增強管片式換熱器換熱性能的有效途徑

白小峰+葛磊+趙宏延

摘 要：換熱器（蒸發器和冷凝器）是空調系統的重要組成部分，它的性能的提高將促進整個空調系統能效的提升。針對空調系統常用的管片式換熱器，提出了增強它的傳熱性能的有效途徑，有助于新產品的開發，對空調系統的研制具有指導意義。

關鍵詞：管片式換熱器；傳熱性能；有效途徑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.001

1 引言

冷凝器和蒸發器是空調系統中兩個重要的部件，它們的作用是實現不同溫度流體之間的熱量交換，通常又稱為換熱器。換熱器的換熱性能由換熱器本身的結構、尺寸、材料和工藝等決定。在空調系統中使用的換熱器結構主要有管片式、管帶式、平形流式、層疊式等，管片式換熱器以其獨特的優點在家用空調、大巴車空調、特種空調等的制冷系統中得到廣泛的應用，增強它的換熱性能對提高空調系統的能效具有重要意義。

2 管片式換熱器的結構及特點

管片式換熱器的結構組成如圖1所示，它具有如下特點：

（1）管片式換熱器主要由銅管套上翅片組成，銅管一般為紫銅制成，翅片一般是以0.1～0.2毫米厚的鋁箔或銅箔制成，翅片間距為1.5～2.5毫米。將紫銅管穿上翅片，通過膨脹紫銅管使得翅片與銅管緊密接觸，加工簡單、工藝成熟、成本較低。

（2）由于管路為紫銅管，因而它具有較好的釬焊性、較高的機械強度及良好的耐腐蝕性和導熱性。它的兩端固定板可由3㎜防銹鋁板或1.2㎜不銹鋼板制作，安裝到系統后具有良好的抗震性，使用壽命較長。

（3）管片式換熱器可做成多通路形式，可根據需要優化管路布置，優化制冷劑流量，提高空調系統的性能。

3 提高管片式換熱器傳熱的途徑

我單位經過十幾年的管片式換熱器的生產和應用，對如何提高管片式換熱器的效率進行了深入的研究，在以下幾方面取得了進步。

（1）采用新型的內螺紋管代替光管。換熱器中的銅管起著傳導換熱的作用，是換熱的最直接的方式，銅管本身的換熱性能直接影響空調器的換熱效果。采用內螺紋銅管將增大制冷劑側的換熱面積，減小傳熱熱阻，它的換熱性能與其齒形結構密切相關。

圖2為內螺紋管的剖面圖，管內的微肋數目一般為60～70，肋高為0.1～0.2㎜，螺旋角β為10°～30°。從換熱理論上來看，提高接觸長度，對提高管內蒸發傳熱系數幫助很大；提高留液面積，對提高管內冷凝傳熱系數幫助很大。因此，增加齒高、加大齒底寬、減小齒頂角等將使銅管的傳熱性能得到明顯的增強。

（2）采用新型高效鋁箔翅片。翅片的作用在于增加空氣側的換熱面積，從而提高換熱性能。

①采用復雜形狀的鋁箔翅片，有波紋型、百葉窗型、條縫型等。

在光直翅片換熱器中，連續穩定的粘性層流層妨礙了氣體與翅片的換熱，波紋型翅片能夠破壞連續穩定的層流層，所以換熱系數增大了。而開縫式翅片不僅破壞了連續穩定的層流層，而且大大增加了通道中的紊流度，從而使換熱系數進一步增大，百葉窗型翅片就是在翅片上開翻邊槽，以此強化氣流擾動，增強換熱。

②對翅片表面性能的改進。鋁翅片在干濕交替的工況下工作時，其表面會形成氧化層粉末，影響換熱器的使用壽命。此外，當翅片表面溫度低于空氣的露點溫度時，空氣中的水蒸氣將在翅片表面凝結，附著在翅片表面形成“水橋”，導致風阻增大，能耗增加。為了解決這一問題，國內外已經研制成功親水膜表面處理技術，在翅片上涂上親水膜，將減小水和翅片表面的濕潤角，使冷凝水極易從翅片表面流下，這樣在空調運行時換熱器就能具有良好的通風效果，從而提高換熱性能。

（3）優化管路設計。換熱器的流程布置會改變傳熱溫差的分布，會對換熱器性能產生重要影響。采用最優的管路連接方式能使換熱器有均勻的流動性和換熱性，以取得較高的換熱量。采用逆流程布置能使換熱量比順流程布置增加3%～4%。以下為兩個換熱器管路設計的實例：

①蒸發器的設計中可以將管路排列為少進多出（如4進8出）的方式，在制冷劑液態較多的前半部分采用較少的4路，充分發揮制冷劑流速快，換熱效果好的特點，在制冷劑氣態較多的后半部分采用較多的8路方式，有效地減小制冷劑的壓降。

②冷凝器的設計中可以將管路排列為多進少出（如13進7出）且在最后加過冷管（3進3出）的方式（見圖4），保證在前半部分（13根管路）使高溫高壓的制冷劑氣體有充分的冷凝空間，在后半部分（7根管路+3進3出6根管路）使制冷劑液體充分冷卻并具有一定的過冷度。

管路優化設計的例子還有很多，需要我們在實際的產品設計中做更多的研究。

（4）提高換熱器的加工工藝水平。管片式換熱器的生產工藝流程如圖5所示。

在加工過程中對換熱器換熱性能影響較大的是脹管和烘干兩個工序，因此這兩個工序的工藝參數的制定將決定生產產品的性能。

①脹管過程涉及工藝參數的制定。脹管過程是在脹管機將內螺紋銅管膨脹，使銅管和翅片緊密結合在一起，翅片孔孔徑的尺寸和脹頭的外徑尺寸對脹管效果至關重要。銅管和翅片的結合程度越好，傳熱熱阻就越小，因此需要銅管外徑和翅片孔內徑配合時有一定的過盈量。但是過盈量過大會造成脹裂銅管的情況，這就需要制定合適的翅片孔孔徑的尺寸和脹頭的外徑尺寸。以直徑為φ7.94㎜，壁厚為0.43㎜的內螺紋管為例，設計翅片孔孔徑為φ8.32㎜，選擇脹頭的直徑為φ7.56㎜，脹管后銅管的外徑為7.56+0.43×2=8.42㎜，過盈量為0.1㎜，這種程度的過盈量恰好保證了翅片與銅管的緊密配合，又不會造成脹破銅管。

②烘干時工藝參數的制定。在將鋁箔沖制成翅片的過程中和脹管過程中會用到潤滑油，這些潤滑油殘留在翅片上會影響親水涂層的親水性，同時，銅管里殘留的潤滑油會影響焊接小彎頭的焊接質量，因此脹管后必須將換熱器放入到烘箱中烘干潤滑油。烘干溫度的制定非常重要，因為親水涂層對溫度有一定的限制，若溫度太高將會破壞掉親水涂層的親水性，但溫度過低又達不到烘干的效果。經過我們的實驗，將溫度設定在100℃～120℃，烘干時間設定在50分鐘非常合適，能夠達到良好的效果。

4 結論

增強管片式換熱器的換熱性能可以通過選擇新型銅管和翅片、優化管路布置、提高生產工藝等方法來達到，這些方法的運用將提高空調產品的性能，產生良好的經濟效益。

參考文獻：

[1]吳業正.小型制冷裝置設計指導[M].機械工業出版社，1998（08）.

[2]尤順義等.新型小管徑內螺紋管在空調換熱器中的應用[J].順德職業技術學院學報，2008，6（01）：27-29.