機(jī)等有明顯區(qū)別，其中微通道冷凝器的迎風(fēng)面積，安裝方式等與管片式冷凝器基本一致，可以方便地?fù)Q裝。研究者對(duì)替換前后的兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比其系統(tǒng)制冷量、COP、系統(tǒng)充注量及冷凝器出風(fēng)溫度分布等性能指標(biāo)，對(duì)微通道冷凝器的特點(diǎn)及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試工況

圖1為商用冷水機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，被測(cè)商用冷水機(jī)組通常放置于室外側(cè)，因此采用制冷空調(diào)綜合性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的室外測(cè)試間構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架根據(jù)ANSI/ASHARAE標(biāo)準(zhǔn)搭建，環(huán)境溫度控制精度為±0.2℃，相對(duì)濕度控制精度為±2%，恒溫水溫度控制精度為±0.1℃，水質(zhì)量流量計(jì)控制精度為±1%。熱電偶測(cè)量精度為±0.1℃，壓力傳感器測(cè)量精度為±10 kPa。商用冷水機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)工作介質(zhì)為制冷劑、空氣和水，測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)機(jī)組、空氣處理機(jī)組、恒溫水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。被測(cè)機(jī)組放置在如圖 1所示的室外測(cè)試間內(nèi)，空氣處理機(jī)組按照測(cè)試工況要求控制環(huán)境溫濕度，恒溫水系統(tǒng)同樣按照測(cè)試工況為被測(cè)機(jī)組提供流量穩(wěn)定的恒溫水，測(cè)試工況下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行 45分鐘后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

商用冷水機(jī)組實(shí)驗(yàn)采用R22作為工質(zhì)，測(cè)試工況根據(jù)GB/T 18430.1-2007[4-5]確定，如表1所示。

圖1 商用冷水機(jī)組測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

表1 商用冷水機(jī)組測(cè)試工況

2 試驗(yàn)樣件

如圖2所示為試驗(yàn)測(cè)試所采用的管片式冷凝器樣件與微通道冷凝器樣件，兩者都為設(shè)計(jì)定型后的批量產(chǎn)品。兩個(gè)試驗(yàn)樣件具有相同的安裝尺寸，迎風(fēng)面積基本一致，冷凝器結(jié)構(gòu)見圖 3。管片式冷凝器結(jié)構(gòu)為：芯體尺寸1845 mm×1008 mm×60 mm，3排20根進(jìn)液管。微通道冷凝器為平行流結(jié)構(gòu)，芯體尺寸1845 mm×1007 mm×16 mm，共兩個(gè)流程：第一流程35根扁管，第二流程14根扁管。管片式冷凝器與微通道冷凝器詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表 2，兩個(gè)換熱器的主要區(qū)別為：微通道冷凝器厚度為16 mm，與管片式冷凝器60 mm的厚度相比，厚度降低73%；微通道冷凝器內(nèi)容積為1.76 m3，與管片式冷凝器的9.15 m3相比，內(nèi)容積降低81%；微通道冷凝器總換熱面積為55.27 m2，與管片式冷凝器的224.78 m2相比，降低了75%；同時(shí)在翅片結(jié)構(gòu)上，兩個(gè)換熱器存在較大差異，微通道冷凝器采用百葉窗翅片，翅片間距為2.2 mm；而管片式冷凝器翅片為不開窗的波紋型翅片，翅片間距為1.75 mm。

圖2 管片式冷凝器及微通道冷凝器試驗(yàn)樣件

圖3 管片式冷凝器與微通道冷凝器結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果及分析

首先，系統(tǒng)制冷劑充注量的確定在名義制冷工況下進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)為冷凝器出口過冷度10℃，試驗(yàn)過程中測(cè)量制冷劑充注量的電子秤量程為 30 kg，測(cè)量精度±0.1 g。裝有管片式冷凝器的商用冷水機(jī)組在表1所示的制冷工況下進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，隨后，在相同的商用冷水機(jī)組上，采用微通道冷凝器替換原有的管片式冷凝器，在相同的工況下再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

對(duì)3種標(biāo)準(zhǔn)工況下對(duì)采用管片式冷凝器和微通道冷凝器的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

1) 如圖4所示，采用微通道冷凝器的系統(tǒng)與管片式冷凝器的系統(tǒng)制冷量相差不大，系統(tǒng)的 COP平均提高了2.45%；以名義制冷工況為例，采用微通道冷凝器高壓側(cè)壓力與管片冷凝器系統(tǒng)降低了0.1 MPa，低壓側(cè)壓力差別不大，壓縮機(jī)功率由減少了2.8%，制冷量相差不大，從而系統(tǒng)的COP得到了提高，見表3。

圖4 在3種標(biāo)準(zhǔn)工況下采用管片式冷凝器和微通道冷凝器制冷量和COP對(duì)比

表3 在名義制冷工況下管片式冷凝器與微通道冷凝器性能對(duì)比

2) 與管片式冷凝器相比較，微通道冷凝器出風(fēng)溫度均勻性差（見圖5），微通道冷凝器出風(fēng)溫度最大溫差達(dá)到24.9℃，管片式冷凝器出風(fēng)溫度最大溫差為 5.7℃；溫度分布不均主要是由于制冷劑分配不均勻造成的，管片式冷凝器采用分配器，制冷劑分配均勻性比微通道冷凝器好。

圖5 名義制冷工況下管片式冷凝器與平行流微通道冷凝器出風(fēng)溫度對(duì)比

3) 制冷劑R22充注量由5 kg降為2.5 kg，降低了50%，由于系統(tǒng)內(nèi)部體積主要集中在換熱器當(dāng)中，所以系統(tǒng)充注量主要取決于換熱器的的大小；采用的微通道冷凝器內(nèi)容積為1.76 m3與管片式冷凝器9.15 m3相比降低了81%，所以可以大大減少整個(gè)系統(tǒng)的充注量，節(jié)約成本。

4) 成本方面：微通道冷凝器主要是由微通道鋁扁管、開窗翅片、集流管采用整體釬焊的方式連接。微通道扁管作為制冷劑流動(dòng)的通道，提高了制冷劑側(cè)的換熱面積和換熱系數(shù)，采用開窗的鋁翅片，加強(qiáng)了空氣側(cè)的擾動(dòng)，提高了空氣側(cè)的換熱系數(shù)。因此在相同換熱量的情況下，采用的微通道冷凝器可以比銅片式冷凝器尺寸規(guī)格更小，從而達(dá)到降成本的目的。微通道冷凝器主要材料為鋁，重量為16.2 kg，管片式冷凝器重量為 33.6 kg，其中銅17.5 kg，鋁12.2 kg，微通道冷凝器價(jià)格為1600元/臺(tái)，而管片式冷凝器價(jià)格為2600元/臺(tái)。微通道冷凝器價(jià)格比管片式少38.5%，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論及展望

本文對(duì)平行流微通道冷凝器替代銅管鋁片式冷凝器用于商用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)采用兩種冷凝器迎風(fēng)面積為1.86 m2，微通道冷凝器，芯體厚度為16 mm，與管片式冷凝器60 mm相比厚度減少了73%，微通道采用百葉窗翅片，管片式冷凝器采用不開窗的波紋翅片。在3種標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，采用微通道冷凝器的系統(tǒng)與管片式冷凝器系統(tǒng)制冷量相差不大，COP平均提高了2.45%；出風(fēng)溫度均勻性比管片式冷凝器略差，系統(tǒng)充注量由5 kg降為2.5 kg；成本方面，微通道換熱器相對(duì)于管片式換熱器可節(jié)省成本38.5%。平行流微通道冷凝器替代銅管鋁翅片式冷凝器用于商用空調(diào)系統(tǒng)，具有良好的研究?jī)r(jià)值及廣泛的應(yīng)用前景。

[1]李越峰, 陳俊智, 王晰. 平行流換熱器在家用空調(diào)的應(yīng)用和分析[J]. 家電科技, 2009(1): 1-3.

[2]周子成. 微通道換熱器及其應(yīng)用實(shí)例[J]. 家電科技. 2009(1): 271-274.

[3]HRNJAK P, LITCH A D. Microchannel heat exchangers for charge minimization in air-cooled ammonia condensers and chillers[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(4): 658-668.

[4]GB/T 18430.1-2007. 蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第 1部分：工業(yè)或商業(yè)用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組[S].

[5]GB/T 18430.2-2007. 蒸汽壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組第2部分：戶用及類似用途的冷水（熱泵）機(jī)組[S].

Experimental Research on the Performance of the Commercial Air Conditioning System with Microchannel Condenser

GE Fang-gen1, WANG Feng1, ZHONG Jian-fa1, XIONG Zhong-hua1, SHI Jun-ye*2, XU Bo2, GAO Tian-yuan, CHEN Jiang-ping2
(1-Zhejiang Dunan Artificial Environmental Co. Ltd. Hangzhou, Zhejiang 310051, China; 2-Institute of Refrigeration and Crygenics, School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The replacement of finned tube condensers by micro-channel parallel condensers in commercial air conditioning systems was studied experimentally in this paper. Two kind of condensers with the same face area were tested under three test conditions. The thickness of micro-channel condenser was 73% lower than that of finned tube condenser. The results showed that the system with a micro-channel parallel condenser had the same capacity of the system with a finned tube condenser, and the COP increased 2.45%, the charge of refrigerant decreased from 5 kg to 2.5 kg. The cost was 38.5% lower. The replacement of finned tube heat condensers by micro-channel parallel condensers in commercial air-conditioning systems deserves more researchment and has widespread application prospect.

Microchannel; Condenser; Commercial air conditioning system; Experiment research

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.104

*施駿業(yè)(1980-)，男，博士后。研究方向：車用空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院制冷及低溫工程研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206087。E-mail：jyshi@sjtu.edu.cn。