家用空調室外機波紋型翅片管換熱器空氣側傳熱與壓降性能研究

施駿業，陳曉寧，陸冰清，蔡博偉，徐博，陳江平

（上海交通大學機械與動力工程學院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

家用空調室外機波紋型翅片管換熱器空氣側傳熱與壓降性能研究

施駿業，陳曉寧，陸冰清，蔡博偉，徐博，陳江平*

（上海交通大學機械與動力工程學院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

全鋁微通道換熱器，尤其是百葉窗翅片換熱器，已成為家用空調提高效率降低成本的關注熱點。但微通道換熱器通常采用的百葉窗翅片表面結構復雜，易于被顆粒物污染。本文采用表面流體遲滯區較少的波紋型翅片替代百葉窗翅片，對7種波紋型翅片微通道換熱器樣件進行了性能測試，得到了空氣側傳熱和壓降特性。利用非線性回歸和F顯著性檢驗方法進行擬合，得到的波紋翅片換熱和壓降關聯式可以準確預測90%以上的數據，其預測誤差在15%以內。

家用空調；室外換熱器；波紋型翅片；壓降性能

0 引言

目前汽車行業廣泛使用的全鋁平行流換熱器由于具備體積小，重量輕，換熱效率高，成本低廉，制冷劑充注量小等優勢，被眾多家用/商用空調企業所關注[1-2]。國內外對扁管百葉窗翅片傳熱性能[3-10]方面已經進行過廣泛深入的研究，甚至在北美、歐洲地區已經開始大批量使用。然而，我國大氣顆粒物污染嚴重，特別是華北、華東、華中地區。大氣顆粒物污染不僅對人體健康產生影響，對所有暴露在其中的設備均有一定影響，其中，家用/商用空調系統室外換熱器受顆粒物污染影響尤其嚴重[10-11]。家用/商用空調行業中，換熱器迎面風速較低（1.5 m/s），并且換熱器不易清洗，大氣顆粒物附著在換熱器表面后，空氣側換熱表面（百葉窗翅片）的強化換熱效果消失，換熱效率下降，空氣流動阻力上升，系統能耗不斷上升，隨著使用時間的增長，換熱器性能不斷衰減。因此，大氣顆粒物污染強化換熱表面，導致性能急速衰減成為了中國特色問題，也成為了全鋁平行流換熱器這一節能減排產品在我國批量應用的主要障礙。

本文采用波紋型翅片替代百葉窗翅片，避免顆粒物污染引發的性能大幅衰減問題。本文首先采用波紋型翅片試制7種適用于家用空調使用的換熱器樣件，其次采用換熱器空氣側特性試驗臺架，對7個樣件進行性能測試，通過實驗數據分析得到波紋型翅片的換熱Nu數和摩擦因子驗關聯式，最后與前人的關聯式[10-13]進行比較，驗證關聯式精度，為波紋型翅片在家用空調室外機中的應用打好理論基礎。

1 試驗樣件

波紋型翅片主要應用在農用機械，工程車輛發動機散熱系統，這些應用中工作環境比較惡劣，經常彌漫大量顆粒物污染，與目前家用空調系統面臨的挑戰類似。家用空調系統室外機使用的百葉窗翅片（圖1(a)）由于存在細小縫隙，易被顆粒物污染后堵塞導致性能大幅衰減，采用如圖1(b)所示的波紋型翅片則可避免該問題。

圖1 百葉窗翅片與波紋型翅片對比

在農用機械及工程機械應用中波紋型翅片主要用作水箱翅片，翅片寬度可達100 mm左右，而在家用空調的應用中，波紋型翅片用作室外側換熱器翅片，通常翅片寬度為(20～55) mm，這種情況下，入口效應更為明顯，換熱與壓降特性也與前者有較大差別。因此，本文將對家用空調用波紋型翅片的空氣側換熱和壓降特性進行實驗研究。

采用波紋型翅片，配合相應寬度的扁管與集流管，總共試制了7個全鋁平行流換熱器樣件，所有樣件統一做成250 mm×300 mm的換熱器芯體，芯體厚度與翅片寬度一致，表1列出了被測樣件的特征尺寸。

表1 被測樣件翅片參數

2 試驗裝置

實驗設備為風洞實驗臺[10]，由空氣和熱水作為工質。主要部件包括換熱器測試段、水循環、空氣循環、測量設備和數據采集系統。風洞采用吸風設計，保證風量的均勻性，由一臺15 kW的離心風機帶動，風速可通過變頻器調節。

圖2 換熱器空氣側特性風洞實驗臺

通過被測換熱器的進出口風溫由兩組T型熱電偶整列采集，進口熱電偶陣列由8個熱電偶組成，出口由16個熱電偶組成。由于風溫具有不均勻性，因此，采用熱電偶測試值的算術平均溫差作為實際計算換熱量的溫度值。熱電偶精度達到0.1 ℃，測量位置根據ASHRAE標準確定。通過換熱器和噴嘴的壓差被壓差傳感器分別記錄下來，換熱器前后的壓差傳感器精度為0.4%，噴嘴前后為0.25%。風量測試根據ISO5167標準[14]規定的噴嘴壓差測試方法確定。水循環由水槽、100 kW電加熱器、離心水泵、流量計和控制單元組成。水箱中熱水溫度由鉑電阻Pt-100 Ω測量，由溫度控制器控制，精度為0.1 ℃。進出換熱器的水溫同樣采用鉑電阻Pt-100 Ω測量，精度為0.1 ℃。實驗在(1～14) m/s風速下進行，進水溫度控制在80 ℃，流量選擇基于水側熱阻小于總熱阻的20%和進出口水溫差大于2 ℃的標準選擇。

3 結果及分析

3.1 試驗數據處理方法

為了計算換熱系數，換熱量可由下式得到：

采用效率單元數法（ε-NTU）得到空氣側換熱器系數，公式如下：

因此我們可以得到換熱器總的換熱系數：

假設水側的污垢熱阻為零，空氣側換熱系數可有下面的式子計算得到：

其中式子右側第二項為水側熱阻，第三項為管壁導熱熱阻。

對于水側換熱系數，可由GNIELINSKI[13]提出的扁管內的湍流經驗關聯式得到：

波紋翅片的空氣側效率和翅片效率可由下式獲得：

通過以上方程，波紋翅片的換熱系數h可以迭代計算得到。進而，可以計算Nusselt數：

其中，水利直徑由下式得到：

波紋翅片的阻力系數由KAYS和LONDON[14]的公式計算：

根據翅片結構參數和KAYS和LONDON[13]提供的選項圖表，kc和kε分別取0.4和0.2。綜合總的設備誤差，換熱Nu數和摩擦因子f的計算誤差分別為±6.2%和±8.1%。

3.2 換熱及壓降關聯式

通過以上計算公式，對不同翅片間距，翅片高度，翅片長度，波長，波幅的7個換熱器樣件不同風速下的實驗結果進行了多重回歸，得到如下關聯式：

圖3和圖4給出了Nu數和壓降因子f的實驗數據和計算值的比較。91.8%的換熱關聯式計算值和實驗值偏差在±15%以內，99.1%的壓降關聯式計算值和實驗值偏差在±15%以內。換熱關聯式的平均偏差0.4%，絕對偏差8.7%。壓降關聯式的平均偏差0.4%，絕對偏差6.6%。計算精度完全能夠滿足工程計算需要。

圖4 壓降因子的實驗數據和計算數據對比

圖5和圖6是董軍啟的波紋翅片關聯式[10]與本文關聯式的預測結果對比。從圖中可以看出，采用董的關聯式預測的Nu數值明顯較實驗值偏小，平均偏差達30.3%；預測的壓降因子f 明顯較實驗數據偏大，平均偏差達到36.6%。這主要是因為董軍啟的實驗對象為車用水箱的波紋翅片，翅片寬度一般接近甚至大于100 mm，而本文的用于家用冷凝器的波紋翅片寬度小于50 mm，入口效應引起的強化換熱效果更為明顯，相同Re數下的Nu數的數值更大，兩關聯式的預測結果偏差達24.8%。翅片寬度減小后，空氣側壓降也隨之減小，兩關聯式的預測結構偏差達39.9%。因此從對比結果來看，對于應用于家用空調的小寬度微通道波紋翅片，采用原有關聯式進行預測，偏差較大，無法滿足工程設計精度，本文擬合的關聯式預測精度更高。

圖5 傳熱關聯式對比

圖6 壓降關聯式對比

4 結論

本文針對用于替代百葉窗翅片的波紋型翅片，首先將采用波紋型翅片試制7種適用于家用空調使用要求的換熱器樣件，其次采用換熱器空氣側特性試驗臺架，對7種不同翅片結構參數的波紋翅片微通道換熱器的空氣側傳熱和壓降特性進行了研究。利用非線性回歸和F顯著性檢驗方法對波紋翅片進行了實驗關聯式擬合。所獲得的波紋翅片換熱和壓降關聯式可對90%以上的數據進行準確預測，其預測誤差在15%以內。所開發的波紋翅片關聯式已應用于數十款家用空調和工程車用空調冷凝器的產品開發中，計算精度完全滿足工程設計需要，為波紋型翅片在家用空調室外機中的應用提供理論依據。

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[14] ISO 5167-1.2.3.4-2003 用安裝在充滿流體的圓形截面管道中差壓裝置測量流量[S].

Research on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Air Side for Outdoor Wavy Fin-tube Heat Exchanger of Residential Air Conditioner

SHI Jun-ye, CHEN Xiao-ning, LU Bing-qing, CAI Bo-wei, XU Bo, CHEN Jiang-ping*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)

With the growing demand for high effiency and low cost, the aluminum microchannel heat exchanger has attracted much attention, especially the louvered fin heat exchanger. However, the complicated structure of the louvered fin heat exchanger make the deposition of particles more easily. In this paper, the wavy fin with small fluid hysteresis area was used to replace the louver fin. The test of seven wavy fin-and-tube microchannel heat exchangers was carried out to investigate the air side heat transfer and pressure drop performance. By method of nonlinear regression and F significance analysis, the fitting heat transfer and pressure drop correlations could accurately forecast more than 90% of the data within an error of 15%.

Residential air conditioner; Outdoor heat exchanger; Wavy fin; Pressure drop characteristic

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.105

*陳江平（1970-），男，博士，教授，博士研究生導師。研究方向：制冷及低溫工程、車用空調技術。聯系地址：上海市閔行區東川路800號上海交通大學，郵編：200240。聯系電話：021-34206775。E-mail：jpchen_sjtu@163.com。