应用小管径的高效制冷空调装置开发技术

    今天分享丁国良理事长一篇旧文，希望带给大家启发和意义 。

一、小管径问题概述

1、小管径思路的提出

“铜管-铝翅片”的翅片管式换热器是最常用的制冷剂—空气热交换器。小管径提出的直接原因是减少铜材料的消耗，降低成本。

2、小管径的好处

• 降低生产成本：管子细了，还可以更薄

• 提高传热效率：制冷剂可以更好与管子换热

• 减小空调器的体积

• 降低制冷剂充注量

3、应用小管径需要解决的主要问题

（1）制造技术问题

• 细径薄壁管子的制造

• 防止胀管收缩

• 薄壁细管的胀接焊

（2）设计技术问题

• 如何选管子：没有管内传热与压降特性的关联式了；

• 如何设计翅片：没有为细管配套的翅片，没有计算翅片侧空气传热与压降特性的成果；

• 如何设计换热器：5mm管直接替代7mm管产生4倍压降；

• 如何设计整机：同时考虑管子、翅片、流路的变动。

二、管内制冷剂传热与流动特性

1、管内制冷剂换热与流动工作概述

（1）目标

• 了解小管径内实际制冷剂—油混合物的换热与流动特性

• 建立相应关联式

（2）蒸发工况

• 建立制冷剂—油混合物蒸发换热与流动实验台

• 进行不同工况参数下的蒸发实验：管子尺寸、制冷剂—油混合物质流密度、油浓度、热流密度

• 开发关联式

（3）冷凝工况

• 建立制冷剂-油混合物冷凝换热与流动实验台

• 进行不同工况参数下的蒸发实验：管子尺寸、制冷剂—油混合物质流密度、油浓度、热流密度

• 开发关联式

2、蒸发换热实验台

实验台照片

（1）5mm强化管内的蒸发换热—对比7mm管

5mm强化管内的换热系数比7mm强化管的换热增大0%~100%

（2）5mm强化管内的蒸发压降—对比7mm管

5mm强化管内的摩擦压降比7mm强化管的摩擦压降增大10%~30%

3、冷凝换热实验台

实验台照片

（1）5mm强化管内的冷凝换热

干度对换热系数的影响：  

• 纯制冷剂R410A和1%油浓度，R410A—油混合物的换热系数随干度的减小而减小；

• 3%和5%油浓度，换热系数随着干度的下降先增大，在干度0.7左右达到峰值，然后随着干度的下降而下降。

（2）5mm强化管内的冷凝压降

三、翅片侧传热流动模拟与翅片设计

1、适应小管径的翅片开发问题概述

（1）直接的问题

• 翅片间距必须小到一定程度—强化结构风阻加大

• 不能照搬国外产品—几乎没有现成产品，不想多开翅片模，想用现成的大部分产品模具

（2）技术上的短缺

• 缺针对小管径翅片的设计方法

• 缺可以针对翅片析湿过程模拟的CFD软件

• 缺少小管径翅片的实验测试与关联式

（3）开展的工作

• 提出小管径翅片设计的一般原则

• 开发可以模拟复杂结构翅片析湿过程的模拟软件

• 进行小管径翅片的实验测试与关联式开发

2、 一些现有翅片的问题分析

（1）翅片高宽比的优化

（2）翅片开缝结构的选择

开缝类型选取目标：

• 换热好

• 空气侧压降小

百叶窗式开缝特点：

• 切断散热带上空气侧边界层的发展、提高换热性能

• 缺点是空气侧压降较大 

桥式开缝特点：

• 相比窗片，其换热性能略低

• 空气侧压降较小

确定开缝尺寸：

• 采用CFD模拟

• 干工况可以用商业软件，湿工况得二次开发

（3）翅片表面析湿过程的模拟

空调器析湿过程的物理模型

模型计算结果—亲水强化翅片

对于亲水强化翅片，冷凝水形成过程与平翅片不同。冷凝水更容易在强化结构处（例如波纹、开缝和百叶窗）形成，并沿重力方向流出翅片表面。

（4）翅片表面析湿模型的实验验证

可视化验证结果

析湿过程传热传质 j 因子的验证结果

结论：

• 对于传质因子 j _m ，平均误差为17.3%；89%的误差在±25%以内；

• 对于传热因子 j _h ，平均误差为11.8%；94%的误差在±20%以内。

（5）窗片开缝的一般原则

（6）桥片开缝的一般原则

开缝高度的确定：5mm管换热器的翅片间距范围是1.1~1.4 mm。为避免缝高与翅片间距离过小，析湿工况下冷凝水堵塞，推荐缝高为0.6mm。

四、换热器热力性能模拟与优化设计

换热器优化设计思路

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 蒸发器结构和工况参数输入

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 5mm管直接代替

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 3Path管路连接优化

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 3Path管路连接小结

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 4Path管路连接优化

实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计： 4Path管路连接小结

五、整机热力性能模拟与优化设计

优化设计思路

一拖一的空调器仿真—输入界面

一拖一的空调器仿真—输出界面

一拖多的空调器仿真—输入界面

部件参数输入—室内机

一拖多的空调器仿真输出—表格

一拖多的空调器仿真输出—图形

六、降噪与长效

翅片气动噪声—计算结果

风机气动噪声

分体空调室内机噪声

翅片管换热器积灰

实验1：管排数2、 FP 为1.3mm 百叶窗片 换热器积灰过程

实验2：管排数2、 FP 为1.5mm 波纹片 换热器积灰过程

翅片管换热器表面积灰模拟

各子模型的确定

模拟结果的验证

颗粒物沉积厚度对比

七、结论

• 小管径可以大大节省铜材料，降低生产成本；

• 小管径铜管内的换热和压降特性与大管径管不尽相同，直接将换热器中的换热管替换成小管径换热管会增加压降损失；

• 用小管径代替大管径时，应适当增加制冷剂流路的分路数；

• 小管径的翅片结构与大管径的翅片也不同，需要专门设计；

• 精准设计小管径换热器，需要开发析湿模拟软件、换热器三维分布参数仿真与优化设计软件、制冷空调装置整机仿真软件；

• 未来小管径制冷空调装置的开发，还应当关注噪音的降低与长效性能的提高。