小管徑內螺紋銅管在空調換熱器上的應用分析

楊丁丁, 柳建華,2, 宋 吉, 申 雋, 方進林

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093;2.上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室, 上海 200093;3.國際銅業協會(中國), 上海 200020)

從20世紀80年代開始,空調熱交換器銅管由光面銅管發展到內螺紋銅管,內螺紋銅管發展向著小徑、薄壁、高齒和齒型的生產研究已由過去的等高齒、高低齒向交叉齒、瘦高齒、斷續齒等方向發展[1].近年來,小管徑內螺紋管優勢突顯,大量的科學工作人員已經對小管徑內螺紋管有了深入的研究.胡海濤等[2]對小管徑銅管內含油制冷劑流動冷凝換熱和壓降特性的試驗研究指出,相同工況下,φ5 mm強化管和光管相比,傳熱系數增大60%～130%、壓降增大40%～65%.任滔等[3]在空調器中采用小管徑的影響分析及研發思路中指出,由于管徑的縮小,小管徑銅管換熱器能夠明顯降低系統充注量,減少溫室氣體排放,有利于環保制冷劑R290的應用和推廣.吳極等[4]在管徑變化對蒸發器性能影響的仿真和試驗研究中指出,φ5 mm換熱器比φ7 mm換熱器空氣側表面傳熱系數提高了17%,隨著干度的增加,φ5 mm管的管內傳熱系數增大到φ7 mm管的1.43～1.86倍;同時制冷劑的摩擦壓降、加速壓降和局部壓降均為φ7 mm換熱器的3倍,壓降引起了蒸發溫度降低1.1 ℃.吳揚等[5]在采用小管徑銅管空冷換熱器的性能成本分析研究中指出,在相同的測試工況和迎風面尺寸條件下,φ5 mm銅管換熱器在取得與φ9.52 mm銅管換熱器接近的換熱量的同時,可以節約銅管材料41.8%,鋁箔材料50%.尤順義等[6]在小管徑內螺紋銅管在空調系統中的應用中指出,采用φ5 mm內螺紋銅管時,蒸發器用銅量降低43%以上,成本下降40%左右;而制冷量、能效比及循環風量均有所增加.

本文結合理論分析,對國產家用變頻空調換熱器進行拆機,測量其小管徑內螺紋管的用銅量,比較小管徑內螺紋管的使用在試驗和生產中的差別,并對未來小管徑內螺紋管的發展做出展望.

1 小管徑內螺紋管的直接經濟效益

本次所拆空調熱交換器的內螺紋銅管規格如表1所示.從表1中可以明顯看出,隨著外徑尺寸的減小,內螺紋銅管的米克重大幅度減小.φ9.52 mm內螺紋銅管的米克重是φ5 mm的2.85倍.φ7 mm內螺紋銅管的米克重是φ5 mm的1.73倍.由于換熱器內螺紋銅管的材料成本占換熱器的80%以上,所以采用更小的管徑,可以使換熱器內螺紋銅管的材料成本至少減少55%.

由文獻[7]可以得到式(1)和式(2),顯然,熱交換器的制冷劑充注量和內螺紋銅管內徑有很緊密的正相關.當熱交換器的內螺紋銅管的管徑變小后,制冷劑充注量明顯降低.例如,φ9.52 mm內螺紋銅管變為φ5 mm,熱交換器銅管的內容積減少了2.76倍,制冷劑充注量僅變為原來的26.6%.充注量的減少直接減少了制冷劑對環境的影響,有利于環保制冷劑R290的應用和推廣[8-9].

表1 熱交換器的內螺紋銅管規格Tab.1 Specification of inner copper tube of the heat exchanger

冷凝器內制冷劑總量:

(1)

蒸發器內制冷劑總量:

(2)

式中:mtp為兩相區的制冷劑質量;msh為過熱段的制冷劑質量;msc為過冷段的制冷劑質量;z為管長;ρ為制冷劑密度;d為內螺紋管內徑;α為過熱段的制冷劑質量分數.

2 強化小管徑內螺紋銅管的換熱

(3)

式中:K為以銅管內側為基準的換熱系數;Aref為制冷劑側換熱器的面積;ΔT為管外空氣和制冷劑之間的傳熱溫差.

從式(3)中可以看出,要提高蒸發器的換熱量,要提高其傳熱系數,增大換熱面積和提高管外空氣和制冷劑之間的傳熱溫差[10].下面從兩方面分別討論.

2.1 內螺紋管小管徑化對換熱面積的影響

(4)

式中:d為內螺紋管內徑;L為換熱管的長度.

由式(4)可以明顯得出,內螺紋管管徑變小,制冷劑側換熱面積也變小.例如,將φ9.52 mm的內螺紋銅管變為φ5 mm,制冷劑側換熱面積將減小48.4%.如果在相同用銅量的情況下,管徑越小,換熱面積就越大.

2.2 內螺紋管小管徑化對傳熱系數的影響

為了定量分析不同內螺紋管對傳熱系數的影響,分析不同質量流率下,家用空調蒸發器和冷凝器(φ5 mm和φ7 mm管徑)的傳熱系數.試驗的工況參數分別見表2和表3.

表2 蒸發器的試驗工況Tab.2 Experimental condition of the evaporator

表3 冷凝器的試驗工況Tab.3 Experimental condition of the condenser

蒸發器φ5 mm和φ7 mm銅管在不同質量流率下的換熱系數如圖1.冷凝器φ5 mm和φ7 mm銅管在不同質量流率下的換熱系數如圖2.從圖1中可以看出,蒸發器的傳熱系數隨制冷劑質量流率的增大而增大,而且相同的質量流率下,φ5 mm內螺紋管的傳熱系數比φ7 mm的大.從圖2可以看出,冷凝器的傳熱系數隨制冷劑質量流率的增大而增大,而且相同的質量流率下,φ5 mm內螺紋管的傳熱系數比φ7 mm的大.相同的質量流率下,蒸發器的換熱系數要比冷凝器的大.

圖1 蒸發器φ5 mm和φ7 mm銅管在不同質量流率下的傳熱系數Fig.1 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube of evaporator under different mass flow rate

圖2 冷凝器φ5 mm和φ7 mm銅管在不同質量流率下的傳熱系數Fig.2 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube of condenser under different mass flow rate

3 內螺紋管管徑改變對壓降的影響

蒸發器的內螺紋管管徑變小之后,管內摩擦因數會變大,管內制冷劑的摩擦阻力也會隨著增大,因而管內制冷劑的壓降也會增大.壓降的增大必然會導致蒸發器內的壓力下降,蒸發器的溫度隨之下降,制冷系數也隨之下降[11].文獻[12]指出,將R410A-油在φ5 mm強化管內流動沸騰摩擦壓降與φ7 mm強化管內摩擦壓降進行對比,φ5 mm強化管內的摩擦壓降比φ7 mm強化管內摩擦壓降增大10%～30%.下面通過理論分析來解釋內螺紋管管徑對制冷劑壓降的具體影響.由式(5)可以明顯看出,制冷劑流經內螺紋管的壓降與管內徑成顯著的反相關,因而內螺紋管管徑微小的變化都能使壓降發生顯著的變化.

(5)

式中:fm為摩阻因數;L為管路長度;Di為內螺紋管內徑;xo,xi,xm為制冷劑兩相區內的出口干度、進口干度和平均干度;G為制冷劑的質流密度;vm為兩相區的平均比容。

本次拆機使用的制冷劑都是R410A,是制冷劑R32和R125按照質量比1∶1組成的近共沸混合制冷劑[13].采用該工質的制冷系統,容積流量小,可以選擇較小管徑的換熱器,成本低,效率高,并且是制冷劑R22的理想的替代物[14].由于內螺紋管管徑變小,換熱器制冷劑側壓降特別明顯,因此選用R410A做制冷劑,壓降損失小,適于小管徑內螺紋銅管在家用空調器上的使用.

4 市場上家用空調熱交換器內螺紋銅管的使用情況

在全球銅合金管的消費中,熱交換用銅合金管占有很大比重[15].為了了解目前市場上空調熱交換器內螺紋銅管使用的真實情況,通過調研發現,中國空調器市場呈現格力一家獨大,美的、海爾等品牌激烈競爭的市場格局.本次試驗拆機調研分析樣機選擇如表4所示.由圖3可知,目前國產家用空調熱交換器φ7 mm內螺紋銅管的使用量已占據70%以上,而φ5 mm內螺紋銅管的使用量還不足3%.國產家用空調熱交換器銅管的規格及用量如表5所示.

家用空調器的蒸發器所用的內螺紋銅管有φ5 mm和φ7 mm兩種規格,φ7 mm的內螺紋銅管的使用量比φ5mm的內螺紋銅管使用量大;轉速可控型空調器的冷凝器使用的銅管有φ7 mm和φ9.52 mm兩種規格,φ7 mm的內螺紋銅管的使用量最大,φ9.52 mm的內螺紋鋼管用量相對較小.φ5 mm的內螺紋銅管主要使用在制冷量為3 500 W,能效等級為2級的家用空調器的蒸發器中,且使用的比例不高.主要是因為蒸發器作為室內機,使用φ5 mm的內螺紋銅管可以使室內機的空間體積更小,結構更緊湊;但是由于小管徑的脹管技術有待提高,適應于小管徑的翅片的結霜、化霜、傳熱、壓降等特性的研究不夠成熟,使得φ5 mm的內螺紋銅管的使用量不高.

圖3 空調換熱器中不同規格銅管用銅量所占的比重Fig.3 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube ofevaporator under different mass flow rate

品牌序號制冷量/W能效等級123制冷劑充注量/kg格力13500√1．1023500√1．2033500√1．0245000√1．1557200√1．80美的63500√1．1373500√1．1583500√1．15海爾93500√1．02103500√1．00113500√1．10

表5 空調熱交換器銅管的規格及用銅量Tab.5 Specification of copper tube and copper consumption of air conditioning heat exchanger

5 結 論

(1) 同大管徑內螺紋管相比,小管徑的內螺紋管具有材料成本低,換熱效率高等優點.制冷劑充注量少,溫室氣體排放少,對環境污染小,利于環保型制冷劑的推廣.

(2) 蒸發器的傳熱系數隨制冷劑質量流率的增大而增大,而且相同的質量流率下,φ5 mm內螺紋管的傳熱系數比φ7 mm的大.冷凝器的傳熱系數隨制冷劑質量流率的增大而增大,而且相同的質量流率下,φ5 mm內螺紋管的傳熱系數比φ7 mm的大.相同的質量流率下,蒸發器的傳熱系數要比冷凝器的大.

(3) 拆機試驗數據顯示,國產家用空調熱交換器用φ7 mm內螺紋銅管使用量最大,約占全部內螺紋銅管使用量的77.13%,其次是φ9.52 mm,最少是φ5 mm,約占全部內螺紋銅管使用量的2.98%.國產家用空調器使用大管徑的內螺紋銅管依然處于主流地位,小管徑內螺紋銅管的使用才剛剛起步.

(4) 為了使家用空調熱交換器的小管徑內螺紋管能夠更普遍地應用到生活中,還需要進一步研究的內容有:小管徑內螺紋管的脹管工藝的提高;適應于小管徑內螺紋管的翅片的結霜、化霜、傳熱、壓降等特性的研究.

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