房间空调器用换热器性价比分析

魏忠梅，张 浩，刘志孝，刘伯春，何国军

(珠海格力电器股份有限公司，广东519070)

1 前言

空调设计中因为结构尺寸的限制，增大换热器面积的方法通常采用增加管排数的方式，当前存在的问题是换热器排数增加后成本成正比例增加，但换热能力的上升幅度是不成正比关系的。到底排数增加后换热能力如何变化，本文中主要以研究换热器排数增加后能力与重量的变化关系为重点，对换热器的冷重比做了详细的研究，为后续空调的设计提供理论依据，更好的评估成本与性能带来的经济效益。

因为空调产品的类型较多，有壁挂机、柜机、风管机、天井机等，本文中主要研究风管机的换热器变化曲线，其他产品类推。

通过模拟仿真和实验验证的方式绘制出换热器排数增加前后换热量的变化曲线、重量的变化曲线、冷重比的变化曲线。最终得出最优的换热器排数和最佳冷重比。

2 换热器结构选择

不同形式的空调机组，因为风量、风量分布、管排布置形式、管径等的影响导致换热系数不同，换热量也不同，所以我们分析时针对一种形式的换热器进行分析，再进行类比分析。本文中采用吸风式风管机的换热器模型，吸风式风管机换热器的风量分布均匀，换热系数受风量分布的影响较小，模拟结果更加准确。

选取三种壳体尺寸的机组进行对比分析，保证结果的一致性。三种壳体的换热器管径分别为7mm，8mm和9.52mm，使研究覆盖范围更全面，得出的性能曲线更具有代表性。

蒸发器模型结构见图1:

图1 蒸发器模型结构

3 模拟仿真原理简介

根据制冷剂的状态和流动换热状况不同将蒸发器分为三个区:液体区、两相沸腾区、过热气体区。模型为一维流动换热模型。

假设蒸发器模型由若干个微元组成的一维流动换热模型 (见图2)。

图2 蒸发器一维模型微元模型示意图

对于该微元，可以建立如下的方程组:

空气侧能量方程

制冷剂侧能量方程

两侧能量平衡方程

微元换热方程

管壁长度

制冷剂侧压降:

空气侧压降:

以上各公式中，Q、h、T和m分别为换热量、焓值、温度和质量流量;Ai为制冷剂侧的换热面积;Ao为空气侧总表面积;Ac为空气流通截面积;σ是最小流通面积与迎风面积之比。Gc为定义在Ac上的空气质量通量。下标a代表空气侧，r代表制冷剂侧，i代表管内制冷剂侧，in和out分别代表进口和出口。平均温差△Tm按对数平均温差计算，U为基于制冷剂侧的换热面积的总传热系数，计算公式为:

式中，αi为制冷剂侧的表面传热系数，αo为空气侧表面传热系数，Rw为管壁 (含翅片)热阻;Ai/Ao为换热器管内、外换热面积之比，对于每个微元都可以认为Ai/Ao都等于换热器总的管内、外换热面积之比。

所有的微元模型和相互间的参数进行耦合，就可以得到整个蒸发器的模型。

4 建立模型

结构参数 (见表1):

表1 结构参数

厚度方向根据换热器排数自由延伸。

统一输入参数:片距为1.5，开窗片，定风量，风量均匀分布，蒸发温度定为7℃，过热度定为3℃，输入工况干球温度27℃，湿球19℃，大气压101.3kPa。模拟步骤见图3:

模拟时换热器能力根据流路不同发挥的效果不一样，所以在模拟的过程中不断调试分路，最终得出最大的换热能力作为该换热器的最终换热能力。本文中涉及到的铜管重量等于铜管总长度乘以每米铜管重量，不同管径每米重量经过称重测量得出数据:9.52mm管径铜管每米重89克;8mm管径铜管每米重54克;7mm管径铜管每米47克。模拟数据见表2:

图3 模拟步骤

表2 壳体1的不同排数换热器模拟数据

通过上述数据得出曲线图如图4。

通过图4，我们可以直观的看到，换热能力不是呈正比例增加的，而且逐渐趋于平缓，但是铜管重量是随着排数的增加而呈正比例增加。管径越大的排数增加后换热能力增加不明显。冷重比 (冷量与重量的比值)逐步下降，冷重比随着排数的增加而降低。

图4 壳体1的不同排数换热器模拟结果

表3 壳体2的不同排数换热器模拟数据

图5 壳体2的不同排数换热器模拟结果

曲线图如图5。由图可见，壳体2的变化曲线与壳体1的特征相同，但是比壳体1更显著。重量增加随着管排数增加更为显著，冷重比下降也非常明显。同理性价比降低。

表4 壳体3的不同排数换热器模拟数据

图6 壳体3的不同排数换热器模拟结果

变化曲线如图6。从图6可见，变化趋势与壳体1、壳体2的曲线一致。

从上述数据得出共同特点，换热能力与管排的增加不成正比，当排数超过四排时，换热能力基本不会上升或者上升幅度很低，换热器的冷重比不断降低，对应的性价比降低。当7mm管径蒸发器排数为4排时，从外到内各排换热能力的贡献比例见表5。

表5 7mm管径各排换热能力的贡献比例

当8mm管径蒸发器排数为4排时，从外到内各排换热能力的贡献比例见表6。

表6 8mm管径各排换热能力的贡献比例

当9.52mm管径蒸发器排数为4排时，从外到内各排换热能力的贡献比例见表7。

表7 9.52mm管径各排换热能力的贡献比例

5 结论

换热器排数越多换热能力增长幅度越小，管排数达到4排时基本接近平衡。冷重比随着管排数的增加而降低，冷重比与性价比对应，故性价比也随之降低。最佳冷重比的换热器排数是2排，3排。不建议达到4排以上。最优冷重比5～7。

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