小管径内螺纹铜管在空调换热器上的应用分析

杨丁丁, 柳建华,2, 宋 吉, 申 隽, 方进林

(1.上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093;2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093;3.国际铜业协会(中国), 上海 200020)

从20世纪80年代开始,空调热交换器铜管由光面铜管发展到内螺纹铜管,内螺纹铜管发展向着小径、薄壁、高齿和齿型的生产研究已由过去的等高齿、高低齿向交叉齿、瘦高齿、断续齿等方向发展[1].近年来,小管径内螺纹管优势突显,大量的科学工作人员已经对小管径内螺纹管有了深入的研究.胡海涛等[2]对小管径铜管内含油制冷剂流动冷凝换热和压降特性的试验研究指出,相同工况下,φ5 mm强化管和光管相比,传热系数增大60%～130%、压降增大40%～65%.任滔等[3]在空调器中采用小管径的影响分析及研发思路中指出,由于管径的缩小,小管径铜管换热器能够明显降低系统充注量,减少温室气体排放,有利于环保制冷剂R290的应用和推广.吴极等[4]在管径变化对蒸发器性能影响的仿真和试验研究中指出,φ5 mm换热器比φ7 mm换热器空气侧表面传热系数提高了17%,随着干度的增加,φ5 mm管的管内传热系数增大到φ7 mm管的1.43～1.86倍;同时制冷剂的摩擦压降、加速压降和局部压降均为φ7 mm换热器的3倍,压降引起了蒸发温度降低1.1 ℃.吴扬等[5]在采用小管径铜管空冷换热器的性能成本分析研究中指出,在相同的测试工况和迎风面尺寸条件下,φ5 mm铜管换热器在取得与φ9.52 mm铜管换热器接近的换热量的同时,可以节约铜管材料41.8%,铝箔材料50%.尤顺义等[6]在小管径内螺纹铜管在空调系统中的应用中指出,采用φ5 mm内螺纹铜管时,蒸发器用铜量降低43%以上,成本下降40%左右;而制冷量、能效比及循环风量均有所增加.

本文结合理论分析,对国产家用变频空调换热器进行拆机,测量其小管径内螺纹管的用铜量,比较小管径内螺纹管的使用在试验和生产中的差别,并对未来小管径内螺纹管的发展做出展望.

1 小管径内螺纹管的直接经济效益

本次所拆空调热交换器的内螺纹铜管规格如表1所示.从表1中可以明显看出,随着外径尺寸的减小,内螺纹铜管的米克重大幅度减小.φ9.52 mm内螺纹铜管的米克重是φ5 mm的2.85倍.φ7 mm内螺纹铜管的米克重是φ5 mm的1.73倍.由于换热器内螺纹铜管的材料成本占换热器的80%以上,所以采用更小的管径,可以使换热器内螺纹铜管的材料成本至少减少55%.

由文献[7]可以得到式(1)和式(2),显然,热交换器的制冷剂充注量和内螺纹铜管内径有很紧密的正相关.当热交换器的内螺纹铜管的管径变小后,制冷剂充注量明显降低.例如,φ9.52 mm内螺纹铜管变为φ5 mm,热交换器铜管的内容积减少了2.76倍,制冷剂充注量仅变为原来的26.6%.充注量的减少直接减少了制冷剂对环境的影响,有利于环保制冷剂R290的应用和推广[8-9].

表1 热交换器的内螺纹铜管规格Tab.1 Specification of inner copper tube of the heat exchanger

冷凝器内制冷剂总量:

(1)

蒸发器内制冷剂总量:

(2)

式中:mtp为两相区的制冷剂质量;msh为过热段的制冷剂质量;msc为过冷段的制冷剂质量;z为管长;ρ为制冷剂密度;d为内螺纹管内径;α为过热段的制冷剂质量分数.

2 强化小管径内螺纹铜管的换热

(3)

式中:K为以铜管内侧为基准的换热系数;Aref为制冷剂侧换热器的面积;ΔT为管外空气和制冷剂之间的传热温差.

从式(3)中可以看出,要提高蒸发器的换热量,要提高其传热系数,增大换热面积和提高管外空气和制冷剂之间的传热温差[10].下面从两方面分别讨论.

2.1 内螺纹管小管径化对换热面积的影响

(4)

式中:d为内螺纹管内径;L为换热管的长度.

由式(4)可以明显得出,内螺纹管管径变小,制冷剂侧换热面积也变小.例如,将φ9.52 mm的内螺纹铜管变为φ5 mm,制冷剂侧换热面积将减小48.4%.如果在相同用铜量的情况下,管径越小,换热面积就越大.

2.2 内螺纹管小管径化对传热系数的影响

为了定量分析不同内螺纹管对传热系数的影响,分析不同质量流率下,家用空调蒸发器和冷凝器(φ5 mm和φ7 mm管径)的传热系数.试验的工况参数分别见表2和表3.

表2 蒸发器的试验工况Tab.2 Experimental condition of the evaporator

表3 冷凝器的试验工况Tab.3 Experimental condition of the condenser

蒸发器φ5 mm和φ7 mm铜管在不同质量流率下的换热系数如图1.冷凝器φ5 mm和φ7 mm铜管在不同质量流率下的换热系数如图2.从图1中可以看出,蒸发器的传热系数随制冷剂质量流率的增大而增大,而且相同的质量流率下,φ5 mm内螺纹管的传热系数比φ7 mm的大.从图2可以看出,冷凝器的传热系数随制冷剂质量流率的增大而增大,而且相同的质量流率下,φ5 mm内螺纹管的传热系数比φ7 mm的大.相同的质量流率下,蒸发器的换热系数要比冷凝器的大.

图1 蒸发器φ5 mm和φ7 mm铜管在不同质量流率下的传热系数Fig.1 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube of evaporator under different mass flow rate

图2 冷凝器φ5 mm和φ7 mm铜管在不同质量流率下的传热系数Fig.2 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube of condenser under different mass flow rate

3 内螺纹管管径改变对压降的影响

蒸发器的内螺纹管管径变小之后,管内摩擦因数会变大,管内制冷剂的摩擦阻力也会随着增大,因而管内制冷剂的压降也会增大.压降的增大必然会导致蒸发器内的压力下降,蒸发器的温度随之下降,制冷系数也随之下降[11].文献[12]指出,将R410A-油在φ5 mm强化管内流动沸腾摩擦压降与φ7 mm强化管内摩擦压降进行对比,φ5 mm强化管内的摩擦压降比φ7 mm强化管内摩擦压降增大10%～30%.下面通过理论分析来解释内螺纹管管径对制冷剂压降的具体影响.由式(5)可以明显看出,制冷剂流经内螺纹管的压降与管内径成显著的反相关,因而内螺纹管管径微小的变化都能使压降发生显著的变化.

(5)

式中:fm为摩阻因数;L为管路长度;Di为内螺纹管内径;xo,xi,xm为制冷剂两相区内的出口干度、进口干度和平均干度;G为制冷剂的质流密度;vm为两相区的平均比容。

本次拆机使用的制冷剂都是R410A,是制冷剂R32和R125按照质量比1∶1组成的近共沸混合制冷剂[13].采用该工质的制冷系统,容积流量小,可以选择较小管径的换热器,成本低,效率高,并且是制冷剂R22的理想的替代物[14].由于内螺纹管管径变小,换热器制冷剂侧压降特别明显,因此选用R410A做制冷剂,压降损失小,适于小管径内螺纹铜管在家用空调器上的使用.

4 市场上家用空调热交换器内螺纹铜管的使用情况

在全球铜合金管的消费中,热交换用铜合金管占有很大比重[15].为了了解目前市场上空调热交换器内螺纹铜管使用的真实情况,通过调研发现,中国空调器市场呈现格力一家独大,美的、海尔等品牌激烈竞争的市场格局.本次试验拆机调研分析样机选择如表4所示.由图3可知,目前国产家用空调热交换器φ7 mm内螺纹铜管的使用量已占据70%以上,而φ5 mm内螺纹铜管的使用量还不足3%.国产家用空调热交换器铜管的规格及用量如表5所示.

家用空调器的蒸发器所用的内螺纹铜管有φ5 mm和φ7 mm两种规格,φ7 mm的内螺纹铜管的使用量比φ5mm的内螺纹铜管使用量大;转速可控型空调器的冷凝器使用的铜管有φ7 mm和φ9.52 mm两种规格,φ7 mm的内螺纹铜管的使用量最大,φ9.52 mm的内螺纹钢管用量相对较小.φ5 mm的内螺纹铜管主要使用在制冷量为3 500 W,能效等级为2级的家用空调器的蒸发器中,且使用的比例不高.主要是因为蒸发器作为室内机,使用φ5 mm的内螺纹铜管可以使室内机的空间体积更小,结构更紧凑;但是由于小管径的胀管技术有待提高,适应于小管径的翅片的结霜、化霜、传热、压降等特性的研究不够成熟,使得φ5 mm的内螺纹铜管的使用量不高.

图3 空调换热器中不同规格铜管用铜量所占的比重Fig.3 Heat transfer coefficient of φ5 mm and φ7 mm copper tube ofevaporator under different mass flow rate

品牌序号制冷量/W能效等级123制冷剂充注量/kg格力13500√1．1023500√1．2033500√1．0245000√1．1557200√1．80美的63500√1．1373500√1．1583500√1．15海尔93500√1．02103500√1．00113500√1．10

表5 空调热交换器铜管的规格及用铜量Tab.5 Specification of copper tube and copper consumption of air conditioning heat exchanger

5 结 论

(1) 同大管径内螺纹管相比,小管径的内螺纹管具有材料成本低,换热效率高等优点.制冷剂充注量少,温室气体排放少,对环境污染小,利于环保型制冷剂的推广.

(2) 蒸发器的传热系数随制冷剂质量流率的增大而增大,而且相同的质量流率下,φ5 mm内螺纹管的传热系数比φ7 mm的大.冷凝器的传热系数随制冷剂质量流率的增大而增大,而且相同的质量流率下,φ5 mm内螺纹管的传热系数比φ7 mm的大.相同的质量流率下,蒸发器的传热系数要比冷凝器的大.

(3) 拆机试验数据显示,国产家用空调热交换器用φ7 mm内螺纹铜管使用量最大,约占全部内螺纹铜管使用量的77.13%,其次是φ9.52 mm,最少是φ5 mm,约占全部内螺纹铜管使用量的2.98%.国产家用空调器使用大管径的内螺纹铜管依然处于主流地位,小管径内螺纹铜管的使用才刚刚起步.

(4) 为了使家用空调热交换器的小管径内螺纹管能够更普遍地应用到生活中,还需要进一步研究的内容有:小管径内螺纹管的胀管工艺的提高;适应于小管径内螺纹管的翅片的结霜、化霜、传热、压降等特性的研究.

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