商用空调室外机冷凝器的布局和设计分析

杨德贞

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

换热器是空调实现制冷制热功能的重要零部件，冷媒在其中通过吸收或放出热量，实现与周围介质，例如空气、水等，进行热交换的功能。在室内机中，通常被称作蒸发器，在室外机中，通常被称作冷凝器。室外机的类型多种多样，按使用场所可分为家用、商用、特种等；按出风方式又可分为顶出风、侧出风等。针对不同的室外机类型，冷凝器的布局和设计也不同。本文重点分析商用顶出风空调室外机中冷凝器的布局和设计。

1 冷凝器的分类

冷凝器根据周围换热介质的不同可分为风冷式冷凝器和水冷式冷凝器。风冷式冷凝器通过环境空气流动来实现换热。空气在冷凝器周围的流动方式不同，有自然对流和强迫对流两种形式。水冷式冷凝器是通过水来进行换热，按结构形式不同可分为套管式和壳管式两种。

常见的冷凝器类型如下:

1.1 翅片管式冷凝器（见图1）

图1 翅片管式冷凝器结构

优点：因翅片轻薄且密集布置，可实现同等体积下换热面积更大、换热效率更高、重量更轻的效果。

缺点：同样因翅片轻薄且密集布置，导致易积灰堵塞、倒片损伤，不易清洁，生产成本较高，工艺较复杂。翅片间距小，易堵塞，清洗困难，制造工艺复杂，成本高。

1.2 壳管水冷式冷凝器（见图2）

图2 壳管水冷式冷凝器结构[1]

优点：与轻薄的翅片结构相比，更稳定坚固，内部易清洁，可适用于更大范围的压力和温度下。

缺点：体积较大，重量较重，传热效率不如翅片管式冷凝器。

1.3 套管水冷式冷凝器（见图3）

图3 套管水冷式冷凝器结构[1]

优点：结构简单，可用标准管件进行生产，可在压力和温度较高的情况下换热，传热面积可灵活调整。

缺点：同等换热面积的金属消耗量较大，成本较高，检修困难。

2 翅片管式冷凝器的介绍

商用空调室外机常用的为翅片管式冷凝器。 翅片管为它的基本传热单元，翅片管包括基管和翅片。

翅片管式冷凝器传热计算的基本方程式[2]与其他管式换热器一样，是：

式中：

Q —传热量，W；

Ki—以基管内表面传热面积为基准的总传热系数，W/（m2·℃）；

K0—以翅片侧外表面传热面积为基准的总传热系数，W/（m2·℃）；

Fi—基管内表面传热面积，m2；

F0—翅片侧外表面传热面积，m2；

△tm—对数平均温差，℃。

化简上式可得

3 商用空调室外机中翅片管式冷凝器的组成和结构

3.1 组成

商用空调室外机中的翅片管式冷凝器由翅片、长U管、边板、弯头组成。

3.2 形状

冷凝器可根据需要弯折成各种形状，考虑到工艺可实现性及加工成本，常见的形状有I形、L形、C形、G形等。

3.3 排数

冷凝器排数可根据需要设定，单排和多排均可，多排之间可通过边板、夹块或连接片连接。一般来说，机组能力需求越大，排数越多。但排数并不是越多越好，随着空气逐排穿过冷凝器，换热温差逐排缩小，换热能力也逐排下降。且风速受风阻影响也逐排减小，所以换热效率也越来越差，因此对于风速较小的机组，更不能选择排数较多的冷凝器。

3.4 翅片

翅片是增加在换热管周围的金属片，有内置和外置之分，用于增大换热管的表面积（外表面积或内表面积），从而达到提高换热效率的目的。

商用空调室外机冷凝器翅片材料为铝箔，有亲水铝箔和非亲水铝箔之分，非亲水铝箔仅由铝层和铝组成，成本较低，但热交换性能较差。亲水铝箔是对非亲水铝箔进行亲水处理，具体是在铝箔表面覆一层导水膜，使冷凝水充分延展，避免其凝结成水珠，加快水的汽化，从而提高换热性能。另外，还可以避免冷凝水积聚引起的风阻增大，及空气受其阻碍产生的噪音，减弱冷凝水对铝箔的腐蚀，还可减少霉菌和灰尘的凝结，减轻空调出风的异味。有研究表明，如果换热器选用亲水铝箔，能使制冷效率提高5 %。

商用空调室外机冷凝器常见的翅片类型有平直翅片、波纹翅片、百叶窗翅片。

平直翅片的特点：因表面无突起，同样间距下平直翅片的风阻最小，但换热性能不如另外两种翅片。刚性比百叶窗翅片强，但比波纹翅片差。平直翅片的结霜周期较长，化霜效果较好。

波纹翅片的特点：波纹翅片的风阻和换热性能均介于平直翅片和百叶窗翅片之间，刚性最优。

百叶窗翅片的特点：百叶窗翅片的换热性能最好但风阻比另外两种翅片大，所以该翅片不适用于排数较多的冷凝器。因表面有开窗，导致翅片刚性减弱，加工和安装过程中容易出现倒片损伤的现象。

设计要点:为了保证换热能力，减小空气穿过冷凝器的风阻，对于单排换热器可设计较小的片距，多排换热器设计较大的片距。冷凝水和冰霜会堵塞翅片缝隙，增加风阻，对于使用环境中冷凝水和冰霜较多的冷凝器，需选用排水效果较好且不易堵塞的波纹翅片和平直翅片，且应适当的增加片距。百叶窗翅片结霜周期较短，易积灰堵塞，应选用较大的片距。

3.5 长U管

冷凝器翅片中的穿管为长U管，即折弯角为180°长条铜管，该铜管的管材有内螺纹铜管和光铜管。

内螺纹铜管又称非平滑管，是指外表面光滑，内表面具有一定数量，一定规则螺纹的铜管。作用是对管内制冷剂的流动进行干扰，从而破坏制冷剂与铜管内壁面的粘附层，以加强制冷剂与铜管的热交换。且由于内螺纹铜管内表面积的增加，所以它的导热性能要比光铜管提高 20～30 %[3]。

光铜管是管内壁光滑的铜管。光铜管中制冷剂的热交换能力不如内螺纹铜管。

3.6 边板

边板为冷凝器两端用于固定铜管和翅片的金属板，常见的材料有热镀锌板，镀铝锌板及不锈钢板。后两种材料防腐性能更好，适用于对防腐要求高的环境。厚度根据需要选择，一般来说，越大型的机组，冷凝器尺寸越大，应相应选择较厚的板材。

3.7 弯头

弯头是一种连接用管件，用于管道拐弯处的连接，在商用空调室外机冷凝器中通常选用180 °的弯头，焊接于穿管完成后的长U管管口处，用于连接和密闭长U管。规格根据长U管内径进行匹配选择。

4 商用顶出风空调室外机的结构特点和冷凝器布局

商用顶出风空调室外机的结构通常为：风机部件位于机组顶部，风叶为轴流风叶；电器盒位于风机部件和底盘之间，靠近机组前侧，面板打开即可看到电器盒，以方便机组调试和电路检修；压缩机、汽液分离器、油分离器等罐体位于机组下侧，固定于底盘上；冷凝器位于风机部件和底盘之间，环绕罐体，放置于底盘上，四周尽可能的贴近底盘边缘，以尽量增加换热面积。这样一种布局使风场走向为从机组侧面进风，通过冷凝器后从机组顶部出风。从图4、图5可以看出，冷凝器并非完全环绕一周，前侧空出，理论上冷凝器的面积越大，换热效果越好，之所以前侧留空，是为了方便机组内零部件的检修、更换。

5 商用顶出风空调室外机冷凝器的优选设计方案

结合机组性能、成本和工艺，商用顶出风空调室外机冷凝器的优选设计方案如下：

1）翅片选用波纹翅片，既保证结构强度又保证换热性能，铝箔选用亲水铝箔。

2）长U管选用内螺纹铜管，以实现更好的换热性能。

3）排数根据机组性能需求选用2排和3排。

4）结构型式在单风机机组中为C形（如图4所示），在双风机机组中为G形（如图5所示）。单风机是指风叶为一个的机组，双风机是指风叶为2个的机组，通常双风机机组的宽度较宽，G型两器虽部分遮挡机组的正前方，但留下的空间足够正常操作和检修。且双风机机组的能力需求更大，性能要求更高，G形两器可以实现更大的换热面积，提高机组的换热能力。

图4 单风机冷凝器布局

图5 双风机冷凝器布局

5）因商用空调机组与家用相比，体积更大，冷凝器的尺寸也相对较大，所以边板厚度通常选用较厚的板厚，材料可根据使用环境自由选择。

6）弯头规格根据长U管内径进行匹配选择。

6 结论

本文根据商用顶出风空调室外机的组成和零部件布局，及其常用的翅片管式冷凝器的结构特点，分析说明了进行机组开发时，关于冷凝器部件的设计思路，并结合成本及性能考量，给出了优选的设计方案，工程师可将此作为设计时的参考。