制冷空调系统换热强化及节能技术

万向斌

（中石化胜利石油管道管理局盛大水产养殖厂，山东东营 257000）

1 引 言

当今，随着全球经济的快速发展和人民对生活舒适性要求不断提高，能源的消耗越来越大、人类生存环境不断恶化，而作为居民生活必须品的空调、冰箱却是能源消耗的大户，仅我国供热制冷每年就消耗40%的能源。近年来，随着制冷空调的蓬勃发展，国内外的学者和研究人员开始重视研究制冷空调系统的节约能源、提高换热效率的方法措施。至此，提高换热器换热效率，研究强化换热的新技术成为制冷领域人们日益关注的新课题。

提高空调系统效率的方法很多，如高效变频压缩机的采用、冷凝器和蒸发器的优化设计、先进节流元件的采用、控制系统的优化、空调系统的合理匹配和运行管理等等。

虽然变频压缩机和电子膨胀阀的使用将大大提高系统的能效比，但冷凝器和蒸发器换热效率的高低也直接决定了整个系统的能效水平。下面，就空调系统中 “两器”的优化和强化换热进行分析阐述，并简单介绍几种换热器强化传热新技术。

2 空气侧的换热强化

换热器空气侧的对流换热系数比制冷剂侧蒸发、冷凝的换热系数要小得多，这样在热量交换过程中，空气侧会形成瓶颈，因此翅片换热能力的强化一直是研究的热点。增强空气侧换热能力包括三个方面：强化翅片的换热效率；对翅片进行高亲水性处理；增大换热器的面积。

2.1 强化翅片的换热效率

由于空气存在粘性，在换热表面流动的空气会在翅片表面形成一层层流边界层，造成较大的热阻，因此通过改变翅片的结构，可以减薄或者破坏边界层的形成。早期在房间空调器的换热器上使用的是平翅片，铜管的直径为9.52mm，之后发展成了波纹片，波纹片的传热量为平片的1.2倍。

上世纪80年代左右又发展成冲缝片，传热量提高到平片的2倍。后来随着铜管细化为7mm管，冲缝片的换热能力提高到平片的2.5～3倍。目前大多空调企业均采用冲缝片作为两器的翅片，以提高换热器的换热效率。

选择冲缝片时，应该注意合适的翻边高度，翻边过高，造成翅片过疏，换热面积太少，影响换热性能；翻边过低，造成翅片过密，风阻过大，风量减小，同样影响换热效果。

另外，由于冲缝片的强度较差，在冷凝器90度折弯过程中容易将圆弧段的翅片弄成倒片，倒片使得空气阻力增加，影响了换热。因此，提高翅片的强度和改善加工工艺也能有效地提高换热效率。

2.2 对翅片进行高亲水性处理

空调器在运行时会产生凝结水，当凝结水珠的高度超过翅片间距的一半时，两冷却片之间的水珠就会连接起来，形成牢固的水桥，造成冷却片间距堵塞，使空气流动的阻力大大增加，从而减少了空气流量，导致换热器的换热量降低和效率下降。室外机在冬季运行时因为同样的原因而结霜，大大降低了系统的效率。因此，对两器的铝箔应该进行亲水处理，即在铝箔表面涂上一层亲水膜，它具有很强的水润湿性，冷凝水极易沿铝箔表面铺开，不形成水桥，而是以薄的水膜形态流下去。评价铝箔亲水性的优劣主要根据其持续亲水角。持续亲水角的大小关系到亲水性的好坏，持续亲水角每减少10°，空调制冷量可提高2%～6%。根据测试，当持续亲水角 θ≤20°时，铝箔的亲水性良好；当20°＜θ≤30°时，铝箔亲水性一般；当30°＜θ≤50°时，铝箔亲水性较差；当 θ＞50°时，铝箔的亲水涂层已基本不起作用[1]。

2.3 增大换热面积

增大换热器面积的方法之一就是对冷凝器和蒸发器多次折弯。室内机盘管的折弯形式不断改进，三折换热器的面积比单板式换热器的面积大50%以上。室外机也可以采用多折方法来增大换热面积，由于室外机空间相对较大，加上高效冲缝翅片的利用，一般情况下采用一个90度的折弯形式就能满足要求；若需继续增大换热面积，也可采用2个90度折弯形式。

除通过上述方法增加换热面积外，减小翅片间距也能增大盘管的换热面积。盘管长度相同时，翅片间距越小，翅片数就越多，因此换热面积也就越大。当然，翅片间距也不能太小，否则会加大阻力，引起风量的减小，并且冬季运行时，翅片间距越小越容易结霜，而且结霜后供热量的衰减也越快。对于采用高亲水性冲缝片的室外机，翅片密度在每英寸14～16片为宜；对于采用同样翅片的室内机，翅片密度在每英寸11～13片为宜。

3 制冷剂侧的强化换热

制冷剂侧的强化换热也是提高换热器换热效率的关键，采用内螺纹铜管和使用椭圆管是制冷剂侧强化传热的主要手段。此外，还有其他各种异型强化管和内插物的强化换热。

3.1 内螺纹管强化换热

与普通光管相比，内螺纹管的内表面积增大，同时制冷剂流动时沿螺旋槽旋转产生扰动，以及由于表面张力使液膜变薄等原因，传热系数增大。增大的程度随内螺纹肋形的不同而有所不同，山型齿内螺纹管的内表面传热系数是光管的1.5倍左右；梯型是光管的2倍左右；小顶角型是光管的2.5倍左右；细高齿型是光管的3倍左右。

3.2 椭圆管强化换热

目前，由于工艺水平的限制，换热器的铜管都采用圆管，但椭圆翅片管比圆管翅片管性能更加优越而正在受到重视。虽然目前家用空调器换热器使用椭圆管仍停留在实验室研究阶段，但根据研究结果可以预见椭圆管换热器一定会有广阔的发展前景。文献 [2]的研究结果表明对于给定的换热器，椭圆管换热器比圆管换热器需要较小的换热面积和较小的风机能耗；在相同的迎面风速下，椭圆翅片管比圆翅片管的空气侧换热系数大3～7倍；另外，换热系数相同时，椭圆翅片管的压降也小于圆管换热器。

3.3 其他异型管强化换热

目前应用较多的异型强化管除上面提到的螺旋槽纹管，椭圆管和翅片管外，还有横纹槽管，波纹换热管。这些异型强化换热管的强化换热原理是利用各种管的特殊结构产生涡旋、扰动来减薄边界层厚度，增大低热阻区，加强传热。除波纹管由于加工工艺的特殊性，选材及规格受到限制外，其他几种强化换热管在选材和规格上一般均无限制。螺旋槽纹管和横纹槽管广泛应用于各种形式的换热器、余热锅炉中。除了以上介绍的几种常用的异型强化换热管外，还有旋流管、螺旋扁管、缩放管等异型管，在实际中也有一些应用，在此不作一一介绍。

3.4 内插物强化换热

文献 [3]中指出的内插入物技术是比较方便的一种强化换热技术，它的最大优点是适合旧换热器的改造设计，且加工制造方便，可避免额外增加换热器，大大节省投资，同时内插物有助于清除管内污垢。管内插物的种类很多，扭带、螺旋线圈以及绕花丝是三种较常用的管内插物强化换热技术。内插物技术是通过内插物的作用使流体产生涡流和二次流，促进核心流体与边界层流体的混合，减薄层流底层，达到强化换热效果。

4 盘管设计的优化

除了采用高效的换热元件来提高换热效率外，盘管设计的优化也是提高换热器换热效率的重要内容。盘管的优化设计包括回路设计，不对称盘管设计等多种方法。

4.1 合理的回路设计

冷凝器和蒸发器回路设计是个需要综合考虑换热性能和阻力性能的问题。制冷剂在管中的流动速度越大，制冷剂管内的换热系数也就越大，因此很多房间空调器的两器均是采用单回路设计。但是这样的设计沿程损失大，制冷剂的压力下降较大，随着换热器长度的增加，这个问题会更加严重，并且单回路设计中，由于换热温差越来越小，回路后部的换热能力已经变得非常糟糕。因此，回路设计必须对回路的阻力进行精确的计算 （冷凝器的压力以饱和温度下降1℃为上限，蒸发器以饱和温度下降2℃为上限），若阻力损失过大，应采用多个回路，并增大空气和冷媒之间的换热温差。

4.2 不对称盘管设计

对于多排管换热器来讲，每排的换热量是不同的。对于双排冷凝器，当两排的铜管和翅片完全相同时，迎风侧的换热量约占总换热量的70%，背风侧换热量只占30%左右，背风侧的换热能力没有得到充分的发挥，因此国内外有些空调产品采用不对称结构设计的方法，通过稍微降低盘管迎风侧的换热能力而增强背风侧换热能力，从而增强整个盘管的换热能力。不对称结构设计包括前后排翅片类型不同，翅片间距不同，铜管直径不同以及铜管类型不同以及上述方法的相互搭配等。

文献 [4]指出在相同的风量下，迎风侧使用光管、背风侧使用内螺纹管的换热器的换热量均大于相同片距下全内螺纹管的换热器的换热量。文献[5]对迎风侧使用平片而背风侧使用冲缝片的换热器进行了试验研究，迎风侧使用平片，使空气温度升高，但小于使用冲缝片时的温度升高幅度，即在迎风侧的换热量小于全冲缝片迎风侧的换热量；但空气在背风侧的换热温差大于全冲缝片换热器背风侧的换热温差，所以提高了背风侧换热量在总换热量中所占的比例，总体的效果是迎风侧平片的换热效果优于全冲缝片的换热效果。

文献 [6]提出迎风侧采用小管径，背风侧采用大管径的换热器设计思路，并通过计算机仿真模拟，得到相同的翅片间距或者相同的风速下，新设计换热器的总换热量比传统换热器增强10%以上。

综上所述，为了增强背风侧盘管的换热能力，可采用盘管的不对称结构设计：迎风侧翅片采用大间距的平片，背风侧采用小间距的冲缝片；迎风侧使用光管，背风侧使用内螺纹管；迎风侧使用小管径铜管，背风侧使用大管径铜管。通过组合搭配试验，以得到最佳的换热效果。

5 换热器强化传热新技术

5.1 第三代强化传热—场协同理论应用技术

在文献 [7]、[8]中提到的场协同理论在提高对流换热系数层面核心为：速度场与热流场协同程度越好，则对流换热系数越高。在提高换热器性能方面表述为：换热器的冷热流体温度场间的协同程度越好，效能越高。该理论下新技术有一次传热表面形成多纵向涡强化技术属国内外首创，其中交叉缩放椭圆管和弹性管束技术为国际领先。本技术的强化传热管，当Re=500～2000时，单位功耗的换热量是最好的现有强化管的2.3～3.8倍，当Re=4000～50000时，是现有强化管的1.1～1.7倍。研制的换热器与同类换热器在同面积的情况下，换热量可增加20%～50%，或同热负荷时，其传热面积减少20%～50%。为此，该新技术在能源紧张的今天，是大有发展前途的，应大力推广。

5.2 处理表面法[9-10]

5.2.1 不为凝结液体湿润的冷凝壁面

滴状冷凝比膜状冷凝传热系数高，表面张力大的流体更是这样。所以一般必须对冷凝壁面进行处理，以造成一个不为凝结液体湿润的冷凝壁面，经常采用的方法有三种：化学覆盖层法、聚合物涂层法和电镀法。日本川崎公司钝化换热管时，在溴化锂溶液中加入辛醇，使辛醇在换热管表面形成一层薄液膜，水蒸汽在膜上呈滴状凝结。试验结果证明，蒸汽冷凝传热系数提高20%，但处理表面随着使用时间的延长，效率会逐渐降低。

5.2.2 蒸发器铝箔

采用了优质防凝水亲水铝箔，比普通非亲水铝箔换热效率提高了20%，有利于空气流通，并彻底杜绝了空调室内机冷凝水的产生。

5.2.3 提高铝表面的抗腐蚀和亲水性能

对铝翅片表面处理技术进行研究，提出了一种两步成膜法。先用铬酸2铬盐在铝翅片表面形成一层防蚀纳米膜。在此涂层之上，再用小于100nm的细硅酸微粒进行涂膜，这样，2SiOH基团将在水中离解并产生负电荷，可使水中分散的负电荷很稳定，当加热此液态悬浮液时，硅粒子就很难再分散并且很难从表面移走。这些粒子上的2SiOH基团可以吸附水分子形成亲水表面。实际使用效果表明，采用此方法能提高换热器寿命和减小空气侧压力降，提高了传热效率。

5.2.4 激波换热器

气体、液体和固体介质中压强、密度和温度在波阵面上发生跃变的压缩波，称为激波，又称冲击波。在爆炸、冲击、超声速流动等过程中都会出现激波。经过激波后变成亚声速，其压强、密度、温度均提高，总温不变。使得能源的利用更彻底，更充分，激波换热器就是基于此原理研发而成的，提高了传热效率。

5.2.5 自清洁技术—— “洁能芯”

由于换热器管内采用了强化传热的不同的断面，加之冷冻油、制冷剂长期在管内运行，难免会产生垢，特别是在电力、冶金、建筑、化工等高能耗行业和城市供热系统大量使用的管壳式换热器中，还普遍存在着由于无机物沉淀结垢、微生物滋生繁衍、污泥杂物淤积等在换热管内形成日益增厚的污垢层，大幅度降低了传热效率，造成严重的能源浪费和设备安全隐患。“洁能芯”是以场协同理论为基础，主要采用精密成型的转子依陀螺原理在高速转动的同时始终悬浮于管内介质中，既不刮磨管壁，又能防污除垢持久保持高效传热性能；高分子材料制造的转子，重量轻，耐腐蚀，自润滑，使用寿命长；柔性轴连接的单元组合式结构可适应弯曲和热胀冷缩引起的传热管变形；流线型设计的涡旋叶片使转子对管内介质的流动阻力降至最低；单元转子间自动对中和液膜润滑的结构可减少强化传热元件工作时自身的能量消耗并延长其使用寿命，创新点包括独创性地提出了一种传热管内单元转子组合式强化传热与自清洁新方法，有效地解决了管壳式换热器效率低下的问题，攻克了换热管内结垢的顽症。

5.2.6 制冷压缩机及热交热器—氟碳改性涂层处理工艺

氟特加氟碳耐磨涂层材料的化学全称：全氟聚氧烷基 （CnF2n+1O）碳酸或磺酸的氮素衍生物，氟特加氟碳涂层技术，是采取物理化学方法在金属、非金属物体表面涂上一层氟碳表面活性物质（Ф TOP-П AB）的过程。在涂到固体表面时，形成一薄层 （4～8纳米）特殊取向的分子膜，它们可以使材料表面改性，赋予表面以耐磨、抗粘着、耐腐蚀和其他一些特殊的性能，大大提高偶联零件的耐磨性，从而改善机器、机床、工业机器人、橡胶制品、各种工艺设备、金属材料以及切削工具和其他工具的工作动态性能。这种涂料是前苏联在宇航工程上应用，现在引入我国应用在各行各业中。在制冷空调换热系统中，由于制冷剂和少量压缩机油的进入，使冷凝管和蒸发管表面在机械运行过程中，始终保持了一层油 （液）膜，成膜状凝结状态。膜状凝结的直接效果是阻碍了热传导。冷凝器内部产生的油 （液）膜使热阻增大、传热系数减小。当冷凝器热负荷一定时，随着传热系数减小，冷凝温度升高。而蒸发器内部产生油 （液）膜会使蒸发温度降低，相应地蒸发压力也降低。在蒸发器表面有0.1mm油 （液）膜时，将使蒸发温度降低2.5℃，耗电增加11%～12%。当冷凝管和蒸发管经过氟碳涂层处理后，油 （液）将不能在冷凝管和蒸发管表面形成膜状，而将形成珠状 （珠状凝结）。珠状凝结可以大大提高循环系统的热传导效率，降低油膜的阻热效应，降低制冷设备电耗6%以上。并且，由于使油 （液）成珠状凝结，在高速、高压气流环境里，油 （液）更容易被带走，提高传热功能。

图1 钢球经过氟碳表面改性处理前后，膜状凝结与珠状凝结对比

5.2.7 雾化冷却装置

一款具有使用价值、节能效果明显、世界首创的雾化冷却式高效节能空调已研制成功，并通过专利申请。如果使用该节能技术——加装雾化冷却装置，空调的能效比可提高8%至26%。该技术的原理相当简单，空调外滴水通过安装在空调热交换器外侧的小型雾化冷却器，转变成雾气附着在热交换器的翅片表面，然后随着雾气的自然蒸发，用电负载也随之大大降低。该装置不仅适用于空调生产企业新生产的空调，在用空调也可以采用该技术实施改装，操作也相当简便。不需要拆机、移机等复杂过程，只需对在用空调的室外机加装雾化冷却装置及控制器即可，其装置成本也不超过100元。

6 小结

提高换热器的效率对于空调系统优化和节能至关重要，而换热器的强化换热也一直是空调行业的研究热点。因此，在本文中，重点讨论了换热器的空气侧可采用强化翅片的换热效率、翅片的高亲水性处理、增大换热面积等方法来进行强化换热，制冷剂侧可采用内螺纹管、椭圆管、其他异型换热管及内插物等进行强化换热，盘管的设计可采用合理的回路设计和不对称盘管设计等优化措施来强化换热，这些均可作为提高空调换热器效率、减少能源消耗的有效举措。此外，文中还对当前换热器强化传热的场协同理论应用技术和处理表面法等新技术进行了简单概述。

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