平行流換熱器在空調器柜機中應用的實驗研究

代傳民 滕兆龍 馬強 張明杰

1. 青島海爾智能技術研發有限公司 山東青島 266103；

2. 青島海爾空調器有限總公司 山東青島 266103；

3. 數字化家電國家重點實驗室 山東青島 266103

1 引言

平行流換熱器是一種基于微通道技術發展起來的高效緊湊式換熱器[1]。現有研究表明，與傳統銅管鋁翅片的管翅式換熱器相比，平行流換熱器采用全鋁結構，具有體積小、成本低、換熱效率高等優勢[2]，這與當前空調產品低成本、高能效、節能節材的市場需求相適應，因此得到了制冷空調行業的普遍關注[3]。

與管翅式換熱器相比，平行流換熱器具有以下優點：由于橫截面積小于圓管，因此空氣側的阻力較小；翅片效率和翅片當量高度負相關，管翅式換熱器因受U型傳熱管的彎曲半徑所限，翅片效率較低，而平行流換熱器無此限制，翅片效率相對較高[4]；平行流換熱器可以靈活調整流程的扁管分布，使制冷劑側換熱能力增加時阻力較小；其扁管和翅片采用的焊接方式決定了他們的接觸熱阻較小[5]，且為全鋁換熱器，更容易回收[6]。目前，關于平行流換熱器的傳熱機制[7,8]、傳熱性能及其影響因素已開展了較多研究，并在風冷式冷水機組室外機上已有工程應用，但在房間空調器中的應用研究還相對較少。本文以R410A空調柜機為例，通過實驗方法對比分析室內機分別采用平行流換熱器和管翅式換熱器時的空調器性能，并進一步提出改善平行流換熱器柜機制熱性能的技術方案。

2 實驗設計

為對比室內機換熱器采用平行流與普通管翅式換熱器時空調器的性能，制作了兩臺5 hp柜機空調器為實驗樣機。實驗樣機保持室外機配置完全相同，室內機換熱器分別采用平行流換熱器和管翅式換熱器，其相關參數如表1所示。其中，平行流換熱器的長寬尺寸與管翅式換熱器相當，結構示意如圖1所示。

圖1 平行流換熱器扁管和翅片的結構示意圖

表1 5 hp空調柜機實驗樣機的主要配置與結構參數

按照國標GB/T 7725-2004規定，將兩臺樣機在焓差室內進行制冷與制熱實驗，其制冷實驗工況：室外干/濕球溫度為35℃/24℃，室內干/濕球溫度為27℃/19℃；制熱實驗工況：室內干/濕球溫度為20℃/15℃，室外干/濕球溫度為7℃/6℃。

3 結果分析

3.1 制冷運行

分別調節兩臺樣機的制冷劑充注量、壓縮機頻率和電子膨脹閥開度，使其制冷量和EER達到最佳水平，測得的數據如表2所示。

表2 實驗樣機的制冷性能

從測試數據可知，管翅式換熱器樣機的制冷劑充注量為5100 g，制冷量為13720 W，EER為3.1；平行流換熱器樣機的制冷劑充注量為4500 g，制冷量為15126 W，EER為3.2，制冷劑充注量相比于管翅式樣機減少11.8%；而制冷量增加1406 W，提升10.2%；平行流換熱器與普通管翅式換熱器因空氣流通時氣流組織發生變化，風阻降低，內機風量提升4.7%。

由圖1的平行流換熱器結構可知，平行流換熱器由多孔扁管、翅片采用焊接方式形成，與銅鋁管翅式換熱器相比消除了銅管與翅片間的接觸熱阻，提高了導熱性能，不存在由于電位差而引起的腐蝕。平行流換熱器采用扁管設計，對于空氣側，產生的熱邊界層有益于強化空氣側的傳熱，可有效降低風扇的功耗；對于制冷劑側，制冷劑流道被分為若干個平行通道，其換熱系數h=Nu?k/d（Nu為努謝爾特數，d為水力直徑，k為導熱系數），由于水力直徑的減小而顯著提高，故其性能優于管翅式換熱器。

在實驗過程中，通過熱成像儀得到制冷時蒸發器出風側溫度分布，并按照規律選取20個點進行溫度采集，如圖2所示，從測試結果可以看出，換熱器的溫度分布較為均勻，溫度從左到右，隨著制冷劑方向從下到上有逐漸升高的趨勢。

圖2 制冷運行時蒸發器出風側的溫度分布圖

3.2 制熱運行

兩臺樣機均保持制冷劑充注量不變，調節電子膨脹閥開度及壓縮機頻率對空調器進行調試，得出最佳的制熱量及制熱能效比COP，其結果如表3所示。

表3 實驗樣機的制熱性能

從表3中可以看出，在保持各自制冷劑充注量與制冷運行時相同的情況下，平行流換熱器樣機的制熱量明顯小于管翅式換熱器樣機，制熱量由15500 W衰減至14609 W，COP由3.6衰減至3.4。經分析，其衰減原因在于：在制熱工況下大部分制冷劑聚集在冷凝器中，當平行流換熱器作為冷凝器使用時由于其內容積小，制熱量降低；冷凝壓力升高，能效比降低。因此，必須將制熱運行時多余的制冷劑充注量進行儲存并提升室外換熱器的供液量。針對此問題本文提出優化方案。

4 優化方案

在原平行流換熱器樣機的基礎上增加閃蒸器及節流器件，構成如圖3所示的改進制冷循環，即在電子膨脹閥（節流裝置3）和室外換熱器之間增設閃蒸器，同時增設節流裝置1和節流裝置2，并對系統進行控制，以改善空調器的制熱性能。

圖3 優化后柜機的制冷循環原理圖

優化后樣機的控制策略為：制冷運行時，關閉節流裝置1，節流裝置2全開，節流裝置3起到節流作用；制熱運行時，節流裝置2和節流裝置3均起節流作用，其中利用節流裝置2控制系統的蒸發壓力，節流裝置3將制冷劑節流至中壓狀態，節流裝置1將閃蒸器中的中壓氣體減壓至蒸發壓力并直接進入壓縮機吸氣管。閃蒸器在制熱時具有兩個功能：（1）儲存部分液態制冷劑，緩解平行流內容積小帶來的不利影響；（2）使更多的液態制冷劑進入室外換熱器，保證供液充分及分流均勻，從而提升換熱效果。

在額定工況對優化后的樣機進行性能測試，其性能數據如表4所示。

表4 不同系統制冷制熱性能對比

從實驗結果可知，在保持制冷劑充注量為制冷運行最佳充注量4500 g的條件下，優化后的閃蒸器+平行流換熱器樣機與優化前平行流換熱器樣機相比，其制冷量和EER水平保持相當，而制熱量則由14609 W提升至15560 W，COP由3.4提升至3.6。可見，優化后樣機的制熱量及COP相比于采用管翅式換熱器時略有提升。

5 結論

本文將平行流換熱器應用在5 hp空調器柜機的室內機中，通過實驗方法對比分析其與采用管翅式室內換熱器時的性能，獲得了如下結論：

（1）與采用管翅式室內換熱器的空調器相比，采用平行流換熱器時，其室內機風量略有增加，空調器的制冷量提升了10.2%，但其制熱量衰減5.7%。

（2）采用閃蒸器+平行流換熱器的空調器與僅采用平行流換熱器的空調器相比，其制冷量相當，制熱量提高6.5%，制熱COP提高5.9%；制熱量和COP比采用管翅式換熱器的空調器略有提升。

由于平行流換熱器作為室內機換熱器的制冷系統時增加閃蒸器，大幅增加了系統的控制工作量和成本，今后尚需對其進行優化并充分驗證其應用可靠性。