商用空調(diào)室外機冷凝器的布局和設(shè)計分析

楊德貞

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

換熱器是空調(diào)實現(xiàn)制冷制熱功能的重要零部件，冷媒在其中通過吸收或放出熱量，實現(xiàn)與周圍介質(zhì)，例如空氣、水等，進行熱交換的功能。在室內(nèi)機中，通常被稱作蒸發(fā)器，在室外機中，通常被稱作冷凝器。室外機的類型多種多樣，按使用場所可分為家用、商用、特種等；按出風方式又可分為頂出風、側(cè)出風等。針對不同的室外機類型，冷凝器的布局和設(shè)計也不同。本文重點分析商用頂出風空調(diào)室外機中冷凝器的布局和設(shè)計。

1 冷凝器的分類

冷凝器根據(jù)周圍換熱介質(zhì)的不同可分為風冷式冷凝器和水冷式冷凝器。風冷式冷凝器通過環(huán)境空氣流動來實現(xiàn)換熱。空氣在冷凝器周圍的流動方式不同，有自然對流和強迫對流兩種形式。水冷式冷凝器是通過水來進行換熱，按結(jié)構(gòu)形式不同可分為套管式和殼管式兩種。

常見的冷凝器類型如下:

1.1 翅片管式冷凝器（見圖1）

圖1 翅片管式冷凝器結(jié)構(gòu)

優(yōu)點：因翅片輕薄且密集布置，可實現(xiàn)同等體積下?lián)Q熱面積更大、換熱效率更高、重量更輕的效果。

缺點：同樣因翅片輕薄且密集布置，導致易積灰堵塞、倒片損傷，不易清潔，生產(chǎn)成本較高，工藝較復雜。翅片間距小，易堵塞，清洗困難，制造工藝復雜，成本高。

1.2 殼管水冷式冷凝器（見圖2）

圖2 殼管水冷式冷凝器結(jié)構(gòu)[1]

優(yōu)點：與輕薄的翅片結(jié)構(gòu)相比，更穩(wěn)定堅固，內(nèi)部易清潔，可適用于更大范圍的壓力和溫度下。

缺點：體積較大，重量較重，傳熱效率不如翅片管式冷凝器。

1.3 套管水冷式冷凝器（見圖3）

圖3 套管水冷式冷凝器結(jié)構(gòu)[1]

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，可用標準管件進行生產(chǎn)，可在壓力和溫度較高的情況下?lián)Q熱，傳熱面積可靈活調(diào)整。

缺點：同等換熱面積的金屬消耗量較大，成本較高，檢修困難。

2 翅片管式冷凝器的介紹

商用空調(diào)室外機常用的為翅片管式冷凝器。 翅片管為它的基本傳熱單元，翅片管包括基管和翅片。

翅片管式冷凝器傳熱計算的基本方程式[2]與其他管式換熱器一樣，是：

式中：

Q —傳熱量，W；

Ki—以基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e為基準的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

K0—以翅片側(cè)外表面?zhèn)鳠崦娣e為基準的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

Fi—基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e，m2；

F0—翅片側(cè)外表面?zhèn)鳠崦娣e，m2；

△tm—對數(shù)平均溫差，℃。

化簡上式可得

3 商用空調(diào)室外機中翅片管式冷凝器的組成和結(jié)構(gòu)

3.1 組成

商用空調(diào)室外機中的翅片管式冷凝器由翅片、長U管、邊板、彎頭組成。

3.2 形狀

冷凝器可根據(jù)需要彎折成各種形狀，考慮到工藝可實現(xiàn)性及加工成本，常見的形狀有I形、L形、C形、G形等。

3.3 排數(shù)

冷凝器排數(shù)可根據(jù)需要設(shè)定，單排和多排均可，多排之間可通過邊板、夾塊或連接片連接。一般來說，機組能力需求越大，排數(shù)越多。但排數(shù)并不是越多越好，隨著空氣逐排穿過冷凝器，換熱溫差逐排縮小，換熱能力也逐排下降。且風速受風阻影響也逐排減小，所以換熱效率也越來越差，因此對于風速較小的機組，更不能選擇排數(shù)較多的冷凝器。

3.4 翅片

翅片是增加在換熱管周圍的金屬片，有內(nèi)置和外置之分，用于增大換熱管的表面積（外表面積或內(nèi)表面積），從而達到提高換熱效率的目的。

商用空調(diào)室外機冷凝器翅片材料為鋁箔，有親水鋁箔和非親水鋁箔之分，非親水鋁箔僅由鋁層和鋁組成，成本較低，但熱交換性能較差。親水鋁箔是對非親水鋁箔進行親水處理，具體是在鋁箔表面覆一層導水膜，使冷凝水充分延展，避免其凝結(jié)成水珠，加快水的汽化，從而提高換熱性能。另外，還可以避免冷凝水積聚引起的風阻增大，及空氣受其阻礙產(chǎn)生的噪音，減弱冷凝水對鋁箔的腐蝕，還可減少霉菌和灰塵的凝結(jié)，減輕空調(diào)出風的異味。有研究表明，如果換熱器選用親水鋁箔，能使制冷效率提高5 %。

商用空調(diào)室外機冷凝器常見的翅片類型有平直翅片、波紋翅片、百葉窗翅片。

平直翅片的特點：因表面無突起，同樣間距下平直翅片的風阻最小，但換熱性能不如另外兩種翅片。剛性比百葉窗翅片強，但比波紋翅片差。平直翅片的結(jié)霜周期較長，化霜效果較好。

波紋翅片的特點：波紋翅片的風阻和換熱性能均介于平直翅片和百葉窗翅片之間，剛性最優(yōu)。

百葉窗翅片的特點：百葉窗翅片的換熱性能最好但風阻比另外兩種翅片大，所以該翅片不適用于排數(shù)較多的冷凝器。因表面有開窗，導致翅片剛性減弱，加工和安裝過程中容易出現(xiàn)倒片損傷的現(xiàn)象。

設(shè)計要點:為了保證換熱能力，減小空氣穿過冷凝器的風阻，對于單排換熱器可設(shè)計較小的片距，多排換熱器設(shè)計較大的片距。冷凝水和冰霜會堵塞翅片縫隙，增加風阻，對于使用環(huán)境中冷凝水和冰霜較多的冷凝器，需選用排水效果較好且不易堵塞的波紋翅片和平直翅片，且應適當?shù)脑黾悠唷０偃~窗翅片結(jié)霜周期較短，易積灰堵塞，應選用較大的片距。

3.5 長U管

冷凝器翅片中的穿管為長U管，即折彎角為180°長條銅管，該銅管的管材有內(nèi)螺紋銅管和光銅管。

內(nèi)螺紋銅管又稱非平滑管，是指外表面光滑，內(nèi)表面具有一定數(shù)量，一定規(guī)則螺紋的銅管。作用是對管內(nèi)制冷劑的流動進行干擾，從而破壞制冷劑與銅管內(nèi)壁面的粘附層，以加強制冷劑與銅管的熱交換。且由于內(nèi)螺紋銅管內(nèi)表面積的增加，所以它的導熱性能要比光銅管提高 20～30 %[3]。

光銅管是管內(nèi)壁光滑的銅管。光銅管中制冷劑的熱交換能力不如內(nèi)螺紋銅管。

3.6 邊板

邊板為冷凝器兩端用于固定銅管和翅片的金屬板，常見的材料有熱鍍鋅板，鍍鋁鋅板及不銹鋼板。后兩種材料防腐性能更好，適用于對防腐要求高的環(huán)境。厚度根據(jù)需要選擇，一般來說，越大型的機組，冷凝器尺寸越大，應相應選擇較厚的板材。

3.7 彎頭

彎頭是一種連接用管件，用于管道拐彎處的連接，在商用空調(diào)室外機冷凝器中通常選用180 °的彎頭，焊接于穿管完成后的長U管管口處，用于連接和密閉長U管。規(guī)格根據(jù)長U管內(nèi)徑進行匹配選擇。

4 商用頂出風空調(diào)室外機的結(jié)構(gòu)特點和冷凝器布局

商用頂出風空調(diào)室外機的結(jié)構(gòu)通常為：風機部件位于機組頂部，風葉為軸流風葉；電器盒位于風機部件和底盤之間，靠近機組前側(cè)，面板打開即可看到電器盒，以方便機組調(diào)試和電路檢修；壓縮機、汽液分離器、油分離器等罐體位于機組下側(cè)，固定于底盤上；冷凝器位于風機部件和底盤之間，環(huán)繞罐體，放置于底盤上，四周盡可能的貼近底盤邊緣，以盡量增加換熱面積。這樣一種布局使風場走向為從機組側(cè)面進風，通過冷凝器后從機組頂部出風。從圖4、圖5可以看出，冷凝器并非完全環(huán)繞一周，前側(cè)空出，理論上冷凝器的面積越大，換熱效果越好，之所以前側(cè)留空，是為了方便機組內(nèi)零部件的檢修、更換。

5 商用頂出風空調(diào)室外機冷凝器的優(yōu)選設(shè)計方案

結(jié)合機組性能、成本和工藝，商用頂出風空調(diào)室外機冷凝器的優(yōu)選設(shè)計方案如下：

1）翅片選用波紋翅片，既保證結(jié)構(gòu)強度又保證換熱性能，鋁箔選用親水鋁箔。

2）長U管選用內(nèi)螺紋銅管，以實現(xiàn)更好的換熱性能。

3）排數(shù)根據(jù)機組性能需求選用2排和3排。

4）結(jié)構(gòu)型式在單風機機組中為C形（如圖4所示），在雙風機機組中為G形（如圖5所示）。單風機是指風葉為一個的機組，雙風機是指風葉為2個的機組，通常雙風機機組的寬度較寬，G型兩器雖部分遮擋機組的正前方，但留下的空間足夠正常操作和檢修。且雙風機機組的能力需求更大，性能要求更高，G形兩器可以實現(xiàn)更大的換熱面積，提高機組的換熱能力。

圖4 單風機冷凝器布局

圖5 雙風機冷凝器布局

5）因商用空調(diào)機組與家用相比，體積更大，冷凝器的尺寸也相對較大，所以邊板厚度通常選用較厚的板厚，材料可根據(jù)使用環(huán)境自由選擇。

6）彎頭規(guī)格根據(jù)長U管內(nèi)徑進行匹配選擇。

6 結(jié)論

本文根據(jù)商用頂出風空調(diào)室外機的組成和零部件布局，及其常用的翅片管式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點，分析說明了進行機組開發(fā)時，關(guān)于冷凝器部件的設(shè)計思路，并結(jié)合成本及性能考量，給出了優(yōu)選的設(shè)計方案，工程師可將此作為設(shè)計時的參考。