小管徑平行流冷凝器在小功率空調(diào)中研究

徐龍貴

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311)

小管徑平行流冷凝器在小功率空調(diào)中研究

徐龍貴

(廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311)

通過數(shù)值模擬設(shè)計出與2排φ5管翅式冷凝器性能相當(dāng)?shù)?2mm扁管寬平行流冷凝器，并制作樣品，進行整機性能測試。實驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比，能力誤差控制在3%以內(nèi)，制冷劑側(cè)壓降誤差小于15%，符合工程設(shè)計精度，與φ5管翅式冷凝器整機性能對比，12mm扁管寬平行流冷凝器重量減少了1.5kg，冷媒充注量減少了20～25%，能力提高了0.5%，能效提高3%，且成本降低，該方案拓寬了平行流冷凝器應(yīng)用范圍，可在2匹以下家用空調(diào)中推廣。

平行流冷凝器；管翅式冷凝器；家用空調(diào)；數(shù)值模擬

1 引言

平行流冷凝器具有高效換熱、緊湊、質(zhì)量輕、制冷劑充注量少等優(yōu)點，早已在汽車空調(diào)上廣泛應(yīng)用。近幾年隨著家用空調(diào)能效水平不斷提高，平行流冷凝器倍受家用空調(diào)生產(chǎn)廠商青睞（見圖1），有逐步替代管翅式冷凝器的趨勢。

但是，目前平行流冷凝器用于2匹及以上機型較多，2匹以下機型較罕見。這主要有兩個原因：一方面平行流冷凝器加工費較高，導(dǎo)致直接替換相同大小的銅管翅片式換熱器成本優(yōu)勢不明顯，只有改小箱體后，才有優(yōu)勢。而2匹以下機型，受壓縮機大小影響，箱體再優(yōu)化后，壓縮機放置困難。另一方面，大多數(shù)空調(diào)廠商2匹以下機型均用5mm冷凝器。而目前家用空調(diào)常用平行流冷凝器扁管寬度為16mm，它雖然性能優(yōu)于φ5管翅式冷凝器，但相同迎風(fēng)面積情況下成本優(yōu)勢并不明顯，在2匹以下機型難于廣泛應(yīng)用。因此，當(dāng)務(wù)之急，需要開發(fā)出新管型平行流冷凝器，替代2排φ5冷凝器，拓寬平行流冷凝器應(yīng)用范圍。筆者通過數(shù)值計算的方法，設(shè)計出一種與2排φ5冷凝器相當(dāng)?shù)?2mm扁管寬平行流冷凝器，并進行實驗驗證。

2 φ 5冷凝器機型實驗數(shù)據(jù)

本文選取A空調(diào)廠外銷1匹（7.5m連接管）和1.5匹單冷機為研究對象。外機冷凝器均為2排φ5銅管，翅片間距為1.2mm。實驗工況參照國標(biāo)GB/T 7725-2004，實驗在焓差實驗室測試，整機配置及測試結(jié)果如表1。

3 數(shù)值計算

3.1 數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，制冷劑從左進入，從右流出。從入口開始，將每一個通道管沿管長方向平均劃分為多個計算單元。每個單元制冷劑和空氣被認為是叉流換熱，如圖3所示。基于以下主要假設(shè)建立平行流冷凝器數(shù)學(xué)模型：

（1）管外側(cè)空氣的流動視作一維流動；

（2）忽略管內(nèi)制冷劑軸向?qū)幔雎灾亓鳠岷蛪航档挠绊懀评鋭┝鲃雍喕癁橐痪S流動；

（3）扁管各通道內(nèi)制冷劑流量分配均勻；

（4）忽略每一流程結(jié)束后制冷劑匯合時產(chǎn)生的局部壓降；

（5）空氣和制冷劑側(cè)各參數(shù)不隨時間變化，換熱器工作在穩(wěn)定的工況下；

（6）不計不凝性氣體影響及管內(nèi)外污垢熱阻。

3.2 管外空氣側(cè)模型建立

采用了Kim和Bullard根據(jù)實驗數(shù)據(jù)擬合出空氣側(cè)的換熱關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式和預(yù)測的數(shù)據(jù)吻合得比較好。對于干工況，在雷諾數(shù)ReLp=100～600，F(xiàn)P/Lp＜1時，Kim和Bullard得到j(luò)和f的關(guān)聯(lián)式，其均方根誤差分別為±14.5%和±7%。

空氣側(cè)傳熱系數(shù)：

空氣側(cè)壓力降：

式中：Va,max—截面最大風(fēng)速，m/s；

Fd—換熱器沿氣流方向厚度，m；

De—當(dāng)量直徑，m；D—扁管高度，m；

H—翅片高度，m；LI—百葉窗長度，m；

LP—百葉窗間距，m；La—開窗角度，度；

σf—翅片厚度，m；Tp—管間距，m；

ρa—空氣密度，kg/m3。

a0，a1，a2，a3，a4，a5均為系數(shù)，且a0=0.1785，a1=0.5057，a2=0.3333，a3=0.3133，a4=1.9908，a5=-0.5268。

3.3 管內(nèi)制冷劑側(cè)模型建立

對于單相區(qū)，過冷段和過熱段的制冷劑側(cè)換熱系數(shù)均選取Gnielinski關(guān)聯(lián)式：

壓降關(guān)聯(lián)式選用Blasius摩擦因子關(guān)聯(lián)式：

式中，f—制冷劑摩擦因子；Δy為步長；

ρr－單相區(qū)制冷劑密度，kg/m3；

Gr－制冷劑質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；

Dh.r－制冷劑側(cè)水力直徑，m；

對于兩相區(qū)，制冷劑側(cè)換熱系數(shù)選取Dobson和Chato的關(guān)聯(lián)式：

制冷劑在兩相區(qū)的壓降比較復(fù)雜，主要由摩擦壓降、減速壓降和重力引起的壓降三部分組成，由于減速壓降和重力壓降較小，因此忽略。則摩擦壓降關(guān)聯(lián)式選用Ming Zhang和R.L. Webb摩擦因子關(guān)聯(lián)式：

P—制冷劑壓力，Pa；Pc—制冷劑臨界壓力，Pa。

4 計算方法

本文換熱量計算采用迭代計算方法，具體計算方法如下：根據(jù)前述簡化假定，認為在單個微元控制體內(nèi)，制冷劑溫度不變，通過假定冷凝器管外壁溫Tw，可以分別按下式計算制冷劑側(cè)的換熱量Qi，和空氣側(cè)的換熱量Qa。

空氣側(cè)空氣物性參數(shù)采用進出口平均溫度時的物性值，空氣出口參數(shù)的計算也采用迭代計算方法，直到為止，計算出冷凝器換熱量。

表1 2排φ5機型實驗結(jié)果

表2 平行流冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位mm）

表3 平行流冷凝器試驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對比

5 計算結(jié)果分析

本文以成本最優(yōu)為原則，對平行流冷凝器各部件參數(shù)選型設(shè)計。最后得出銅價在5萬時，12mm扁管寬平行流冷凝器與2排5mm冷凝器相當(dāng)。因此，以12mm寬扁管冷凝器進行優(yōu)化設(shè)計。

5.1 翅片設(shè)計

5.1.1 基本參數(shù)設(shè)定

根據(jù)16mm翅片設(shè)計規(guī)律]及加工要求，翅片基本參數(shù)可以定型如表2。

5.1.2 翅片開窗角度的影響

以1匹機為研究對象，對翅片開窗角度進行數(shù)值計算，如圖4、圖5所示為翅片間距1.1mm、1.2mm、1.3mm時，開窗角度對冷凝器換熱及壓降影響。從圖中可以看出，開窗角度大于30°時，該平行流冷凝器換熱量增長幅度較小，而空氣側(cè)壓降增長幅度較大；因此開窗角度設(shè)計在30°左右比較合適。翅片間距在1.15mm和1.2mm時，換熱量比較接近，但1.15mm空氣側(cè)壓降較大。因此翅片間距確定1.2mm比較合適。

綜合考慮翅片加工工藝及噪音要求，翅片間距在1.2mm，開窗角度在29°時達到與φ5銅管相同的換熱量。

5.2 扁管設(shè)計

影響平行流冷凝器換熱量另一個關(guān)鍵因素是扁管內(nèi)孔的長寬比。即扁管的孔數(shù)及厚度。如圖6和圖7所示為扁管厚度在1.3mm、1.4mm、1.5mm時，孔數(shù)8個、10個、12個時，對冷凝器換熱及壓降影響。

從圖6、圖7可以看出，扁管孔數(shù)大于12孔時，該平行流冷凝器換熱量增長幅度逐漸減小，制冷劑側(cè)壓降增長幅度也開始變小，但變化幅度較換熱量大。隨扁管厚度變小，所設(shè)計平行流冷凝器換熱量有所提高，但壓降增加更為明顯。因此，綜合考慮到扁管加工工藝要求，選擇1.4mm厚的12孔扁管可滿足所設(shè)計要求。

6 實驗結(jié)果分析

依據(jù)上述設(shè)計出的冷凝器規(guī)格，放入整機進行性能測試，實驗在焓差實驗室中進行。實驗結(jié)果與數(shù)值計算對比數(shù)據(jù)如表3。

圖1 平行流冷凝器

圖2 冷凝器微元控制體示意圖

由表3可以看出，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，換熱量誤差在3%以內(nèi)，空氣側(cè)壓降誤差±4Pa以內(nèi)，在管內(nèi)制冷劑壓降誤差平均在15%左右，符合工程應(yīng)用。因此，可以認為本文所建立的平行流冷凝器的數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確可靠的。從整機性能測試結(jié)果可以看出，能力相當(dāng)?shù)臈l件下，平行流冷凝器壓降是管翅式冷凝器的21%，同時功率低了3%，能效高了3%，重量輕了40%。平行流冷凝器的性價比要比銅管管翅式高。

7 結(jié)論

（1）本文通過數(shù)值計算的方法，設(shè)計出12mm寬扁管平行流冷凝器，其計算結(jié)果與實驗進行對比，換熱量誤差在±3%以內(nèi)，空氣側(cè)壓降誤差在±4Pa以內(nèi)，制冷劑側(cè)壓降誤差在15%左右，仿真模型與實驗結(jié)果有很好的一致性，可以滿足換熱器設(shè)計的要求，為家用空調(diào)用平行流冷凝器提供設(shè)計依據(jù)。

（2）通過與2排5mm管翅式冷凝器實驗對比，12mm扁管寬平行流冷凝器能效提高了3%，重量輕了40%，冷媒充注量減少20～25%。成本下降，可以在小功率家用空調(diào)中推廣。

Investigation for small tube diameter of micro-channel condenser in small power air conditioners

XU Longgui
(Guangdong Midea Air Conditioning Equipment Co.,Ltd. Foshan 528311)

With the help of numerical simulation, 12mm of micro-channel flat tube condenser with single row, which shows same performance to φ5 of tube fin type condenser with two rows, was designed and manufactured as well as tested to the overall performance. Comparing with the numerical simulation, the tests indicated that difference of heat capacity is within 3% and difference of refrigerant side pressure drop is less than 15%, which is accurate enough for engineering design. In addition, comparing with the tube fin type condenser, the designed micro-channel flat tube condenser reduce 1.5kg of the total weight and 20～25% refrigerant charge, improve 0.5% of heat capacity and 3% energy efficiency, thus save cost and widen its applications, all which deserve to promote below 2P of household air conditioning.

Parallel flat tube condenser; Tube fin condenser; Air conditioners; Numerical simulations

圖3 計算控制單元

圖4 不同翅片參數(shù)對換熱性能影響

圖5 不同翅片參數(shù)對空氣側(cè)壓降影響

圖6 不同扁管參數(shù)對換熱性能影響

圖7 不同扁管參數(shù)對制冷劑壓降影響