制冷剂与换热管径如何匹配？

    

翅片管换热器广泛应用于空调、热泵等领域，换热器的管径也越来越多样化。在房间空调器领域，制冷剂替代也是研究热点，从R22 到R410A，再到目前日本大规模推广的R32以及自然工质R290的开发。

不同制冷剂的物性不同，对应的最佳换热器结构参数也应不同，在空调器换热器设计时应予以考虑，但目前这方面的研究较少。本文研究了冷凝工况下的家用空调器室外换热器，计算分析了不同制冷剂的管内流动阻力损失及换热特性，在保证换热量为2000 W 的约束条件下，通过模拟计算得到不同制冷剂对应的最佳换热器管径。

1、 制冷剂管内流动压降特性

对于翅片管换热器，其性能的优劣主要体现为制冷剂侧阻力损失及换热器管内表面传热系数。在空调器中，换热器制冷剂侧流动阻力损失越大，压缩机的压比越大，功耗越大，导致系统能效降低。而不同制冷剂在管内流动时，其压降特性也不同，管内流动产生的阻力损失可用S． Koyama 等压降关联式进行计算，用单位管长压力损失衡量不同制冷剂在管内流动的压降特性。对于空调器系统制冷工况，当制冷量相同时，不同制冷剂对应的质量流量不同。根据实验情况，设定冷凝温度为42 ℃，R22、R410A、R32、R290 系统所对应的制冷剂质量流量分别为14. 2、14. 5、10. 0、7. 7 g /s。

以单位管长阻力损失为衡量标准，4 种制冷剂管内流动阻力损失随干度的变化如图1 所示。由图1 可知， 不同制冷剂在圆管内流动的压降特性差异较大，但制冷剂流动产生的阻力损失均随着干度的增加而增大，这是由于干度越大，制冷剂的比容越大，流速越快，使阻力损失增大。 故在翅片管换热器设计中通常采用改变通道数量的方式来降低阻力损失，即在制冷剂干度较大的区域增大分路数以降低流速。

由图1 可知，当管径为6 mm 和8 mm 时，不同制冷剂管内流动阻力损失特性不同， 阻力损失大小为R22＞R290＞R410A＞R32，R410A 的流动阻力损失略大于R32。

这是由于制冷剂管内流动阻力损失主要由制冷剂与管壁的摩擦引起，其大小由制冷剂的黏性系数决定。R22 阻力损失最大，故R22 制冷系统更适合使用大管径翅片管换热器，R290 次之，R410A 与R32 更适宜使用小管径换热器。从阻力损失变化率的角度分析，随着干度的增加，R22 制冷剂的管内流动阻力损失增加速率最快，即在R22 制冷系统蒸发器设计时，需提前增加通道数量以降低制冷剂侧的流动阻力。

 

2、制冷剂与换热器管径的匹配特性

对于空调器室外换热器冷凝换热工况，制冷剂在换热器内部流动时产生阻力损失，使冷凝压力降低，进而使冷凝温度降低，传热温差减小，不利于换热。且管径越小，制冷剂在换热器内部流动所产生阻力损失越大，但另一方面管径的减小可以提高制冷剂流速，增大表面传热系数，两者是相互制约的影响因素。

下图所示为当换热量为2 000 W 时，不同制冷剂管内阻力损失和沿程温降随管径的变化。 由图2可知，换热器管内的流动阻力损失和沿程温降均随着管径的减小而增大，流动阻力损失及沿程温降由大到小依次为R22、R290、R410A、R32。实际上，虽然换热器管径的减小导致传热温差降低，但同时表面传热系数增大，前者对换热不利，而后者对换热有利，二者达到最佳平衡时，换热器性能最优。 随着换热器管径的减小，沿程温降的增大使平均传热温差降低，但同时表面传热系数增大，如果后者无法抵消前者带来的负面影响，为满足换热量需求，冷凝器入口压力便会上升，导致压缩机压比增大，功耗上升。在实际系统中，满足换热量的前提下，冷凝器入口压力( 即压缩机排气压力) 越低，系统效率越高。因此，对4 种制冷剂在换热器中的换热过程进行模拟计算，保证换热量为2 000 W，根据计算结果，对比4 种制冷剂不同管径下的冷凝器入口压力，便可确定不同制冷剂对应的最佳换热器管径。

图2 不同制冷剂管内阻力损失和沿程温降与管径的关系

图3 所示为冷凝器入口压力对应饱和温度随换热器管径的变化。由图3 可知 随着换热器管径的增大，不同制冷剂对应的冷凝器入口压力先降低后增加。这是由于随着换热器管径的增大，阻力损失降低，沿程温降减小，但表面传热系数也降低; 在管径较小时前者带来的正面影响( 降低排气压力) 占主导作用，管径较大时表面传热系数降低带来的负面影响( 传热温差增大) 占主导作用，使冷凝器入口压力先降后增。 以冷凝器入口压力为衡量指标，各制冷剂对应的最佳换热器管径如表5 所示，R22 制冷剂更适合7 mm 管径换热器，而R32 与R410A 更适合小管径。

图3 入口压力对应饱和温度与管径的关系

 

3、总结

冷凝工况下，换热量为2 000 W 时，不同制冷剂对应的最佳换热器管径，得到如下结论:

1) R22 的管内流动阻力损失最大，其次是R290、R410A 及R32，其中R410A 的管内流动阻力损失略大于R32。

2) 通过模拟计算发现，维持换热器的换热量为2 000 W不变时，随着换热器管径的增大，不同制冷剂对应的冷凝器入口压力先降低后增加。以最低冷凝器入口压力为衡量标准，得出最适宜的换热器管径R22 为7. 0～7. 5 mm，R410A 与R32 为6. 0～6. 5 mm，R290 为6. 5～7. 0 mm。

版权声明：本文内容由制冷空调换热器联盟编辑整理，转载请注明来源。