不同管型结构空调冷凝器传热性能研究

2013-04-01李丽霞

家电科技 2013年7期

李丽霞

（珠海格力电器股份有限公司广东珠海 519070）

1 前言

随着能源供应的日益紧张，节能成为当务之急。强化传热技术，由于能使各种换热设备的效率提高、重量和体积减小，一直受到科技界和工业界的重视。高效强化传热管的研究一直是传统领域最活跃和最有生命力的重要研究之一。本文主要介绍了螺旋槽强化管、直槽强化管和交叉槽强化管在家用空调冷凝器中的换热情况。

2 冷凝器模型的建立和验证

由压缩机排出的过热气体经过冷凝器冷却，这一过程，需要经过过热气体区、两相区和过冷液体区。以微元模型为基础，对不同的制冷剂状态需要采用不同的计算模型，对于单相区，由于参数变化小，比较容易求均值，可以采用集中参数模型或较少分割单元的一维分布模型，对于两相区，参数变化大，需要采用较多分割单元的一维分布参数模型。

无论每个区采用何种模型，我们都假设冷凝器模型是由若干个微元组成的一系列流动换热模型，如图1所示。

对于微元模型，在三大控制方程（质量守恒、动量守恒和能量守恒）的基础上，进一步拓展为如下方程组：

图1 冷凝器一维模型微元示意图

图2 三种强化管

图3 质量流量相同时，三种强化管的换热和压降图

空气侧能量方程：

制冷剂侧能量方程：

两侧能量平衡方程：

微元换热方程：

上式中，Q、h、T和m分别为换热量、焓值、温度和质量流量，U为基于制冷剂侧换热面积的总传热系数，A 为制冷剂侧换热面积，下标a代表空气侧，r代表制冷剂侧，in和out分别代表进口和出口，△T 为对数平均温差。

本文以某家用空调冷凝器为物理模型（双排，内径为Ф7的内螺旋槽管翅式换热器），应用上述方程组建立数学模型，对该冷凝器的换热量进行计算，并与实验所测结果进行对比。对于计算模型和实验机型，在其他参数不变，调节室外侧空气进口干球温度值，运行稳定后记录换热量，对比数据表1所示，计算值和实验值的换热量偏差均在5%以内，说明这一计算模型是切实可行的。

表1 冷凝器计算模型与实验对比

3 不同类型换热管的换热能力

在空调系统中现广泛使用的传热管为螺旋槽强化管，除此之外，常见的强化管还有直槽强化管和交叉槽强化管，如图2所示。本文在第二部分已验证的冷凝器模型的基础上，对相同尺寸的螺旋槽强化管、光管、直槽强化管和交叉槽强化管的换热量和压降进行对比分析。

3.1 计算用冷凝器的测试工况和结构参数

应用模型进行计算分析，首先需要确定计算用冷凝器的入口工况参数和冷凝器的结构参数（见表2和表3）。

3.2 不同类型换热管对换热量和压降的影响

3.2.1 不同室外侧空气进口干球温度时的换热量和压降

以光管为基准，给定相同的质量流量，在室外侧空气进口干球温度不同的情况下，螺旋槽强化管、直槽强化管和交叉槽强化管的换热量比较接近，比光管高2.27%～2.77%；而三种强化管在不同的温度下，压降相差较明显，螺旋槽强化管的压降最大，比光管高76.48%，交叉槽强化管次之，直槽强化管压降最小，如图3所示。

表2 冷凝器计算工况参数

3.2.2 不同质量流量时的换热量和压降

同样仍然以光管为基准，在室内外工况相同，质量流量不同时，三种强化管的换热量仍然比较接近，比光管高1.58%～2.08%，但螺旋槽强化管的压降最大，比光管高74.69%，交叉槽强化管次之，直槽强化管最低，这一变化趋势与不同室外侧空气进口干球温度时是一致的，如图4所示。

3.3 强化换热管的综合性能评价

由上分析可以看出，在两种不同计算模式下，三种强化管的换热量都比较接近，但压降差异较明显，为了进一步比较三种强化管的综合换热性能，本文采用常见的单一参数组合评价方法

能量系数法进行计算比较。

能量系数法是基尔比切夫把换热量与阻力损失结合在同一指标中加以考虑，提出以消耗单位流体输送机械的功率N所传递的热量Q作为评价换热器性能的指标，即

表3 冷凝器模型结构参数 mm

图4 室外进口干球温度相同时，三种强化管的换热和压降图

式中：

Q传热量，W；

N用于冷、热流体在换热器中流动所必须的泵功，W；

E消耗单位泵功率所得的热效率;

A 流体流过换热管壁的面积，；

u流体平均流速，m/s；

△p压力降（进出口压差），kPa。

根据上式，以光管为基础，分别对螺旋槽强化管、直槽强化管和交叉槽强化管的换热和流动阻力进行综合性能比较，在相同质量流量的情况下，三种强化管的热效率比较如图5所示。

从图5可以看出，三种强化换热管的热效率均高于1，说明在消耗相同泵功率的情况下，强化管的综合换热能力均优于光管；还可以看出，在此情况下，直槽强化管的综合性能优于交叉槽强化管，而交叉槽强化管的综合性能又优于螺旋槽强化管。按照空调器中制冷剂的流速范围，本文事先给定了假设的质量流量，那么三种强化管的优劣结论仅适合该流速下的雷诺数，对于其他雷诺数范围内，强化管换热能力的优劣还有待进一步证明。