微通道换热器用于家用柜机空调时整机性能的对比实验研究

王 颖 徐 博 陈江平 葛方根 汪 峰 李 峰 杨 涛

(1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240; 2 浙江盾安人工环境股份有限公司 杭州 310000; 3 四川长虹电器股份有限公司 绵阳 621000)

微通道换热器用于家用柜机空调时整机性能的对比实验研究

王 颖1徐 博1陈江平1葛方根2汪 峰2李 峰3杨 涛3

(1 上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240; 2 浙江盾安人工环境股份有限公司 杭州 310000; 3 四川长虹电器股份有限公司 绵阳 621000)

微通道换热器的应用日益普遍。文章通过将微通道换热器引入3 HP柜式家用空调，并对系统性能和充注量等进行了对比研究。实验表明：当只更换室内换热器，室内微通道换热器翅片间距为1.4 mm时，系统性能达到最优：与原机相比，系统充注量降低15.9%，制冷量基本相当，制冷COP提高2.2%；制热量比原机提高3.9%，制热COP则提高了11.2%。当将室内外换热器都更换为微通道换热器后，系统的充注量降低54%，与原机相比：制冷量提高0.8%，系统COP提高5.2%；当制冷剂更换为R290时，系统最优充注量降为500 g。

微通道换热器；家用空调；制冷量；R290

微通道换热器与传统管翅式换热器相比，具有重量轻，体积小，换热效率高，结构紧奏等优点。这也使得其广泛应用于车用空调领域，但是其在家用空调领域的应用还并不普遍。近年来，由于微通道换热器的成本和性能优势的凸显，其在家用空调的应用研究也更加受到关注。

国内外很多的企业和高校都在对微通道在家用空调的应用进行了研究。陈芝久[1]对微通道换热器用于家用空调的可行性进行了理论分析。严瑞东等[2]对微通道换热器在家用空调使用时的流程分布进行了分析。李峰等[3]则对微通道换热器对家用空调的充注量影响进行了研究，研究表明：通过改进，对于相同的迎风面积，新型微通道样件的内容积比传统样件内容积降低了71%，系统充注量降低28.3%，在降充注方面优势明显。金听祥等[4]利用Devenport C J[5]的空气侧传热关联式，分析了微通道换热器翅片各个参数对空气侧换热系数的影响。徐博等[6]则对微通道在热泵工况下的结霜问题进行了探究，表明扁管竖直样件可有助于解决微通道排水问题。谭易军等[7]则采用仿真方法，对R290微通道冷凝器的性能及充注量进行了分析，表明微通道与小管径换热器相比，在制冷剂减充注方面具有更大潜力。Kim M H和Bullard C W[8]将房间空调器的管片式冷凝器直接更换为微通道换热器，结果显示系统COP基本不变，但充注量降低了35%。Kim J H等[9]将热泵系统的管片式冷凝器更换为微通道换热器，在换热面积减小23%的情况下，其系统制冷量减小2.3%，压缩机耗功减小3.2%。Rin Yun[10]在一个7 kW的家用空调系统中将原来的管片式换热器更换为等面积的微通道换热器，结果系统的充注量减小10%，而系统SEER提高7%。

文章通过将柜式家用空调的管片式换热器更换为微通道换热器，对其系统性能及充注量等参数进行对比分析，进一步指出了后续的优化方向。

1 实验设备及样件

1.1 换热器样件

文中的实验用微通道换热器由百叶窗翅片和微通道扁管组成，结构简图如图1所示。室内换热器采用内插管的分液方式。实验所用3 HP柜机空调机组则为长虹KFR-72LW/DHR(W2-G)+2。根据机组尺寸，实验分别准备了室内和室外两种由铝合金材料制作的微通道样件，用于替换原样机的管片式蒸发器和冷凝器。同时为了研究不同片距对于排水和系统性能的影响，实验准备了片距分别为1.1 mm，1.4 mm，1.6 mm三种不同片距(Fp)的室内微通道换热器。微通道样件及原机样件尺寸见表1。

1.2 实验设备

如图2所示，根据国家标准GB/T7725的要求，实验空调在焓差台中进行。焓差法实验台包括蒸发器室和冷凝器室两个房间，每个房间都有一套空调机组，用于控制房间的空气状态。蒸发器室内的风洞可测试风量和出口焓值，用于计算被测空调的制冷能力。实验台的各个被测参数的测试精度如表2所示。

2 实验过程及工况

实验首先对原机的性能进行了测试，然后将室内换热器更换为微通道换热器，并对片距不同的微通道换热器在相同工况下进行测试，并对系统性能进行对比。选择一组性能最优的系统，再将室外换热器也更换为微通道换热器，对系统在不同制冷剂充注量的情况下进行性能测试。最后，将制冷剂更换为R290，并对系统的最优充注量进行探究。由于微通道换热器在制热工况下存在结霜等问题，因此在全微通道的情况下，实验只研究系统的制冷性能。根据国家标准GB/T7705—2004，实验工况如表3所示。

3 实验结果及分析

3.1 不同片距的室内微通道换热器性能对比

将室内换热器更换为微通道换热器后，通过实验观察分析，可以发现：对于翅片间距Fp为1.1 mm的微通道换热器，由于其翅片间距较小，导致系统运行时排水不畅，冷凝水很快积聚在翅片间，导致系统性能快速衰减；而翅片间距1.4 mm及1.6 mm的微通道换热器在系统运行时排水性较好，能够及时将冷凝水排出，保证系统稳定较好运行。图3～图6显示了在制冷制热工况下，带有#2和#3样件的新系统的制冷能力、耗电量、效率及通风量与原机的对比情况。

由图3～图6可以看出：带#2样件的系统性能比带#3样件的系统性能更好。与原机相比：制冷时，#2与#3系统制冷量比原机分别降低了1.0%与2.0%，功耗分别降低了3.1%与3.0%，COP与原机相比则分别提高了2.2%与1.7%；制热时，#2与#3系统的制热量分别比原机提高3.9%与1.2%，功耗降低了6.6%与5.2%，系统COP则提高了11.2%与7%。同时在更换室内蒸发器后，两个系统R22的充注量从2200 g降到1850 g，降低了15.9%。

这主要是由于微通道换热器与原机的管片式换热器相比，其结构更加紧凑，内容积更小。因此将室内管片式换热器更换为微通道换热器后，系统的充注量减小。制冷时，微通道换热器受到排水问题的影响，新系统的性能较原机相比，制冷量略微下降，但由于新系统的流量与原机相比更小，其系统功耗更小，因此新系统整体COP较原机提高。制热时，微通道换热器作为冷凝器，不存在排水问题，其结构优势更为明显。新系统制热量比原机提高的同时，其系统功耗由于流量减小而同样减小，因此新系统的COP较原机有较大提升。而#2微通道样件与#3号微通道样件相比，在保证排水顺畅的情况下，翅片间距缩小，换热面积更大，因此其换热量更大，性能更优。

从图6可知：#2与#3系统的通风量比原系统略小，但相差不大。制冷时最大相差18 m3/h；制热时最大相差35 m3/h。这主要是由于百叶窗微通道换热器相较于管片式换热器对风流动的阻力更大。

3.2 室内外全微通道换热器情况下的整机性能测试

图7～图9显示了室内为#2微通道换热器，室外也更换为微通道换热器后，在制冷工况下，系统的制冷能力、功耗及COP在不同充注量情况下的对比图。

由图7～图9可以看出：系统充注量从950 g增加到1000 g时，系统性能随着充注量的增加而逐渐提升。但当充注量大于1000 g时，系统制冷量虽然随着充注量增加而有所提升，但系统功耗大幅提升，系统COP逐渐降低。

这主要是由于随着制冷剂的增加，系统流量增加，系统制冷量和功耗都会相应增加。当制冷剂不足时，制冷量的提升高于系统功耗，系统的COP提高；当制冷剂偏多时，制冷量提升则并不明显，功耗则会增加，系统COP下降。

分析可得出：当室内室外都更换为微通道换热器后，系统的最佳充注量从原来的2200 g降低到1000 g，降低了54.5%。当充注量为1000 g时，与原机性能相比，使用全微通道换热器的系统制冷量提高0.8%，功耗下降4.1%，系统COP则提高5.2%。

3.3 更换R290制冷剂后的整机性能测试

图10～图12显示了当制冷剂更换为R290时，在制冷工况下，系统的制冷能力、功耗及COP在不同充注量情况下的对比图。

由图10～图12可以看出，当制冷剂更换为R290时，系统充注量从450 g增加到500 g时，系统制冷量提高8.5%，功耗增加3.0%，系统COP提高5.4%，充注量从500 g增加到550 g时，系统制冷量增加了1.5%，功耗则增加4.3%，系统COP降低了2.6%。整个系统在500 g时达到最优充注量。

此时与原机相比，系统制冷量下降10.3%，功耗下降19.1%，系统COP提高10.9%。这主要与R290制冷剂的特性有关，R290与R22相比，密度更小，汽化潜热更大。由于压缩机的转速一定，因此R290系统流量会较R22小，导致系统制冷量下降，但同时其功耗下降更大，因此系统COP较R22有较大提升。

4 结论

文章通过将微通道换热器应用在3 HP家用柜机空调，在不同充注量情况下对其进行性能检测，并与原机进行了对比，从结果可以看出：

1)对于室内微通道换热器，翅片间距对其排水性能及系统整体性能有较大影响。对于实验所给系统，当翅片间距1.4 mm时，系统性能达到最优；

2)使用微通道换热器可以有效降低系统充注量：当只更换室内换热器时，系统的充注量由原来的2200 g降到1850 g左右，降低15.9%；当将室内外的管片式换热器都更换为微通道换热器后，系统的充注量由原来的2200 g降到1000 g左右，降低大约54.5%，当制冷剂更换为R290后，系统最优充注量达到500 g；

3)使用微通道换热器对于系统性能有一定提升：将室内侧管片式换热器更换为微通道换热器后，系统的制冷量降低1%，系统制冷COP提高2.2%；制热时，系统的制热量比原机提高3.9%，COP则提高了11.2%。当室内外换热器全部更换为微通道换热器后，在1000 g的最优充注量下，系统制冷量提高0.8%，COP则提高5.2%；更换为R290制冷剂后，在500 g的最优充注量下，系统制冷量下降10.3%，COP提高10.9%。

从结果可以看出：微通道换热器应用于家用空调仍具有较大优势。更进一步，带有微通道换热的新系统性能仍有很大的优化提高空间：1)通过对蒸发器结构及翅片参数的进一步优化，可进一步提高微通道换热器效率换热效率，提高系统性能；2)对分液结构进行优化，提高制冷剂进入蒸发器的均匀性，也可使系统性能进一步提高。

[1] 陈芝久. 平行流换热器用于家用空调的可行性分析[C]//石家泰. 上海市制冷学会2003年学术年会论文集. 上海： 上海市制冷学会, 2003: 307-309.

[2] 严瑞东, 徐博, 陈江平, 等. 微通道换热器两项分配特性对空调系统性能的研究[J]. 制冷学报, 2013, 34(3): 20-24. (Yan Ruidong, Xu Bo, Chen Jiangping, et al. The impact on air condition system of two-phase distribution in microchannel heat exchanger[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(3): 20-24.)

[3] 李峰. 新型微通道换热器在家用空调中实验研究[C]//姜风. 2012年中国家用电器技术大会论文集. 北京: 《电器》杂志社, 2012: 314-317.

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[6] Bo Xu, Qing Han, Jiangping C, et al. Experimental investigation of frost and defrost performance of microchannel heat exchangers for heat pump systems[J]. Applied Energy, 2013, 103(1): 180-188.

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[9] Kim J H, Groll E A. Performance comparison of a unitary split system using microchannel and fin-tube outdoor coils[J]. ASHRAE Transactions, 2003, 109(2): 219-229.

[10] Rin Yun. Comparison of performance of a residential air conditioning system using microchannel and fin-and-tube heat exchanger[C]//International Refrigeration and Air Conditioning Conference, Purdue, 2006: 1-8.

About the author

Wang Ying, male, master, Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, +86 18818215015, E-mail: wy_770455712@126.com. Research fields: microchannel heat exchanger, automotive and domestic air conditioning system.

Experimental Research of Microchannel Heat Exchanger on Packaged Air Conditioning System

Wang Ying1Xu Bo1Chen Jiangping1Ge Fanggen2Wang Feng2Li Feng3Yang Tao3

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China; 2. Zhejiang Dunan Artificial Environment Co., Ltd., Hangzhou, 310000, China; 3. Sichuan Changhong Electric Appliance Co., Ltd., Mianyang, 621000, China)

The application of microchannel heat exchanger is becoming more and more widely. The application of microchannel heat exchanger (MCHX) on domestic air conditioning system was investigated experimentally. The results show that: 1) when only the indoor heat exchanger was changed into the microchannel heat exchanger, the system had the best performance when the fin pitch of the indoor MCHX was 1.4mm. The charge of refrigerant for the system reduced 15.9%. Meanwhile, the cooling capacity of the new system was 1% lower than the original system while the COP was 2.2% higher; when it worked in heating mode, the heating capacity of the new system was 3.9% higher than the original one while the COP was 11.2% higher than the original one; 2)when all the heat exchangers were changed into the microchannel heat exchangers, the charge of refrigerant for the system was reduced 54%. Meanwhile, the cooling capacity of the new system was 0.8% higher while the COP was 5.2% higher than the original one in refrigerating mode; when the refrigerant was changed into R290, the best refrigerant charge for the new system was 500 g.

microchannel heat exchanger; domestic air conditioner; cooling capacity; R290

0253- 4339(2015) 01- 0024- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.024

十二五国家科技支撑项目——微通道平行流换热器制造工艺及装备示范(2012BAF01B06)资助。(The project was supported by the Key Technologies R & D Program of China during the 12th Five-Year Plan Period: manufacturing technology and equipment demonstration of microchannel parallel heat exchanger (No. 2012BAF01B06).)

2014年4月13日

TB657.5； TM925.12； TU831.4

A

王颖，男，硕士研究生，上海交通大学，机械学院制冷与低温研究所，18818215015，E-mail: wy_77045571@126.com。研究方向：微通道换热器，车用、家用空调系统。