家用空调机组蒸发器优化设计

黄晓清，吴俊鸿，杨杰，刘亚微，梁青

(珠海格力电器股份有限公司，广东珠海 519070)

0 引言

目前，变频空调中高能效空调的竞争格局发生变化，进口品牌在一二级能效变频空调领域的传统优势在逐步减弱，中国品牌如格力、海尔等企业已经开始在这一领域实现了赶超。

同时，随着变频机新能效标准APF[1]的施行，预计2013 年9 月份会发布，我国变频空调生产企业将通过在原有生产机型配置基础上通过提高产品的系统配置，增加空调机组的成本，全面升级能效，从而达到新能效标准要求。

本文通过技术提升、优化设计两器的换热特性和合理布置换热器的迎风面等方面，从实验和理论两个方面出发，在不增加空调机组系统配置成本的前提下，有效地提升了空调机组的能效，最好的发挥出空调机组的换热特性，为空调行业的节能减排指出了思路和方向。

1 换热器充分发挥作用的判断依据

换热器充分发挥作用的判断依据包括：

1)制冷模式下换热器每盘管分路均能同时过热；

2)制热模式下换热器每盘管分路均能同时过冷；

3)无论是制冷模式，还是制热模式，每盘管分路出口温度的温差均能控制在3℃以内。

2 提高空调换热器换热效率的方法

2.1 合理利用制冷工质两相流的换热特点

制冷循环下，进入空调机组室内机蒸发器的制冷剂处于低温低压的汽液混合态，由于制冷剂的体积变小，流速变慢，如果使汽液混合态制冷剂此时分多路进入蒸发器换热器内，将会降低制冷剂的流速，即将会降低制冷剂的换热效果，所以当制冷剂处于低温低压的汽液混合态时应该在同一循环管路中多走几根U 型管路，让制冷剂流速变快，汽液混合态的制冷剂渐渐转变为气态制冷剂比例大于液态制冷剂；而且在蒸发器的吸热蒸发过程中，气态制冷剂逐渐变多，体积变大，流速也变快，制冷剂流动的阻力较大，因此需要散热的面积也应该较大，所以当遇到流速快、阻力较大的气态制冷剂时，应该设计制冷剂流入的端口越多越有利于降低制冷剂流速、降低制冷剂的流动阻力；制冷剂在制热循环中，制冷剂的流向与制冷时制冷剂的流向正好相反[2]。

同时，考虑到制冷剂的干度对制冷剂换热系数的影响(见图1)，制冷剂在蒸发吸热过程中逐渐转变为气态的过程中，随着制冷剂的干度的增加，制冷剂的换热系数也是同步增加，但是制冷剂干度越接近于1时，制冷剂的换热系数是下降的。所以在设计家用空调机组室内机流程时，应充分利用此特点，确保换热器每盘管分路最好在之后一个U型管同时过热。

图1 R410a 制冷剂干度与换热系数关系图

2.2 改善分流器结构设计

在空调器的产品开发和生产制造中，经常会因为分流器结构设计的不合理，产生以下两个质量问题：一个是由于蒸发器各路分液不均引起的冷量偏低和冷量波动，另一个是蒸发器低风档的液流声。本文中笔者只是阐述通过合理的设计分流器结构，使得换热器中各盘管支路分流均匀，并让制冷剂工质在汽相中进行流动中达到弥散雾状流，弥散雾状流是提高分流性能追求的最佳流型。

2.2.1 分流器应当竖直摆放

由图2 可见：分液器垂直安装时，由于没有重力的影响，液膜均匀分布，所以各分流孔流出流量相等、干度相同的制冷剂；当分流器倾斜时，在重力的作用下，位置靠下的一侧液膜加厚，而靠上的一侧液膜变薄。流型的改变进而影响了最后的流量分配，位置靠下的分流孔流出的流量增加。

图2 分流器不同摆放流体示意图

2.2.2 分流器射流环直径的设计

根据Weisman流型图（如图3所示）可知，只需满足Gl≥10E+07，则在分流器中的流体就可以达到分流性能最佳的弥散雾状流。G1根据式(1)算出。

式中：

G1——液相质量流率；

M——制冷系统制冷剂质量流量；

A——管道流体横截面积；

X——制冷剂的干度；

d——管道的内径直径。

图3 Weisman 流型图

由上面的Weisman流型图，可计算出普通5200 W的空调(4孔分流器使用较多的机型)，要在分流器混合室获得雾状流需满足混合室(见图4)的内径小于4 mm～5 mm[3]。

图4 分流器混合室示意图

2.3 根据迎风面和背风面合理布置流程

笔者在进行某一款壁挂内机流程设计时，发现如果各盘管分支路的迎风面U 型管数不同时，换热差异很大，从而导致能效和能力降低；具体的温度参数见表2。

表1 方案1 和方案2 各系统参数

表2 方案1 和方案2 各点温度数据(单位：℃)

图5 方案1迎风与背风U管数相同

图6 方案2迎风与背风U管数不同

由上面的数据可以看出，因方案1(图5)中两个分路的迎风面和背风面的U 管数量一样，所以均能保持在最后一个U 形管过热；但是方案2(图6)在迎风面多走一个U 型管之后，影响整个蒸发器换热效果，分路一出现严重的过热，导致后面的三个U 型管都没有发挥用处，而分路二因为背风面U 形管多，而得不到过热，工质得不到充分的换热。

所以在进行流程设计时，必须遵循以下原则：制冷剂和外界空气应进行逆流换热，不同流路的管程应当相同，而且应当均匀地流过迎风侧和背风侧使得换热均匀[4]。

2.4 根据气流组织的变化分布合理布置流程

通过CFD 软件模拟仿真某一款壁挂机的的气流组织的变化分布，见图7，由下图的流场中可以看出，蒸发器正面的气流速度较其他位置快，说明此处换热好，所以此处可以作为蒸发器汽液两相混合态的入口处，同时因其换热好，布置此分路的流程U 形管数可以少一些，避免因U 形管过热导致换热不良而浪费U 形管。

图7 壁挂机内气流组织变化分布

3 总结

在目前国家和社会日益提倡节能、环保舒适的时代，笔者从自身的工作出发，提出了4 种可以在不增加生产制造成本的情况提高空调机组室内机蒸发器的换热效率，为设计开发节能型空调机组提供新的思路：

1)合理利用制冷工质两相流的换热特点；

2)改善分流器结构设计，提高能效；

3)根据迎风面和背风面合理布置流程；

4)根据气流组织的变化分布合理布置流程。

[1]GB 21455-2013,转速可控型房间空气调节器能效限定值及能效等级[S].

[2]张智,金培耕,涂旺荣等.制冷剂流路对冷凝器换热特性的影响[J].暖通空调,2002,32(5):61-63.

[3]高原,田怀璋,袁秀玲等.分液器在制冷系统中的应用[J].制冷与空调,2001,1(5):30-32,35.

[4]刘金平,袁玉玲.管排数对翅片管蒸发器换热性能影响的仿真计算[J].低温与超导,2010,38(11):63-69.