微通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用研究

汪年結(jié)，王穎，李峰，汪峰，葛方根，徐博，陳江平

（1-四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司，四川綿陽(yáng) 621000；2-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

微通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用研究

汪年結(jié)*1，王穎3，李峰1，汪峰2，葛方根2，徐博3，陳江平3

（1-四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司，四川綿陽(yáng) 621000；2-浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司，浙江杭州 310051；3-上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

微通道換熱器的應(yīng)用日益普遍。本文通過(guò)將微通道換熱器引入3 HP柜式家用空調(diào)，并對(duì)其性能和充注量等與原機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)微通道在家用空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。從結(jié)果可以看出：當(dāng)只更換室內(nèi)換熱器時(shí)，系統(tǒng)的充注量由原來(lái)的2200 g降到1850 g左右；與原機(jī)相比，制冷時(shí)系統(tǒng)的制冷量略降低1%、COP提高2.2%；制熱時(shí)系統(tǒng)的制熱量比原機(jī)提高3.9%、系統(tǒng)COP則提高了11.2%。當(dāng)將室內(nèi)外的管片式換熱器都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量由原來(lái)的2200 g降到1000 g左右；與原機(jī)相比，制冷量提高0.8%，系統(tǒng)COP則提高5.2%。

空調(diào)系統(tǒng)；充注量；制冷量；COP

0 引言

微通道換熱器與傳統(tǒng)管翅式換熱器相比，具有重量輕，體積小，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊奏等優(yōu)點(diǎn)。這也使得其廣泛的應(yīng)用于車(chē)用空調(diào)領(lǐng)域。但是其在家用空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用并不普遍。近年來(lái)，由于微通道換熱器的成本和性能優(yōu)勢(shì)的凸顯，其在家用空調(diào)的應(yīng)用研究也更加受到關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外很多的企業(yè)和高校都在對(duì)微通道在家用空調(diào)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。上海交通大學(xué)陳芝久團(tuán)隊(duì)[1]對(duì)微通道換熱器用于家用空調(diào)的可行性進(jìn)行了理論分析。嚴(yán)瑞東等[2]對(duì)微通道換熱器在家用空調(diào)使用時(shí)的分液?jiǎn)栴}進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)分液造成的溫度分布不均對(duì)系統(tǒng)性能的影響可達(dá)7.3%。李峰等[3]則對(duì)微通道換熱器對(duì)家用空調(diào)的充注量影響進(jìn)行了研究，研究表明，通過(guò)改進(jìn)，對(duì)相同的迎風(fēng)面積，新型微通道樣件的內(nèi)容積比傳統(tǒng)微通道樣件內(nèi)容積降低了71%，系統(tǒng)充注量降低28.3%，在降充注方面優(yōu)勢(shì)明顯。志高公司的金聽(tīng)祥等[4]利用Devenport[5]的空氣側(cè)傳熱關(guān)聯(lián)式，分析了微通道換熱器翅片各個(gè)參數(shù)對(duì)空氣側(cè)換熱系數(shù)的影響。徐博等[6]則對(duì)微通道的結(jié)霜問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明排水較差的微通道樣件在5個(gè)運(yùn)行周期后，性能下降27%。

文章通過(guò)將微通道換熱器引入3 HP柜式家用空調(diào)，并對(duì)其性能進(jìn)行了檢測(cè)。與原機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，分析了其系統(tǒng)性能、風(fēng)量及充注量等關(guān)鍵參數(shù)，指出了后續(xù)的優(yōu)化方向。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣件

1.1 換熱器樣件

文中的實(shí)驗(yàn)用微通道換熱器由百葉窗翅片和微通道扁管組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，與之相匹配的，采用內(nèi)插管的分液方式。實(shí)驗(yàn)所用3HP柜機(jī)空調(diào)機(jī)組則為長(zhǎng)虹 KFR-72LW/DHR(W2-G)+2。根據(jù)機(jī)組尺寸，實(shí)驗(yàn)分別準(zhǔn)備了室內(nèi)和室外兩個(gè)由鋁合金材料制作的微通道樣件，用于替換原樣機(jī)的管片式蒸發(fā)器和冷凝器，其由內(nèi)螺紋銅管和親水鋁箔組成。微通道樣件及原機(jī)樣件尺寸見(jiàn)表1。

圖1 百葉窗翅片微通道換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 實(shí)驗(yàn)樣件的結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖2所示，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725的要求，實(shí)驗(yàn)空調(diào)在焓差臺(tái)中進(jìn)行。焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括蒸發(fā)器室和冷凝器室兩個(gè)房間，每個(gè)房間都有一套空調(diào)機(jī)組，用于控制房間的空氣狀態(tài)。蒸發(fā)器室內(nèi)的風(fēng)洞可測(cè)試風(fēng)量和出口焓值，用于計(jì)算被測(cè)空調(diào)的制冷能力。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各個(gè)被測(cè)參數(shù)的測(cè)試精度如表 2所示。

圖2 焓差法實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)各參數(shù)及測(cè)試精度

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及工況

實(shí)驗(yàn)先對(duì)原機(jī)的性能進(jìn)行了測(cè)試，然后將室內(nèi)換熱器更換為微通道換熱器，在制冷制熱兩個(gè)工況下進(jìn)行了測(cè)試，并與原機(jī)對(duì)比了制冷量、功耗、COP和風(fēng)量等參數(shù)。再將室內(nèi)外換熱器全部更換為微通道換熱器，對(duì)其在不同制冷劑充注量的情況下進(jìn)行了測(cè)試，由于微通道換熱器在熱泵工況下存在結(jié)霜等問(wèn)題，因此，實(shí)驗(yàn)只研究系統(tǒng)在制冷工況下的性能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7705-2004，實(shí)驗(yàn)制冷工況如表3所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)首先將室內(nèi)換熱器更換為微通道換熱器，根據(jù)結(jié)果，跟換室內(nèi)蒸發(fā)器后，系統(tǒng)R22制冷劑的充注量從2200 g降到1850 g，降低了15.9%。圖3至圖 6則顯示了在制冷/制熱工況下，系統(tǒng)的換熱量、功耗、COP及通風(fēng)量與原機(jī)的對(duì)比情況。

圖3 新系統(tǒng)與原機(jī)的換熱量對(duì)比圖

圖4 新系統(tǒng)與原機(jī)的功耗對(duì)比圖

圖5 新系統(tǒng)與原機(jī)的COP對(duì)比圖

圖6 新系統(tǒng)與原機(jī)的通風(fēng)量對(duì)比圖

由圖3可以看出，只更換室內(nèi)換熱器的新系統(tǒng)與原機(jī)相比，制冷時(shí)，換熱量相差不大，新系統(tǒng)比原機(jī)降低了1.0%，功耗則降低了3.1%，COP與原機(jī)相比則提高了2.2%；制熱時(shí)，新系統(tǒng)的制熱量比原機(jī)提高3.9%，功耗降低了6.6%，系統(tǒng)COP則提高了11.2%。這主要是由于微通道換熱器與原機(jī)的管片式換熱器相比，其結(jié)構(gòu)更加緊湊，在換熱面積增大的同時(shí)，其內(nèi)容積更小。因此，將室內(nèi)管片式換熱器更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量減小。制冷時(shí)，受到微通道換熱器的排水問(wèn)題的影響，新系統(tǒng)的性能較原機(jī)相比，性能略微下降，但其由于新系統(tǒng)的流量與原機(jī)相比更小，其系統(tǒng)功耗更小，因此，新系統(tǒng)整體COP較原機(jī)提高。制熱時(shí)，微通道換熱器作為冷凝器，不存在排水問(wèn)題，其換熱面積更大的優(yōu)勢(shì)更為明顯。新系統(tǒng)制熱量比原機(jī)提高的同時(shí)，其系統(tǒng)功耗由于流量減小而同樣減小，因此，新系統(tǒng)的性能較原機(jī)有較大提升。

同時(shí)，從圖6中可以看出，制冷時(shí)，新系統(tǒng)的通風(fēng)量比原機(jī)少18 m3/h,同時(shí)實(shí)驗(yàn)可觀察到微通道蒸發(fā)器表面并無(wú)冷凝水集聚，制熱時(shí)，新系統(tǒng)的通風(fēng)量則比原機(jī)少了35 m3/h。

圖7～圖9則顯示了在上述制冷工況下，室內(nèi)及室外換熱器全部更換為微通道換熱器后的系統(tǒng)的制冷能力、耗電量及 COP在不同充注量情況下的對(duì)比圖。

由圖7～圖9可以看出，充注量從950 g增加到1000 g時(shí)，系統(tǒng)制冷量提高1.8%，功耗增加1.1%，系統(tǒng)COP提高0.7%，充注量從1000 g增加到1050 g時(shí)，系統(tǒng)制冷量無(wú)明顯變化，功耗則增加6.5%，系統(tǒng)COP降低了6.4%。

這主要是由于隨著制冷劑的增加，系統(tǒng)流量增加，系統(tǒng)制冷量和功耗都會(huì)相應(yīng)增加。當(dāng)制冷劑不足時(shí)，制冷量的提升高于系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)的 COP提高；當(dāng)制冷劑偏多時(shí)，制冷量提升則并不明顯，功耗則會(huì)增加，系統(tǒng)COP下降。

分析可得出，當(dāng)室內(nèi)室外都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的最佳充注量從原來(lái)的 2200 g降低到1000 g，降低54.5%。當(dāng)充注量為1000 g時(shí)，通過(guò)與圖3～圖5中所示原機(jī)性能相比，使用全微通道換熱器的系統(tǒng)制冷量提高0.8%，功耗下降4.1%，系統(tǒng)COP則提高5.2%。

圖7 制冷量隨不同充注量的變化曲線

圖8 功耗隨不同充注量的變化曲線

圖9 COP隨不同充注量的變化曲線

4 結(jié)論

文章通過(guò)將微通道換熱器應(yīng)用在 3 HP空調(diào)柜機(jī)，并對(duì)其在不同充注量情況下的性能進(jìn)行了檢測(cè)，并與原機(jī)進(jìn)行了對(duì)比。從結(jié)果可以看出以下兩點(diǎn)。

1) 使用微通道換熱器可以有效降低系統(tǒng)充注量：當(dāng)只更換室內(nèi)換熱器時(shí)，系統(tǒng)的充注量由原來(lái)的2200 g降到1850 g左右，降低15.9%；當(dāng)將室內(nèi)外的管片式換熱器都更換為微通道換熱器后，系統(tǒng)的充注量由原來(lái)的2200 g降到1000 g左右，降低大約54.5%。

2) 將室內(nèi)側(cè)換熱器更換為微通道換熱器后，制冷時(shí)，系統(tǒng)的制冷量略有變化，但相差不大，系統(tǒng)功耗則降低3.3%，COP提高2.2%；制熱時(shí)，系統(tǒng)的制熱量比原機(jī)提高3.9%，功耗降低了6.6%，系統(tǒng)COP則提高了11.2%。當(dāng)室內(nèi)外換熱器全部更換為微通道換熱器后，在1000 g的最優(yōu)充注量下：制冷量提高0.8%，功耗下降4.1%，系統(tǒng)COP則提高5.2%。

綜上所述，微通道換熱器應(yīng)用于家用空調(diào)仍具有較大優(yōu)勢(shì)。更進(jìn)一步，新的帶有微通道換熱的系統(tǒng)性能仍有優(yōu)化提高的空間：通過(guò)對(duì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)及翅片參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，可有效提高系統(tǒng)性能；對(duì)分液結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器的均勻性，也可使系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高。

[1]陳芝久, 陳江平, 劉敬輝. 平行流換熱器用于家用空調(diào)的可行性分析[C]// 上海市制冷學(xué)會(huì) 2003年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集. 上海, 2003: 307-309.

[2]嚴(yán)瑞東, 徐博, 陳江平. 微通道換熱器兩項(xiàng)分配特性對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的研究[J]. 制冷學(xué)報(bào), 2013(3): 20-24.

[3]李峰, 覃興文, 汪年結(jié). 新型微通道換熱器在家用空調(diào)中的實(shí)驗(yàn)研究[C]// 2012年中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì)論文集. 北京, 2012: 314-317.

[4]金聽(tīng)祥, 成劍, 林崐, 等. 平行流換熱器換熱性能影響因素的分析[J]. 家電科技, 2009(1): 49-50.

[5]DEVENPORT C J. Correlation for heat transfer and flow fiction characteristics of louvered fin[J]. AICHE Symposium Ser. 225, 1983, 79(25): 19-27.

[6]XU B, HAN Q, CHEN J P, et al. Experimental investigation of frost and defrost performance of microchannel heat exchangers foe heat pump systems[J]. Applied Energy, 2013(103): 180-188.

Research on application of Microchannel Heat Exchanger in Domestic Air Conditioning System

WANG Nian-jie*1, WANG Ying3, LI Feng1, WANG Feng2, GE Fang-gen2, XU Bo3, CHEN Jiang-ping3
(1-Sichuan Changhong Electric Appliance Co., Ltd, Mianyang, Sichuan 621100, China; 2-Zhejiang Dunan Artificial Environment Co., Ltd, Hangzhou, Zhejiang 310051, China; 3-School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The application of microchannel heat exchanger is becoming more widely. The application of microchannel heat exchanger on domestic air conditioning system was investigated by introducing the microchannel heat exchanger into the 3 HP floor type air-conditioner, and the performances and refrigerant charge were compared between the original and new machines. The result shows that, when only the indoor heat exchanger was changed into the microchannel heat exchanger, the charge of refrigerant for the system was reduced from 2200 g to about 1850 g; in refrigerating mode, the cooling capacity of the new system was 1% lower than that of the original one, and the COP was 2.2% higher than that of the original one; While when in heating mode, the heating capacity of the new system was 3.9% higher than that of the original one, and the COP was 11.2% higher than that of the original one. When all the heat exchangers were changed into the microchannel heat exchangers, the charge of refrigerant for the system was reduced from 2200 g to about 1000 g. Comparing with the original system, the cooling capacity of the new system was 0.8% lower and the COP was 5.2% higher in refrigerating mode.

Air conditioning system; Charge of refrigerant; Cooling capacity; COP

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.02.202

*汪年結(jié)（1977-），男，工程師，學(xué)士。研究方向：家用空調(diào)綠色設(shè)計(jì)。聯(lián)系地址：綿陽(yáng)市高新區(qū)綿興東路35號(hào)四川長(zhǎng)虹電器股份有限公司工程技術(shù)中心，郵編：621000。聯(lián)系電話：0816-2416743。E-mail：nianjie.wang@changhong.com。

十二五國(guó)家科技支撐項(xiàng)目（No. SQ2011GX03D03999）