低制冷劑充注量的風冷冷凝器性能研究

潘大紅 孫義豪* 王亞林 萬匡禹

1 浙江大學建筑設計研究院有限公司

2 華東勘測設計研究院有限公司

0 引言

制冷技術在當今的話題更多是節能和環保[1]。有數據顯示，發達國家中暖通空調能耗占建筑總能耗的65%，以建筑能耗占總能耗的35%的比例來計算，暖通空調能耗占總能耗比例高達22.75%[2]。然而，空調制冷劑氟利昂對臭氧層的破壞十分嚴重[3]，迫使人們也不得不考慮如何更加清潔環保地使用空調。

許多學者對此進行了積極探索[4-5]。其中，劉金平團隊根據液相積存原理[6]設計出降膜冷凝器。張發勇等使用降膜冷凝器對 R22 充注量為550 g、650 g、750 g 分別進行了對比實驗得出：在較少影響系統性能的前提下，R 22 充注量由1050 g 減少到650 g，降低了38.1%[7]。為進一步探尋 R22 在上述實驗中最佳充注量，本實驗重新設置了四個不同組別，每組實驗 R22 充注量分別為550g、590g、625g、660g。同時為了驗證該降膜冷凝器對其他類型的制冷劑是否同樣具有減充效果[8]，本次實驗用 R290[9-10]新增了四組對比實驗，其充注量分別為200 g、230 g、250 g、285 g。

1 實驗介紹

1.1 實驗裝置

本實驗是在某品牌家用空調1 匹機的基礎上進行改造進而實施的，因此實驗器材為原制冷機組（標準機），以及采用豎直管降膜冷凝器[11]的改良機。標準機主要銘牌參數見表1。

表1 標準機主要銘牌參數

降膜冷凝器與標準機冷凝器的外形結構相同，其主要結構特點有以下幾點[12-13]：①將原來的橫管結構改變成豎直管，利用重力迫使液態制冷劑下降從而改善流動，減少了液膜的厚度，降低制冷劑側的熱阻。②在豎直管冷凝器的進口處設置了兩根并列的U 形管，使過熱制冷劑蒸氣在流經冷凝器有更大的流量和流速，強化換熱并減少了過熱段的長度占比。③在豎直管降膜冷凝器的出口處焊接了一根毛細管，匯聚下來的液態制冷劑在此處形成“液封”，防止氣態制冷劑未經換熱便節流，提高了傳熱效果。④降膜冷凝器采用管徑比原來更細的銅管，從而減小了管壁熱阻。

制冷劑在降膜冷凝器中的流動路線為：經過壓縮機壓縮之后的高溫高壓氣態制冷劑從壓縮機的排氣口排出，進入降膜冷凝器。由于實驗用降膜冷凝器設計了兩排平行的管路，故高溫高壓氣態制冷劑進入降膜冷凝器后會被分配到前后平行的兩條支路，各支路中的制冷劑要先通過一個U 形管換熱，由過熱狀態向冷凝狀態過渡，之后被分配到并聯的豎直管(每條支路有32 根)，在豎直管內進行冷凝放熱過程，由兩相態開始轉變為液態，最后經下端液管匯合經液封裝置流至節流裝置（本實驗用的是電磁膨脹閥）。

1.2 實驗步驟

1）搭建實驗臺：將本實驗設計的豎直管降膜冷凝器替代原先的冷凝器安裝到某家用空調機組中，并將冷凝器進出口分別焊接到壓縮機出口和節流裝置上。檢漏方法是[14]，沖入一定量的制冷劑后觀察壓力傳感器，1～2 小時之后壓力無較大變化則氣密性能良好。檢漏完畢之后在各溫度測點接上T 型熱電偶，用錫箔紙包裹，并用電工膠布纏住。

2）抽真空[15]：將真空泵用橡膠軟管連接雙表閥的1號口，3號口連接壓縮機充灌口，2 號口堵死。各接口接好后先打開真空泵，然后打開雙表閥兩側的手閥，當表壓達到-0.8bar 以下時，繼續抽10 分鐘左右，盡可能減少水分和不凝性氣體對實驗結果的影響。抽真空結束后，先關閉手閥在關閉真空泵，以防止氣體被負壓吸進充灌口。

3）制冷劑充注：抽真空后將雙表閥1 號口軟管換成新的軟管，并連接雪種罐。充注制冷劑要求雪種罐始終置于電子秤上。充注時打開雙表閥兩側的手閥，待制冷劑充注速度變慢后，需要啟動壓縮機來降低充注口壓力使得充注能夠繼續進行。當充注量接近設定值后，需要慢慢關閉雙表閥的手閥，直到達到設定的充注量。

4）數據采集：制冷劑充注結束后，啟動焓差室系統開始進行實驗。當室內外空氣干濕球溫度達到試驗工況，并且波動不超過±0.2℃的30 min 內所采集到的數據為所需要的數據。在數據采集結束之前使用紅外熱像儀對室外機冷凝器翅片表面溫度進行熱成像攝取。改良機需要增加充注量時，只需在開機狀態下加注制冷劑即可。

2 傳熱系數計算及對比分析

2.1 傳熱系數模型的建立

2.1.1 制冷劑側

制冷劑側的傳熱系數計算采用努賽爾膜狀凝結換熱理論[16]。

標準機橫管結構的換熱系數計算公式為：

改良機豎直管結構的換熱系數計算公式為：

式中：λl——液膜導熱系數，W/(m2·K)；g——重力加速度，m/s2；r——汽化潛熱，kJ/kg；ρ1——液膜密度，kg/m3；η1——液體動力粘度，Pa·s；ts——液膜平均溫度，K；tw——壁面平均溫度，K；x——橫管總長度，m；l——豎管總長度，m。

其中：除了汽化潛熱r按照ts為定性溫度以外，其余物性參數均以(ts+tw)/2 為定性溫度。

2.1.2 空氣側

空氣側的傳熱系數計算公式采用 A.A.果戈林提出的公式計算[17]：

式中：λ——空氣平均導熱系數，W/(m2·K)；de——空氣通道斷面的當量直徑，m；Re——雷諾數；L——沿氣流方向肋片長度，m；η1——液體動力粘度，Pa·s。

m、n為指數：

C1為與氣流狀況有關的系數：

C2為與結構尺寸有關的系數：

考慮到該冷凝器采用的是肋管，因此空氣側的換熱系數要考慮肋效率，修正后，當量換熱系數計算公式如下：Ap——肋片間基管外總表面積，m2；A——肋管總外表

式中：ηf——肋片效率；Af——肋片總表面積，m2；面積，m2。

2.2 實驗數據分析

標準工況下進行的9 組實驗數據見表2，由表2 實驗數據可知：

表2 實驗數據匯總

對于制冷劑R22，改良機的功率始終低于標準機，在充灌量為550 g 下功率為標準機的97.6%，制冷量達到標準機的81.96%。在充灌量增加到590 g 下功率達到760 W，相比550 g 充注量無明顯變化，制冷量增加到2133 W，相當于標準機的85.5%。在625 g 和660 g 情況下，功率仍無明顯變化，制冷量分別為2127 W 和2104 W，由此可知，最佳充注量在590 g 左右，超過590 g 后制冷量稍微有所降低。

對于制冷劑 R290，在充注量為200 g 下，功率為標準機的83.9%，制冷量為標準機的66%。隨著充注量增加到230 g，功率也相應增到653 W，占標準機的84%，制冷量增加到標準機的68.5%，當充注量達到250 g 時，功率上升到713 W，占標準機的91.76%，制冷量達到1786 W，為標準機的71.58%，繼續增加充灌量到285 g 時，功率相應增加到726 W，制冷量相比充灌量250 g 有所降低，約降低4.5%。

將以上數據總結為：

1）本實驗用的降膜冷凝器相比標準機冷凝器，在不減少傳熱性能前提下，減少制冷劑充注量效果明顯。

2）本實驗所用制冷劑 R290 和 R22 相比，制冷劑減沖效果進一步提高，R 290 充注量在230 g 左右時傳熱性能最佳。但是COP 降低很多，實驗效果并不理想，有進一步改進實驗再進行比較的必要。

標準工況下9 組實驗的溫度數據見表3，并將表3 數據整理繪制各組溫度參數柱狀圖（圖1）。

表3 實驗裝置溫度數據

圖1 各組溫度數據柱狀圖

通過分析圖1 可得出如下結論：

1）改良機充注 R22 的充灌量為550 g 時，冷凝器進口溫度與標準機大致相當，隨著充注量的增加，冷凝器進口溫度有所降低，當充注量達到660 g 時，冷凝溫度下降明顯，相比550 g 時降低了10.8%。這主要是因為增加充注量后，壓縮機是定頻壓縮，排氣壓力無明顯變化，因此排氣溫度降低，導致冷凝溫度降低。冷凝溫度的這種變化趨勢，在充注 R290 的改良機上也表現出來。

2）4 組充注R22 改良機的冷凝器出口溫度、節流溫度、蒸發器進口溫度、蒸發器出口溫度均無明顯變化，且均高于標準機的測試數據。而4 組充注R290 改良機的上述溫度數據，除了蒸發器出口溫度變化不定以外，其余均呈現出溫度隨充注量增加而上升趨勢。

2.3 計算數據分析

空氣側的傳熱系數計算見表4：

表4 空氣側換氣系數計算表

本實驗是在標準焓差實驗室中進行，9 組實驗的工況均為標準工況，空調機組為定頻機組，風機轉速保持不變，均為2.5 m/s，因此其空氣側的空氣流速相同。標準機的冷凝器由于換熱管及翅片結構均有所差異，且換熱管的管壁較厚，翅片效率相對較低，導致其空氣側的換熱系數要低于改良機的降膜冷凝器。

制冷劑側是按照式（1）、（2）來求解的。由于實際試驗過程中，換熱管壁面溫度難以測量，因此對上述公式的求解采用了優化求解如下式：

式中：q1——制冷劑液膜到壁面的熱流密度，W/m2；q2——換熱管壁面到空氣的熱流密度，W/m2；αa——空氣側換熱系數，W/(m2·K)；α1——制冷劑側換熱系數，W/(m·2K)。

先假定一個壁面溫度，然后按照用制冷劑物性數據表查出的制冷劑物性參數利用式（1）、（2）算出一個換熱系數值，該值顯然不是準確值。然后需把這個求出來的換熱系數值和假定的壁面溫度代入式（10），若等式不成立則需要重新假定一個壁面溫度值，直至等式成立。

控制壁面溫度值的精確度為±0.1%，得出該壁面溫度之后，再將其代入式（1）或（2），即可求出所需要的換熱系數值。

各組實驗最終計算出的換熱系數見表5，對其數據進行分析可知：對于充注相同制冷劑的標準機和改良機來說，四組不同充灌量的改良機的整體換熱系數要高于標準機，尤其是改良機在充注量為590 g 時，綜合換熱系數最大，換熱性能最佳，這也與上述表2 的實驗數據得出的結論相符合。

表5 計算換熱系數匯總表

充注R290 的機組計算換熱系數相較于充注 R22 的機組要偏低。其中，R 22 換熱性能最佳的充注量為590 g，R 290 換熱性能最佳的充注量為230 g。考慮到 R22 和R290 的充注量不同，且 R290 換熱性能最佳充注量為 R22 的38.98%，減充效果顯著，且換熱系數相差不多，但是制冷量很低。

3 熱像圖研究

本實驗旨在研究低制冷劑充注量的風冷冷凝器性能。因此在標準工況下數據采集完畢之前需要對其冷凝器的翅片進行熱像圖攝取[18]，以分析兩種類型風冷冷凝器的傳熱性能。本實驗的傳熱效果圖見圖2。

圖2 熱成像效果圖

實驗中對標準機和充注 R290 的改良機進行了熱像圖的采集，標準工況下，翅片表面溫度3D 圖像[19]如圖3：

圖3 翅片表面溫度3D 圖

對3D 熱像圖分析可知：

1）相同制冷工況下，降膜冷凝器表面溫度波動較大，且分布相對不均勻，這主要是由于充注量減少導致的接觸不均引起的，隨著充灌量的增加這種情況逐漸有所改善。

2）相比于標準機冷凝器，豎直管降膜冷凝器表面的“泛紅”區域明顯增加，這代表著在空氣側參數相同的情況下，降膜冷凝器有著更大的傳熱溫差，從而提高了換熱效果，實現了降低充注量而不影響換熱系數的目的。

3）改良機的3D 熱像圖的“泛紅”區域明顯在左端呈現一個 U 形，隨著充注量的增加，“泛紅”區域逐漸向右延伸。這是由于豎直管降膜冷凝器入口采用U 形管設計，有效降低了過熱段長度占比，因此這部分翅片表面溫度頗高，在熱像圖中形成了 U 形“泛紅區域”。

4）上述四組充注 R290 的降膜冷凝器表面平均溫度較低，且分布不均，并不利于換熱。分析可能是以下原因：①豎直管降膜冷凝器加工品質較差，銅管與翅片之間的連接不夠緊密[20]。② R290 相較于R22 來說質量流量較低，故直接用原空調系統時，換熱效果比較差，需針對R290 的特性對實驗系統進行改良設計。

4 結論

本實驗用的降膜冷凝器相比標準機冷凝器，在不減少傳熱性能的前提下，減少制冷劑充注量效果明顯。本實驗 R22 最佳充注量為590 g，R 290 最佳充注量為230 g。

在空氣側參數相同的情況下，改良機的降膜冷凝器有著更大的傳熱溫差，從而使得改良機在低充注量的情況下也有較為不錯的換熱效果。

本實驗所用制冷劑R290 和R22 相比，制冷劑減充效果進一步提高，然而 R290 的制冷量并未達到要求，后續需進行改良實驗來進一步分析。

本實驗結果充分驗證了豎直管降膜冷凝器具有良好的減充性能，為新型冷凝器的結構設計提供了一定的參考作用。此外，其優良的減充特性使得R290 等具有易燃易爆特點的無氟制冷劑，也有了應用到實際制冷設備中的可能性，為后續的實驗研究指明了方向。