室外机换热器翅片片型对空调性能的影响

 

在房间空调器的设计过程中，换热器设计一直是工程师的重要工作。在空调尺寸确定的情况下，换热器翅片类型设计对整机性能有很大的影响。         

 

     1 前言

在翅片结构设计中，国内外学者进行了部分研究工作包括：波纹翅片管换热器的优化仿真、和模型用于翅片管式蒸发器的仿真对比、管片式换热器三角形波纹翅片侧流动与传热性能研究等，但是行业少有小管径换热器的不同翅片性能实验测试对比，以及低温制热结霜相关研究。

在空调使用的翅片管式换热器中，管内侧液体是强迫对流换热的制冷剂，管外侧是空气，此时管外空气侧的对流换热表面传热系数ɑ _o 比管内制冷剂侧表面传热系数ɑ _i 小得多。换热器总传热系数K的大小仅仅取决于管内和管外侧对流换热热阻1/ɑ _i 和（ɑ _o βη _o ）的大小，增加翅片减小总热阻最合理的措施是：

为了满足公式要求而尽可能增大翅化比β，不但要使换热器体积不断增大，而且翅片总效率（表面效率）η _o 、管外表面传热系数ɑ _o 也将降低。由此可见，提高翅化比β是有限度的。因此，分析平翅片表面的流动和换热特征，采用特殊表面结构使表面传热系数ɑ _o 增大，将是翅片管式换热器强化换热中最有效的措施。

本文以一台1P家用热泵空调器作为研究对象，对于三种不同翅片的外机换热器进行制冷、制热各种工况下的实验测试，分析翅片结构对换热的影响。

  1  研究对象及流路设计

本文研究的空调器采用制冷剂R32，室内机相同配置：双排D7开窗片换热器，流路设计为一进两出，室外机的换热器规格参数见表1，流路设计为两进一出一路过冷，流路示意图见图1。

 

    2  整机性能实验研究

2.1实验室概况          

样机实验测试是在家用电器研究院设计的标准焓差实验室进行，按照国标《房间空气调节器》的测试要求，结合《房间空气调节器能效限定值及能效等级》的评价标准进行测试，测试用实验室参数：

（1）制冷制热量测量范围

制冷量范围：1000～6400W；

制热量范围：800～8000W。

（2）温湿度测量范围及精度

室内侧干球温度和相对湿度测量范围：0～50℃±0.1℃，40%～90%RH；

室外侧干球温度和相对湿度测量范围：-15～60℃±0.1℃，15%～90%RH。

（3）风量测量范围及精度

风量范围：180～1600m ³ /h，精度为±1%。

（4）实验室温度传感器型号PT100，温度测量范围-300℃～850℃，精度0.03℃。

（5）实验温度点测试使用的热电偶型号是T型（铜-铜镍），测量温度的范围是-270℃～350℃，测试数据读取精度是1℃。

（6）实验室测量控制方式：PLC与计算以及通讯联合控制、数据与计算以及通讯自动采集数据系统。

实验测试工况条件见表2。

2.2 制冷性能测试研究        

空调器额定制冷运行结果见表3，从表3的数据可以看出，通过调整压缩机的运行频率，使得三种翅片结构的整机制冷量相当，波纹片换热器的功率较平片降低了98W，桥片换热器的功率较平片降低了119W，额定制冷能效EER波纹片和桥片较平片分别提升11.5%和14%；桥片换热器的排气温度和冷出温度是三种翅片结构最低的，证明在室内机和室外机尺寸相同、外机转速一样的条件下，桥式换热器额定制冷工况运行时换热系数最高。

由空气侧的换热公式Q=K*A*ΔT，空气流经桥片时，由于翅片特殊的桥式结构，破坏了边界层，引起气流的强烈扰动，桥片的换热系数更高，换热量更大。

空调器中间制冷运行结果见表4，从表4的数据可以看出，在中间制冷量相当的条件下，波纹片换热器的功率较平片降低了17W，桥片换热器的功率较平片降低了24W，中间制冷能效分别提升8%和11.8%；由于中间制冷在季节能效计算所占比重更高，波纹片换热器的综合能效系数SEER比平片高出，桥片比平片高出0.264，桥片的使用大大提高了产品能效标称值和节能水平。

2.3制热性能测试研究        

空调器额定制热运行结果见表5，从表5的数据可以看出，三种片型换热器制热量相当的条件下，波纹片换热器的功率较平片降低了42W，桥片换热器的功率较平片降低了59W，额定制热能效COP波纹片较平片提升5.6%，桥片较平片提升8.7%；桥片换热器的回气温度和蒸发温度最高，证明在室内机和室外机尺寸相同、外机转速 一样的条件下，桥式换热器额定制热工况运行时表面温度更高，换热效率高。

空调器低温制热运行结果见表6，从表6的数据可以看出，在低温工况运行时，空调器相同的控制模式下，波纹片换热器比平片换热器制热量增加67W，功率相当，能效COP增加，0.08，桥片换热器比平片换热器制热量降低121W，功率升高28W，能效COP降低0.19 ；桥片换热器的回气温度以及蒸发温度最低，制热周期变短而化霜时间加长。通过实验室现场监控显示桥片换热器结霜速度最快，并且在进入化霜前霜层厚度较厚。

   3 结论

（1）空调器在制冷以及制热运行（稳定运行不结霜工况）时， 达到相同的制冷量和制热量条件下，桥片换热器压缩机运行频率最低、换热效果最好、能效最高，波纹片次之，平片最差。这是由于桥片换热器和波纹片换热器比平片换热器对空气流场扰动更强烈，换热效率更高的原因。

（2）在低温制热运行时（不稳定运行结霜工况），由于外机换热器表面温度较低，桥片换热器风阻更大，结霜速度较快，并且化霜时排水较困难，容易造成水汽附着，低温制热性能最差；波纹片综合性能最好，换热效率较高。

（3）换热器翅片的型式选择应该综合考虑其换热效率和使用场景，尤其是在高湿度地区，重点考虑超亲水涂层、波纹式等翅片型式，降低水汽附着，充分考虑结霜速度和除霜容易程度。

（4）对于超亲水以及超疏水涂层的研究还需要加大力度，重点是制造工艺的实现。针对于波纹片的结构优化以及新型翅片结构研究是下一步换热器研究的重要方向。

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