楊濤

四川長(zhǎng)虹空調(diào)有限公司 四川綿陽(yáng) 621000

1 引言

制冷系統(tǒng)換熱器的設(shè)計(jì)是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一，其中不僅包括確定合理的換熱面積，也包括確定合適的冷媒流路。在換熱面積一定的情況下，好的流路設(shè)計(jì)可以通過(guò)控制冷媒流速和阻力損失，在對(duì)流換熱系數(shù)和平均換熱溫差間找到最優(yōu)點(diǎn)，使空調(diào)器在換熱量和能效比之間得到最佳平衡，從而使換熱器的效率和經(jīng)濟(jì)性都得到有效發(fā)揮。

2 換熱器傳熱分析

以制冷蒸發(fā)為例，換熱器傳熱計(jì)算式：

式中：φ——制冷量；

A——蒸發(fā)器換熱面積；

K——換熱系數(shù)；

Δt——平均換熱溫差=tw-to，其中tw是換熱管壁面溫度，為簡(jiǎn)化分析設(shè)定不變；to是平均蒸發(fā)溫度。

工程運(yùn)用中,在確定了換熱器換熱面積A后，換熱器的換熱量φ就主要與換熱系數(shù)K以及平均換熱溫差Δt相關(guān)。在這里，我們可以把φ=A·K·Δt看作是一次函數(shù)，如圖1所示。

φ是K·Δt的函數(shù)；A是常量，也是一次函數(shù)的斜率?？梢?jiàn)，在A確定后，函數(shù)φ的大小由K·Δt確定。也就是說(shuō)，K·Δt作為變量，需要通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、匹配來(lái)使二者的乘值最優(yōu)，并同時(shí)兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為此我們需對(duì)K和Δt分別進(jìn)行分析，找到它們各自的影響因素、強(qiáng)化措施，以及二者間的相互聯(lián)系。

2.1 換熱系數(shù)K的影響因素和強(qiáng)化措施

對(duì)于空調(diào)換熱器來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱和對(duì)流換熱是最主要的換熱方式。其中，導(dǎo)熱系數(shù)主要由換熱器本身使用材料的物理性質(zhì)、形狀和厚度等因素決定，因此強(qiáng)化措施主要是選用導(dǎo)熱性能良好的材料作傳熱間壁，并盡可能減薄間壁厚度，避免或減輕雜質(zhì)污垢積聚起到的負(fù)作用。對(duì)流換熱主要受流體物性、流動(dòng)狀態(tài)、溫度條件、換熱面幾何特性等多種因素影響，從這些影響因素的本質(zhì)出發(fā)，強(qiáng)化對(duì)流換熱主要采用人工方法，增大對(duì)流體的擾動(dòng)度，盡可能改變邊界層結(jié)構(gòu)狀況，減小邊界層特別是流底層的厚度，以降低對(duì)流熱阻，增大對(duì)流換熱系數(shù)。

可見(jiàn)，換熱器材料、面積和冷媒性狀確定的空調(diào)系統(tǒng)的換熱系數(shù)K主要受對(duì)流換熱強(qiáng)度決定，若忽略對(duì)流換熱中溫度變化對(duì)冷媒熱物性及換熱系數(shù)的影響，對(duì)流換熱系數(shù)又主要由流動(dòng)狀態(tài)決定。

因此，在已知一些主要因素和忽略一些次要因素后，影響空調(diào)換熱器換熱系數(shù)最關(guān)鍵的因素就是流體的流動(dòng)狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化分析，這里我們只對(duì)可控的冷媒的流動(dòng)狀態(tài)作進(jìn)一步分析。研究表明[2]，冷媒的流動(dòng)狀態(tài)主要指其邊界層厚度、紊流程度以及流動(dòng)速度。其中，減小冷媒的邊界層厚度、增大紊流程度，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)的有效措施，主要是采用新型高效齒型（如瘦高齒、交叉齒等）的內(nèi)螺紋銅管。此措施已在家用高能效空調(diào)領(lǐng)域中得到了非常廣泛的運(yùn)用。

綜上，對(duì)于一個(gè)已確定的換熱器，其對(duì)流換熱系數(shù)K就和流動(dòng)速度這一變量直接相關(guān)。而且我們知道冷媒流速越大，其管內(nèi)沸騰放熱系數(shù)就越高，可見(jiàn)冷媒流速越高，換熱系數(shù)越大，在換熱器面積A和平均換熱溫差Δt一定的情況下，可使換熱量得到提高。

圖1 換熱量與換熱系數(shù)和平均換熱溫差之積的函數(shù)關(guān)系示意圖

圖2 焓示意圖

2.2 冷媒流速對(duì)平均換熱溫差Δt的影響和分析

在空調(diào)換熱器的實(shí)際換熱過(guò)程中，冷媒和換熱介質(zhì)的溫度并不是恒定的。在這里，僅以空氣為換熱介質(zhì)的研究對(duì)象，由于空氣溫度，特別是開(kāi)放空間的空氣溫度的變化受多種因素影響，且完全不受人為控制。因此根據(jù)簡(jiǎn)化分析需要，空氣側(cè)的溫度變化不作考慮。

根據(jù)熱力學(xué)理論可知，無(wú)論是冷媒高壓冷凝過(guò)程還是低壓蒸發(fā)過(guò)程中，實(shí)際換熱時(shí)，冷媒與換熱器管壁之間都存在不可避免的摩擦和自身渦流，這導(dǎo)致在冷凝和蒸發(fā)過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生壓力降低，并導(dǎo)致溫度降低，所以冷媒在實(shí)際蒸發(fā)和冷凝換熱過(guò)程中均不是定壓過(guò)程。根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器的不同型式，其飽和壓力、飽和溫度均有不同程度的降低。

再回到換熱器傳熱計(jì)算公式：φ=A·K·Δt。理論上，一方面，在換熱量φ和換熱面積A不變的情況下，K·Δt也不變，所以冷媒流速越高，換熱系數(shù)K越大，對(duì)應(yīng)的Δt就越小，這就提高了冷媒平均蒸發(fā)溫度，改善了空調(diào)器的能效指標(biāo)。如圖2所示，保持吸氣狀態(tài)1不變(蒸發(fā)過(guò)程，單位質(zhì)量的冷媒制冷量不變)。

但在另一方面，冷媒流速越高，其流動(dòng)阻力越大，亦即降低了蒸發(fā)器出口壓力，同樣也相應(yīng)的降低了蒸發(fā)器出口溫度，而冷媒平均蒸發(fā)溫度的降低，使單位質(zhì)量冷媒制冷量降低且功耗增加，從而惡化了空調(diào)器的能效指標(biāo)。如圖3所示，保持節(jié)流后冷媒狀態(tài)不變(蒸發(fā)過(guò)程，單位質(zhì)量的冷媒制冷量下降)。

綜上所述，由于冷媒流速的增加，傳熱和流動(dòng)阻力兩個(gè)因素對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)平均蒸發(fā)溫度帶來(lái)相反的影響，因此必然存在一個(gè)相對(duì)最佳的質(zhì)量流速，使得K·Δt值最大，即壓縮機(jī)處于最有利的工作條件。

而實(shí)際的情況中，冷媒以及換熱器對(duì)流速的影響因素非常多，想通過(guò)理論公式求解最佳質(zhì)量流速是相當(dāng)復(fù)雜的，而且準(zhǔn)確度也比較低，總之對(duì)系統(tǒng)實(shí)際匹配的指導(dǎo)意義并不是太大。

因此，在各種系統(tǒng)匹配中，要控制到較為理想的冷媒流速，使整個(gè)換熱系統(tǒng)發(fā)揮出相對(duì)理想的效率，還必須從系統(tǒng)的換熱特點(diǎn)入手分析，而且對(duì)于目前占主流的熱泵空調(diào)，內(nèi)外換熱器在空調(diào)制冷、制熱時(shí)要輪換做蒸發(fā)器和冷凝器使用，因此在冷媒流速匹配時(shí)，還需兼顧二者的平衡。

3 換熱器壓降分析、測(cè)試

在熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，室內(nèi)外換熱器不是做蒸發(fā)器就是做冷凝器，冷媒在其中也對(duì)應(yīng)著蒸發(fā)和冷凝換熱，實(shí)際上冷媒在蒸發(fā)器和冷凝器中的換熱特點(diǎn)決定了其壓降的不同，蒸發(fā)過(guò)程是冷媒在相對(duì)低壓液態(tài)下的吸熱氣化過(guò)程，其氣化比容大，質(zhì)量流速也大。冷凝過(guò)程是冷媒在相對(duì)高壓氣態(tài)下的放熱冷凝過(guò)程，其氣化比容小，質(zhì)量流速也小。因此，與換熱器作為蒸發(fā)器的用途相比，同樣的長(zhǎng)度，流程阻力損失更大；作為冷凝器用途來(lái)說(shuō)，同樣的長(zhǎng)度，流程阻力損失更小。

所以理論上講，當(dāng)換熱器作為冷凝器時(shí)，適當(dāng)減少冷媒流路（相當(dāng)于減小冷媒流通面積），可以使冷媒在壓降不大的前提下，提高流速和換熱系數(shù)，可以使冷媒的絕對(duì)換熱量提高，形成更大的過(guò)冷度，從而有效降低冷媒節(jié)流后的干度，減少冷量損失，提高換熱效率；換熱器作為蒸發(fā)器時(shí)，適當(dāng)增加冷媒流路（相當(dāng)于增加冷媒流通面積），可以降低冷媒流速，減小壓力損失造成的影響。當(dāng)熱泵空調(diào)換熱器在制冷、制熱切換時(shí)，其換熱器也會(huì)在蒸發(fā)器和冷凝器間切換，因此在系統(tǒng)冷媒流路設(shè)計(jì)與匹配時(shí)，必須考慮兩種情況下的換熱效果，流路設(shè)計(jì)必須兼顧制冷、制熱，選擇一個(gè)折中的流路，從而達(dá)到一個(gè)相對(duì)理想的平衡。

為得到進(jìn)一步的數(shù)據(jù)支撐，我們選擇了一款較為典型的家用空調(diào)室外機(jī)換熱器（共有24根大U管）來(lái)進(jìn)行研究和測(cè)試。并且為了方便對(duì)不同流路進(jìn)行實(shí)測(cè)效果對(duì)比，我們?yōu)槠淦ヅ淞讼嗤膬?nèi)機(jī)和相同的冷媒充注量。同時(shí)，為了測(cè)試壓力損失情況，我們?cè)趽Q熱器的兩端還分別外接了壓力傳感器以進(jìn)行壓力測(cè)試和計(jì)算。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：

（1）制冷時(shí)，兩流路制冷能力及能效最好，壓差最大；四流路制冷能力及能效最差，壓差最??；三流路介于二者之間；

（2）制熱時(shí)，四流路制熱能力及能效最好，壓差最??；兩流路制熱能力及能效最差，壓差最大；三流路介于二者之間；

（3）從制冷、制熱換熱器壓差數(shù)據(jù)對(duì)比，換熱器做蒸發(fā)器時(shí)壓力損失比做冷凝器時(shí)大得多；

（4）換熱器做冷凝器時(shí)，壓力損失對(duì)能力、能效的影響比做蒸發(fā)器時(shí)影響小，這是因?yàn)檎舭l(fā)器流路過(guò)少會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)溫度過(guò)低，產(chǎn)生的過(guò)量冷凝水會(huì)超過(guò)其排水能力，使換熱阻力增加，換熱量降低。

另外，在調(diào)試不同流路系統(tǒng)的過(guò)程中，也進(jìn)一步驗(yàn)證了冷媒流速和換熱器壓力損失的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。

從表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)減冷媒或加長(zhǎng)毛細(xì)管時(shí)，換熱器內(nèi)冷媒質(zhì)量流速減小，壓力損失減小；

（2）當(dāng)加冷媒或減短毛細(xì)管時(shí)，換熱器內(nèi)冷媒質(zhì)量流速增大，壓力損失減大；

（3）加冷媒時(shí)，換熱器入口和出口壓力均升高，其中入口壓力升幅更大，因此總的壓力損失增大。減冷媒時(shí)以上壓力變化剛好相反。

（4）加長(zhǎng)毛細(xì)管時(shí)，蒸發(fā)器入口和出口壓力均降低，其中入口壓力降幅更大，因此總的壓力損失減??；冷凝器入口和出口壓力均升高，其中出口壓力升幅更大，因此總的壓力損失減小。減短毛細(xì)管時(shí)以上壓力變化剛好相反。

表1 不同流路方案的性能測(cè)試結(jié)果

表2 換熱器壓力損失測(cè)試結(jié)果

圖3 焓示意圖

4 結(jié)論

綜上，現(xiàn)有的單冷空調(diào)由于換熱器功能固定不變，可以在流路設(shè)計(jì)上根據(jù)蒸發(fā)器和冷凝器各自的換熱和冷媒壓降特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，比如蒸發(fā)器可以適當(dāng)增加冷媒流路，減小壓力損失，冷凝器可以適當(dāng)減少冷媒流路，增加換熱系數(shù)，從而在整體上提高空調(diào)效率；但熱泵空調(diào)在換熱器流路設(shè)計(jì)和實(shí)際的系統(tǒng)匹配中，根據(jù)空調(diào)能力大小、換熱器大小和冷媒物性，需要在制冷、制熱之間找到一個(gè)好的平衡點(diǎn)，不能顧此失彼。過(guò)分追求制冷或者制熱效果，反而會(huì)使空調(diào)器的整體效率降低。