小管径平行流冷凝器在小功率空调中研究

徐龙贵

(广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311)

小管径平行流冷凝器在小功率空调中研究

徐龙贵

(广东美的制冷设备有限公司 广东佛山 528311)

通过数值模拟设计出与2排φ5管翅式冷凝器性能相当的12mm扁管宽平行流冷凝器，并制作样品，进行整机性能测试。实验结果与模拟结果对比，能力误差控制在3%以内，制冷剂侧压降误差小于15%，符合工程设计精度，与φ5管翅式冷凝器整机性能对比，12mm扁管宽平行流冷凝器重量减少了1.5kg，冷媒充注量减少了20～25%，能力提高了0.5%，能效提高3%，且成本降低，该方案拓宽了平行流冷凝器应用范围，可在2匹以下家用空调中推广。

平行流冷凝器；管翅式冷凝器；家用空调；数值模拟

1 引言

平行流冷凝器具有高效换热、紧凑、质量轻、制冷剂充注量少等优点，早已在汽车空调上广泛应用。近几年随着家用空调能效水平不断提高，平行流冷凝器倍受家用空调生产厂商青睐（见图1），有逐步替代管翅式冷凝器的趋势。

但是，目前平行流冷凝器用于2匹及以上机型较多，2匹以下机型较罕见。这主要有两个原因：一方面平行流冷凝器加工费较高，导致直接替换相同大小的铜管翅片式换热器成本优势不明显，只有改小箱体后，才有优势。而2匹以下机型，受压缩机大小影响，箱体再优化后，压缩机放置困难。另一方面，大多数空调厂商2匹以下机型均用5mm冷凝器。而目前家用空调常用平行流冷凝器扁管宽度为16mm，它虽然性能优于φ5管翅式冷凝器，但相同迎风面积情况下成本优势并不明显，在2匹以下机型难于广泛应用。因此，当务之急，需要开发出新管型平行流冷凝器，替代2排φ5冷凝器，拓宽平行流冷凝器应用范围。笔者通过数值计算的方法，设计出一种与2排φ5冷凝器相当的12mm扁管宽平行流冷凝器，并进行实验验证。

2 φ 5冷凝器机型实验数据

本文选取A空调厂外销1匹（7.5m连接管）和1.5匹单冷机为研究对象。外机冷凝器均为2排φ5铜管，翅片间距为1.2mm。实验工况参照国标GB/T 7725-2004，实验在焓差实验室测试，整机配置及测试结果如表1。

3 数值计算

3.1 数学模型

如图2所示，制冷剂从左进入，从右流出。从入口开始，将每一个通道管沿管长方向平均划分为多个计算单元。每个单元制冷剂和空气被认为是叉流换热，如图3所示。基于以下主要假设建立平行流冷凝器数学模型：

（1）管外侧空气的流动视作一维流动；

（2）忽略管内制冷剂轴向导热，忽略重力对传热和压降的影响，制冷剂流动简化为一维流动；

（3）扁管各通道内制冷剂流量分配均匀；

（4）忽略每一流程结束后制冷剂汇合时产生的局部压降；

（5）空气和制冷剂侧各参数不随时间变化，换热器工作在稳定的工况下；

（6）不计不凝性气体影响及管内外污垢热阻。

3.2 管外空气侧模型建立

采用了Kim和Bullard根据实验数据拟合出空气侧的换热关联式，该关联式和预测的数据吻合得比较好。对于干工况，在雷诺数ReLp=100～600，FP/Lp＜1时，Kim和Bullard得到j和f的关联式，其均方根误差分别为±14.5%和±7%。

空气侧传热系数：

空气侧压力降：

式中：Va,max—截面最大风速，m/s；

Fd—换热器沿气流方向厚度，m；

De—当量直径，m；D—扁管高度，m；

H—翅片高度，m；LI—百叶窗长度，m；

LP—百叶窗间距，m；La—开窗角度，度；

σf—翅片厚度，m；Tp—管间距，m；

ρa—空气密度，kg/m3。

a0，a1，a2，a3，a4，a5均为系数，且a0=0.1785，a1=0.5057，a2=0.3333，a3=0.3133，a4=1.9908，a5=-0.5268。

3.3 管内制冷剂侧模型建立

对于单相区，过冷段和过热段的制冷剂侧换热系数均选取Gnielinski关联式：

压降关联式选用Blasius摩擦因子关联式：

式中，f—制冷剂摩擦因子；Δy为步长；

ρr－单相区制冷剂密度，kg/m3；

Gr－制冷剂质量流速，kg/(m2·s)；

Dh.r－制冷剂侧水力直径，m；

对于两相区，制冷剂侧换热系数选取Dobson和Chato的关联式：

制冷剂在两相区的压降比较复杂，主要由摩擦压降、减速压降和重力引起的压降三部分组成，由于减速压降和重力压降较小，因此忽略。则摩擦压降关联式选用Ming Zhang和R.L. Webb摩擦因子关联式：

P—制冷剂压力，Pa；Pc—制冷剂临界压力，Pa。

4 计算方法

本文换热量计算采用迭代计算方法，具体计算方法如下：根据前述简化假定，认为在单个微元控制体内，制冷剂温度不变，通过假定冷凝器管外壁温Tw，可以分别按下式计算制冷剂侧的换热量Qi，和空气侧的换热量Qa。

空气侧空气物性参数采用进出口平均温度时的物性值，空气出口参数的计算也采用迭代计算方法，直到为止，计算出冷凝器换热量。

表1 2排φ5机型实验结果

表2 平行流冷凝器结构参数（单位mm）

表3 平行流冷凝器试验结果与模拟数据对比

5 计算结果分析

本文以成本最优为原则，对平行流冷凝器各部件参数选型设计。最后得出铜价在5万时，12mm扁管宽平行流冷凝器与2排5mm冷凝器相当。因此，以12mm宽扁管冷凝器进行优化设计。

5.1 翅片设计

5.1.1 基本参数设定

根据16mm翅片设计规律]及加工要求，翅片基本参数可以定型如表2。

5.1.2 翅片开窗角度的影响

以1匹机为研究对象，对翅片开窗角度进行数值计算，如图4、图5所示为翅片间距1.1mm、1.2mm、1.3mm时，开窗角度对冷凝器换热及压降影响。从图中可以看出，开窗角度大于30°时，该平行流冷凝器换热量增长幅度较小，而空气侧压降增长幅度较大；因此开窗角度设计在30°左右比较合适。翅片间距在1.15mm和1.2mm时，换热量比较接近，但1.15mm空气侧压降较大。因此翅片间距确定1.2mm比较合适。

综合考虑翅片加工工艺及噪音要求，翅片间距在1.2mm，开窗角度在29°时达到与φ5铜管相同的换热量。

5.2 扁管设计

影响平行流冷凝器换热量另一个关键因素是扁管内孔的长宽比。即扁管的孔数及厚度。如图6和图7所示为扁管厚度在1.3mm、1.4mm、1.5mm时，孔数8个、10个、12个时，对冷凝器换热及压降影响。

从图6、图7可以看出，扁管孔数大于12孔时，该平行流冷凝器换热量增长幅度逐渐减小，制冷剂侧压降增长幅度也开始变小，但变化幅度较换热量大。随扁管厚度变小，所设计平行流冷凝器换热量有所提高，但压降增加更为明显。因此，综合考虑到扁管加工工艺要求，选择1.4mm厚的12孔扁管可满足所设计要求。

6 实验结果分析

依据上述设计出的冷凝器规格，放入整机进行性能测试，实验在焓差实验室中进行。实验结果与数值计算对比数据如表3。

图1 平行流冷凝器

图2 冷凝器微元控制体示意图

由表3可以看出，模拟结果与试验结果吻合较好，换热量误差在3%以内，空气侧压降误差±4Pa以内，在管内制冷剂压降误差平均在15%左右，符合工程应用。因此，可以认为本文所建立的平行流冷凝器的数学模型是准确可靠的。从整机性能测试结果可以看出，能力相当的条件下，平行流冷凝器压降是管翅式冷凝器的21%，同时功率低了3%，能效高了3%，重量轻了40%。平行流冷凝器的性价比要比铜管管翅式高。

7 结论

（1）本文通过数值计算的方法，设计出12mm宽扁管平行流冷凝器，其计算结果与实验进行对比，换热量误差在±3%以内，空气侧压降误差在±4Pa以内，制冷剂侧压降误差在15%左右，仿真模型与实验结果有很好的一致性，可以满足换热器设计的要求，为家用空调用平行流冷凝器提供设计依据。

（2）通过与2排5mm管翅式冷凝器实验对比，12mm扁管宽平行流冷凝器能效提高了3%，重量轻了40%，冷媒充注量减少20～25%。成本下降，可以在小功率家用空调中推广。

Investigation for small tube diameter of micro-channel condenser in small power air conditioners

XU Longgui
(Guangdong Midea Air Conditioning Equipment Co.,Ltd. Foshan 528311)

With the help of numerical simulation, 12mm of micro-channel flat tube condenser with single row, which shows same performance to φ5 of tube fin type condenser with two rows, was designed and manufactured as well as tested to the overall performance. Comparing with the numerical simulation, the tests indicated that difference of heat capacity is within 3% and difference of refrigerant side pressure drop is less than 15%, which is accurate enough for engineering design. In addition, comparing with the tube fin type condenser, the designed micro-channel flat tube condenser reduce 1.5kg of the total weight and 20～25% refrigerant charge, improve 0.5% of heat capacity and 3% energy efficiency, thus save cost and widen its applications, all which deserve to promote below 2P of household air conditioning.

Parallel flat tube condenser; Tube fin condenser; Air conditioners; Numerical simulations

图3 计算控制单元

图4 不同翅片参数对换热性能影响

图5 不同翅片参数对空气侧压降影响

图6 不同扁管参数对换热性能影响

图7 不同扁管参数对制冷剂压降影响