淺談高效率房間空調(diào)器的換熱器設(shè)計(jì)

摘要：為了提高房間空調(diào)器的效率，應(yīng)該對(duì)其換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過提高翅片的換熱系數(shù)，增大翅片的換熱面積，采用高親水處理的翅片，提高管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)，采用橢圓管換熱器，以及盤管回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，均可以提高換熱器的換熱能力。
　　關(guān)鍵詞：房間空調(diào)器　　換熱器　　優(yōu)化設(shè)計(jì)
　?。啊∫?BR>　　提高房間空調(diào)器效率的方法有很多，如高效變頻壓縮機(jī)的采用，冷凝器和蒸發(fā)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，先進(jìn)節(jié)流元件的采用，控制系統(tǒng)的優(yōu)化等等。隨然變頻壓縮機(jī)和電子膨脹閥的使用將大大提高系統(tǒng)的能效比，但冷凝器和蒸發(fā)器換熱效率的高低也直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的能效水平。本文將針對(duì)房間空調(diào)器“兩器”的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的討論。這些優(yōu)化措施包括空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化，制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱，盤管的設(shè)計(jì)優(yōu)化等多個(gè)方面。
　　１　空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化
　　空氣側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)比制冷劑側(cè)蒸發(fā)、冷凝的換熱系數(shù)要小得多，這樣在
熱量交換過程中，空氣側(cè)會(huì)形成瓶頸，因此翅片換熱能力的強(qiáng)化一直是研究的熱
點(diǎn)。增強(qiáng)空氣側(cè)換熱能力包括三個(gè)方面：強(qiáng)化翅片的換熱效率；對(duì)翅片進(jìn)行高親
水性處理；增大換熱器的面積。
　　１．１強(qiáng)化翅片的換熱效率
　　由于空氣存在粘性，在換熱表面流動(dòng)的空氣會(huì)在翅片表面形成一層邊界層，造成較大的熱阻，因此通過改變翅片的結(jié)構(gòu)，可以減薄或者破壞邊界層的形成。早期在房間空調(diào)器的換熱器上使用的是平翅片，銅管的直徑為９．５２ｍｍ，之后發(fā)展成了波紋片，波紋片的傳熱量為平片的１．２倍。
    上世紀(jì)８０年代左右又發(fā)展成沖縫片，傳熱量提高到平片的２倍。后來隨著銅管細(xì)化為７ｍｍ管，沖縫片的換熱能力提高到平片的２．５～３倍。目前大多空調(diào)企業(yè)均采用沖縫片作為兩器的翅片，以提高換熱器的換熱效率。
    選擇沖縫片時(shí)，應(yīng)該注意合適的翻邊高度，翻邊過高，造成翅片過疏，換熱面積太少，影響換熱性能；翻邊過低，造成翅片過密，風(fēng)阻過大，風(fēng)量減小，同樣影響換熱效果。
    另外，由于沖縫片的強(qiáng)度較差，在冷凝器 ９０度折彎過程中容易將圓弧段的翅片弄成倒片，倒片使得空氣阻力增加，影響了換熱。因此，提高翅片的強(qiáng)度和改善加工工藝也能有效地提高換熱效率。
    １．２對(duì)翅片進(jìn)行高親水性處理空調(diào)器在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水，當(dāng)凝結(jié)水珠的高度超過翅片間距的一半時(shí)，兩冷卻片之間的水珠就會(huì)連接起來，形成牢固的水橋，造成冷卻片間距堵塞，使空氣流動(dòng)的阻力大大增加，從而減少了空氣流量，導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱量降低和效率下降。室外機(jī)在冬季運(yùn)行時(shí)因?yàn)橥瑯拥脑蚨Y(jié)霜，大大降低了系統(tǒng)的效率。因此，對(duì)兩器的鋁箔應(yīng)該進(jìn)行親水處理，即在鋁箔表面涂上一層親水膜，它具有很強(qiáng)的水潤(rùn)濕性，冷凝水極易沿鋁箔表面鋪開，不形成水橋，而是以薄的水膜形態(tài)流下去。評(píng)價(jià)鋁箔親水性的優(yōu)劣主要根據(jù)其持續(xù)親水角。持續(xù)親水角的大小關(guān)系到親水性的好壞，持續(xù)親水角每減少１０°，空調(diào)制冷量可提高 ２％～６％。根據(jù)測(cè)試，當(dāng)持續(xù)親水角θ≤ ２０°時(shí)，鋁箔的親水性良好；當(dāng)２０°＜θ≤３０°時(shí)，鋁箔親水性一般；當(dāng)３０°＜θ≤５０°時(shí)，鋁箔親水性較差；當(dāng)θ＞５０°時(shí)，鋁箔的親水涂層已基本不起作用。
    １．３增大換熱面積
    增大換熱器面積的方法之一就是對(duì)冷凝器和蒸發(fā)器多次折彎，如圖１所示。室內(nèi)機(jī)盤管的折彎形式不斷改進(jìn)，三折換熱器的面積比單板式換熱器的面積大５０％以上。室外機(jī)也可以采用多折方法來增大換熱面積，由于室外機(jī)空間相對(duì)較大，加上高效沖縫翅片的利用，一般情況下采用一個(gè)９０度的折彎形式就能滿足要求；若需繼續(xù)增大換熱面積，也可采用２個(gè)９０度折彎形式。
    除通過上述方法增加換熱面積外，減小翅片間距也能增大盤管的換熱面積。盤管長(zhǎng)度相同時(shí)，翅片間距越小，翅片數(shù)就越多，因此換熱面積也就越大。當(dāng)然，翅片間距也不能太小，否則會(huì)加大阻力，引起風(fēng)量的減小，并且冬季運(yùn)行時(shí)，翅片間距越小越容易結(jié)霜，而且結(jié)霜后供熱量的衰減也越快。對(duì)于采用高親水性沖縫片的室外機(jī)，翅片密度在每英寸 １４～１６片為宜；對(duì)于采用同樣翅片的室內(nèi)機(jī)，翅片密度在每英寸１１～１３片為宜。
                        
    ２　制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱
    制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱也是換熱器優(yōu)化的一個(gè)重要方面，采用內(nèi)螺紋銅管和使用橢圓管是制冷劑側(cè)強(qiáng)化傳熱的主要手段。
    ２．１使用內(nèi)螺紋管
   與普通光管相比，內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面積增大，同時(shí)制冷劑流動(dòng)時(shí)沿螺旋槽旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擾動(dòng)，以及由于表面張力使液膜變薄等原因，傳熱系數(shù)增大。增大的程度隨內(nèi)螺紋肋形的不同而有所不同，山型齒內(nèi)螺紋管的內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是光管的１．５倍左右；梯型是光管的２倍左右；小頂角型是光管的２．５倍左右；細(xì)高齒型是光管的３倍左右。
   ２．２使用橢圓管
   目前，由于工藝水平的限制，換熱器的銅管都采用圓管，但橢圓翅片管比圓管翅片管性能更加優(yōu)越正在受到重視。雖然目前家用空調(diào)器換熱器使用橢圓管仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但根據(jù)研究結(jié)果可以預(yù)見橢圓管換熱器一定會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。文獻(xiàn)［１］的研究結(jié)果表明對(duì)于給定的換熱器，橢圓管換熱器比圓管換熱器需要較小的換熱面積和較小的風(fēng)機(jī)能耗；在相同的迎面風(fēng)速下，橢圓翅片管比圓翅片管的   空氣側(cè)換熱系數(shù)大３～７倍；另外，換熱系數(shù)相同時(shí)，橢圓翅片管的壓降也小于圓管換熱器。
   盤管設(shè)計(jì)的優(yōu)化
   在采用了高效換熱元件后，盤管設(shè)計(jì)的優(yōu)化也是提高換熱器換熱效率的重要步驟。盤管的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括回路設(shè)計(jì)，不對(duì)稱盤管設(shè)計(jì)等多種方法。
   １合理的回路設(shè)計(jì)
   冷凝器和蒸發(fā)器回路設(shè)計(jì)是個(gè)需要綜合考慮換熱性能和阻力性能的問題。制冷劑在管中的流動(dòng)速度越大，制冷劑管內(nèi)的換熱系數(shù)也就越大，因此很多房間空調(diào)器的兩器均是采用單回路設(shè)計(jì)。但是這樣的設(shè)計(jì)沿程損失大，制冷劑的壓力下降較大，隨著換熱器長(zhǎng)度的增加，這個(gè)問題會(huì)更加嚴(yán)重，并且單回路設(shè)計(jì)中，由于換熱溫差越來越小，回路后部的換熱能力已經(jīng)變得非常糟糕。因此，回路設(shè)計(jì)必須對(duì)回路的阻力進(jìn)行精確的計(jì)算（冷凝器的壓力以飽和溫度下降１℃為上限，蒸發(fā)器以飽和溫度下降 ２℃為上限），若阻力損失過大，應(yīng)采用多個(gè)回路，并增大空氣和冷媒之間的換熱溫差。
    ３．２不對(duì)稱盤管設(shè)計(jì)
    對(duì)于多排管換熱器來講，每排的換熱量是不同的。對(duì)于雙排冷凝器，當(dāng)兩排的銅管和翅片完全相同時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的換熱量約占總換熱量的７０％，背風(fēng)側(cè)換熱量只占３０％左右，背風(fēng)側(cè)的換熱能力沒有得到充分的發(fā)揮，因此國(guó)內(nèi)外有些空調(diào)產(chǎn)品采用不對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，通過稍微降低盤管迎風(fēng)側(cè)的換熱能力而增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)換熱能力，從而增強(qiáng)整個(gè)盤管的換熱能力。不對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括前后排翅片類型不同，翅片間距不同，銅管直徑不同以及銅管類型不同以及上述方法的相互搭配等。
    文獻(xiàn)［２］指出在相同的風(fēng)量下，迎風(fēng)側(cè)使用光管、背風(fēng)側(cè)使用內(nèi)螺紋管的換熱器的換熱量均大于相同片距下全內(nèi)螺紋管的換熱器的換熱量。文獻(xiàn)［３］對(duì)迎風(fēng)側(cè)使用平片而背風(fēng)側(cè)使用沖縫片的換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。迎風(fēng)側(cè)使用平片，使空氣溫度升高，但小于使用沖縫片時(shí)的溫度升高幅度，即在迎風(fēng)側(cè)的換熱量小于全沖縫片迎風(fēng)側(cè)的換熱量；但空氣在背風(fēng)側(cè)的換熱溫差大于全沖縫片換熱器背風(fēng)側(cè)的換熱溫差，所以提高了背風(fēng)側(cè)換熱量在總換熱量中所占的比例，總體的效果是迎風(fēng)側(cè)平片的換熱效果優(yōu)于全沖縫片的換熱效果。
    如圖２所示，文獻(xiàn)［４］提出迎風(fēng)側(cè)采用小管徑，背風(fēng)側(cè)采用大管徑的換熱器設(shè)計(jì) 思路。并通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，得到相同的翅片間距或者相同的風(fēng)速下，新設(shè)計(jì)換熱器的總換熱量比傳統(tǒng)換熱器增強(qiáng)１０％以上。
                          
    綜上所述，為了增強(qiáng)背風(fēng)側(cè)盤管的換熱能力，可采用盤管的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：迎風(fēng)側(cè)翅片采用大間距的平片，背風(fēng)側(cè)采用小間距的沖縫片；迎風(fēng)側(cè)使用光管，背風(fēng)側(cè)使用內(nèi)螺紋管；迎風(fēng)側(cè)使用小管徑銅管，背風(fēng)側(cè)使用大管徑銅管。通過組合搭配試驗(yàn)，以得最佳的換熱效果。
   ４　小結(jié)
   換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)優(yōu)化的一個(gè)重要組成部分，并且換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)也一直是空調(diào)行業(yè)的熱點(diǎn)。因此，本文從空氣側(cè)的換熱強(qiáng)化，制冷劑側(cè)的強(qiáng)化傳熱，盤管的設(shè)計(jì)優(yōu)化等幾個(gè)方面對(duì)換熱器的優(yōu)化進(jìn)行了初步的討論。