商用空調室外機冷凝器的布局和設計分析

楊德貞

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

換熱器是空調實現制冷制熱功能的重要零部件，冷媒在其中通過吸收或放出熱量，實現與周圍介質，例如空氣、水等，進行熱交換的功能。在室內機中，通常被稱作蒸發器，在室外機中，通常被稱作冷凝器。室外機的類型多種多樣，按使用場所可分為家用、商用、特種等；按出風方式又可分為頂出風、側出風等。針對不同的室外機類型，冷凝器的布局和設計也不同。本文重點分析商用頂出風空調室外機中冷凝器的布局和設計。

1 冷凝器的分類

冷凝器根據周圍換熱介質的不同可分為風冷式冷凝器和水冷式冷凝器。風冷式冷凝器通過環境空氣流動來實現換熱。空氣在冷凝器周圍的流動方式不同，有自然對流和強迫對流兩種形式。水冷式冷凝器是通過水來進行換熱，按結構形式不同可分為套管式和殼管式兩種。

常見的冷凝器類型如下:

1.1 翅片管式冷凝器（見圖1）

圖1 翅片管式冷凝器結構

優點：因翅片輕薄且密集布置，可實現同等體積下換熱面積更大、換熱效率更高、重量更輕的效果。

缺點：同樣因翅片輕薄且密集布置，導致易積灰堵塞、倒片損傷，不易清潔，生產成本較高，工藝較復雜。翅片間距小，易堵塞，清洗困難，制造工藝復雜，成本高。

1.2 殼管水冷式冷凝器（見圖2）

圖2 殼管水冷式冷凝器結構[1]

優點：與輕薄的翅片結構相比，更穩定堅固，內部易清潔，可適用于更大范圍的壓力和溫度下。

缺點：體積較大，重量較重，傳熱效率不如翅片管式冷凝器。

1.3 套管水冷式冷凝器（見圖3）

圖3 套管水冷式冷凝器結構[1]

優點：結構簡單，可用標準管件進行生產，可在壓力和溫度較高的情況下換熱，傳熱面積可靈活調整。

缺點：同等換熱面積的金屬消耗量較大，成本較高，檢修困難。

2 翅片管式冷凝器的介紹

商用空調室外機常用的為翅片管式冷凝器。 翅片管為它的基本傳熱單元，翅片管包括基管和翅片。

翅片管式冷凝器傳熱計算的基本方程式[2]與其他管式換熱器一樣，是：

式中：

Q —傳熱量，W；

Ki—以基管內表面傳熱面積為基準的總傳熱系數，W/（m2·℃）；

K0—以翅片側外表面傳熱面積為基準的總傳熱系數，W/（m2·℃）；

Fi—基管內表面傳熱面積，m2；

F0—翅片側外表面傳熱面積，m2；

△tm—對數平均溫差，℃。

化簡上式可得

3 商用空調室外機中翅片管式冷凝器的組成和結構

3.1 組成

商用空調室外機中的翅片管式冷凝器由翅片、長U管、邊板、彎頭組成。

3.2 形狀

冷凝器可根據需要彎折成各種形狀，考慮到工藝可實現性及加工成本，常見的形狀有I形、L形、C形、G形等。

3.3 排數

冷凝器排數可根據需要設定，單排和多排均可，多排之間可通過邊板、夾塊或連接片連接。一般來說，機組能力需求越大，排數越多。但排數并不是越多越好，隨著空氣逐排穿過冷凝器，換熱溫差逐排縮小，換熱能力也逐排下降。且風速受風阻影響也逐排減小，所以換熱效率也越來越差，因此對于風速較小的機組，更不能選擇排數較多的冷凝器。

3.4 翅片

翅片是增加在換熱管周圍的金屬片，有內置和外置之分，用于增大換熱管的表面積（外表面積或內表面積），從而達到提高換熱效率的目的。

商用空調室外機冷凝器翅片材料為鋁箔，有親水鋁箔和非親水鋁箔之分，非親水鋁箔僅由鋁層和鋁組成，成本較低，但熱交換性能較差。親水鋁箔是對非親水鋁箔進行親水處理，具體是在鋁箔表面覆一層導水膜，使冷凝水充分延展，避免其凝結成水珠，加快水的汽化，從而提高換熱性能。另外，還可以避免冷凝水積聚引起的風阻增大，及空氣受其阻礙產生的噪音，減弱冷凝水對鋁箔的腐蝕，還可減少霉菌和灰塵的凝結，減輕空調出風的異味。有研究表明，如果換熱器選用親水鋁箔，能使制冷效率提高5 %。

商用空調室外機冷凝器常見的翅片類型有平直翅片、波紋翅片、百葉窗翅片。

平直翅片的特點：因表面無突起，同樣間距下平直翅片的風阻最小，但換熱性能不如另外兩種翅片。剛性比百葉窗翅片強，但比波紋翅片差。平直翅片的結霜周期較長，化霜效果較好。

波紋翅片的特點：波紋翅片的風阻和換熱性能均介于平直翅片和百葉窗翅片之間，剛性最優。

百葉窗翅片的特點：百葉窗翅片的換熱性能最好但風阻比另外兩種翅片大，所以該翅片不適用于排數較多的冷凝器。因表面有開窗，導致翅片剛性減弱，加工和安裝過程中容易出現倒片損傷的現象。

設計要點:為了保證換熱能力，減小空氣穿過冷凝器的風阻，對于單排換熱器可設計較小的片距，多排換熱器設計較大的片距。冷凝水和冰霜會堵塞翅片縫隙，增加風阻，對于使用環境中冷凝水和冰霜較多的冷凝器，需選用排水效果較好且不易堵塞的波紋翅片和平直翅片，且應適當的增加片距。百葉窗翅片結霜周期較短，易積灰堵塞，應選用較大的片距。

3.5 長U管

冷凝器翅片中的穿管為長U管，即折彎角為180°長條銅管，該銅管的管材有內螺紋銅管和光銅管。

內螺紋銅管又稱非平滑管，是指外表面光滑，內表面具有一定數量，一定規則螺紋的銅管。作用是對管內制冷劑的流動進行干擾，從而破壞制冷劑與銅管內壁面的粘附層，以加強制冷劑與銅管的熱交換。且由于內螺紋銅管內表面積的增加，所以它的導熱性能要比光銅管提高 20～30 %[3]。

光銅管是管內壁光滑的銅管。光銅管中制冷劑的熱交換能力不如內螺紋銅管。

3.6 邊板

邊板為冷凝器兩端用于固定銅管和翅片的金屬板，常見的材料有熱鍍鋅板，鍍鋁鋅板及不銹鋼板。后兩種材料防腐性能更好，適用于對防腐要求高的環境。厚度根據需要選擇，一般來說，越大型的機組，冷凝器尺寸越大，應相應選擇較厚的板材。

3.7 彎頭

彎頭是一種連接用管件，用于管道拐彎處的連接，在商用空調室外機冷凝器中通常選用180 °的彎頭，焊接于穿管完成后的長U管管口處，用于連接和密閉長U管。規格根據長U管內徑進行匹配選擇。

4 商用頂出風空調室外機的結構特點和冷凝器布局

商用頂出風空調室外機的結構通常為：風機部件位于機組頂部，風葉為軸流風葉；電器盒位于風機部件和底盤之間，靠近機組前側，面板打開即可看到電器盒，以方便機組調試和電路檢修；壓縮機、汽液分離器、油分離器等罐體位于機組下側，固定于底盤上；冷凝器位于風機部件和底盤之間，環繞罐體，放置于底盤上，四周盡可能的貼近底盤邊緣，以盡量增加換熱面積。這樣一種布局使風場走向為從機組側面進風，通過冷凝器后從機組頂部出風。從圖4、圖5可以看出，冷凝器并非完全環繞一周，前側空出，理論上冷凝器的面積越大，換熱效果越好，之所以前側留空，是為了方便機組內零部件的檢修、更換。

5 商用頂出風空調室外機冷凝器的優選設計方案

結合機組性能、成本和工藝，商用頂出風空調室外機冷凝器的優選設計方案如下：

1）翅片選用波紋翅片，既保證結構強度又保證換熱性能，鋁箔選用親水鋁箔。

2）長U管選用內螺紋銅管，以實現更好的換熱性能。

3）排數根據機組性能需求選用2排和3排。

4）結構型式在單風機機組中為C形（如圖4所示），在雙風機機組中為G形（如圖5所示）。單風機是指風葉為一個的機組，雙風機是指風葉為2個的機組，通常雙風機機組的寬度較寬，G型兩器雖部分遮擋機組的正前方，但留下的空間足夠正常操作和檢修。且雙風機機組的能力需求更大，性能要求更高，G形兩器可以實現更大的換熱面積，提高機組的換熱能力。

圖4 單風機冷凝器布局

圖5 雙風機冷凝器布局

5）因商用空調機組與家用相比，體積更大，冷凝器的尺寸也相對較大，所以邊板厚度通常選用較厚的板厚，材料可根據使用環境自由選擇。

6）彎頭規格根據長U管內徑進行匹配選擇。

6 結論

本文根據商用頂出風空調室外機的組成和零部件布局，及其常用的翅片管式冷凝器的結構特點，分析說明了進行機組開發時，關于冷凝器部件的設計思路，并結合成本及性能考量，給出了優選的設計方案，工程師可將此作為設計時的參考。