无接触热阻全铝换热器空调系统制冷性能研究

荣 俊 王义春 王瑞君 贾润泽 唐 帅

(北京理工大学 热能与工程研究所 北京 100081)

蒸发器和冷凝器都是热交换器，是家用空调器的重要组成，直接影响空调器的性能和设备成本[1]。目前国内外家用空调器主要采用管片式换热器，此结构加剧了铜资源的消耗，全球铜资源保障时间仅为35年。随着铜价的不断上涨，空调器铝代铜技术越来越受关注[2]。

目前，应用广泛的铝制换热器有微通道换热器和管片式全铝换热器。其中微通道换热器技术已经非常成熟，并在汽车空调上广泛使用，但在家用空调器上的应用仍处于起步研究阶段[3-5]，而管片式全铝换热器的腐蚀性以及焊接工艺的可靠性则仍未能完全解决[6]。本文设计并制造了一种新型的无接触热阻全铝换热器，并通过实验对比了无接触热阻全铝换热器与传统管片式换热器的性能，优化并测试了毛细管规格和制冷剂充灌量对使用新型冷凝器的窗式空调器制冷性能的影响[7]，指出该新型全铝换热器在家用空调器上应用的可行性。

无接触热阻全铝换热器的芯体是整体式无接触热阻翅片管传热元件，如图1所示。传热元件翅片与制冷工质通道管为一体成型，材质为铝合金材料。这种结构彻底消除了通道管与翅片间的接触热阻，翅片侧传热系数增大；翅片为连续的波纹形结构，有效地增大了冷却空气的扰动，提高了对流换热能力；翅片与通道一体化成型，大大提高了散热器芯体的刚度和强度[8]。

图1 无接触热阻全铝翅片管传热元件

1 实验方法

在运行工况相同的条件下，测定LG窗式空调器(型号是LW8102)制冷量和功耗以及使用新型冷凝器后窗式空调机器的制冷量和功耗，分析判断新型冷凝器的换热性能以及其替代原机冷凝器的可行性。

1.1 管片式换热器的替代设计

对LG窗式空调器(型号是LW8102)的冷凝器进行替代设计。原机冷凝器结构尺寸为420 mm×310 mm×28.2 mm，其中翅片厚度为0.093 mm，翅片间距是每英寸17片，铜管直径为6.35 mm，铜管壁厚为0.28 mm，制冷剂有4个流程。

利用Fluent软件对无接触热阻全铝翅片管传热元件进行优化设计，优化结果是翅片厚度0.15 mm，翅片高度7.9 mm，翅片间距为2 mm，波纹翅片波峰与波峰之间间距7 mm，波纹高度1.1 mm。无接触热阻换热器的整体结构尺寸为420 mm×300 mm×30 mm，传热元件截面尺寸28.2 mm×2.8 mm，有5个矩形制冷剂流通通道，单个通道高3 mm，宽1.5 mm，通道之间壁厚为0.5 mm，无接触热阻全铝换热器有4个制冷剂流程。窗式空调器所用管片式换热器与无接触热阻全铝换热器参数对比如表1所示。

表1 管片式换热器与无接触热阻全铝换热器参数对比

由表1可知，无接触热阻全铝换热器可以减小体积，节省材料，这有利于降低空调器换热器成本、便于安装运输、节省安装空间。

1.2 实验装置

空调器制冷量实验测试主要有两种方法：房间型量热计法和空气焓差法[9]。本文采用空气焓差法进行实验测试，根据国标GB/T 7725—2004《房间空气调节器》搭建实验平台，实验装置结构简图如图3所示。

图2 空气焓差实验装置结构图

在此实验台上对LG窗式空调器 (型号是LW8102) 原机和冷凝器使用新型换热器替代的样机进行额定制冷性能对比实验。LG窗式空调机的铭牌性能参数如表2所示。

表2 LG窗式空调机(型号LW8102)的性能参数

1.3 实验原理

空调器工作在稳定状态后，测量空调器的循环风量及室内机进、出口空气焓值，计算得到制冷量。空气焓值是由空气的干球温度、湿球温度决定的，风量的测量主要采用循环风量测量装置进行。实验工况条件为室内侧的温度是干球(26.7±0.3) ℃，湿球(19.4±0.2 ) ℃，室外侧干球(35±0.3) ℃，湿球(23.9±0.2) ℃[10]。

使用空气焓值法时，空调器室内侧总制冷量的计算公式为：

Φ=q(ha1-ha2)/vn(1+dn)

式中：Φ为室内侧测量的总制冷量，W；q为空调器室内测点的风量， m3/s；ha1为空调器室内侧回风空气焓值，J/kg干空气；ha2为空调器室内侧送风空气焓值，J/kg干空气；vn为测点处湿空气比容， m3/kg；dn为测点处空气含湿量，kg/kg干空气。

空调器能效比的计算公式为：EER=Φ/P。式中：P为空调器机组总耗功，W。

2 实验结果及分析

2.1 原机和样机额定制冷性能对比

在相同的毛细管内径和工况条件下，对LG窗式空调器原机与冷凝器使用新型换热器替代的空调器样机进行额定制冷性能对比实验，实验结果如表3和表4所示。

由表3可知，样机冷凝器换热面积较原机减小37.53%，制冷剂充灌量减小11.42%，制冷量反而提高3.59%，能效比EER提高7%。由传热学理论可知，换热器的换热量与换热面积之间是线性关系，随着换热面积的增大而增大[11]。无接触热阻换热器的换热面积比管片式换热器的换热面积减小37.53%，制冷量反而提高3.59%，这表明无接触热阻换热器的换热性能优于管片式换热器。这是由于无接触热阻全铝换热器翅片与制冷剂通道是一体成型，没有接触热阻；而且无接触热阻换热器的翅片是波纹形翅片，有利于加强冷却空气的扰动，可以提高冷却空气与翅片间的对流换热能力。所以无接触热阻全铝换热器较管片式换热器的换热能力有很大提高。

表3 原机与样机制冷性能比较

表4 原机与样机蒸发器和冷凝器入口、出口的温度

由表4可知，样机蒸发器出入口温差与原机蒸发器出入口温差相差不大，而样机冷凝器出入口温差与原机出入口温差相差较大。这是因为样机冷凝器的新型无接触热阻换热器的换热性能较管片式换热器有很大提高。

由换热器理论分析可知，若换热器制冷量Φ与换热面积不变，换热器换热系数提高，空调器制冷系统蒸发温度会提高，冷凝温度会降低，相应的空调器制冷循环会发生变化，如图3所示。理论循环由1-2-3-4-1变成了1′-2′-3′-4′-1′，单位制冷量为q0′=(h1′-h4′)>q0，单位理论功为w0′=(h2′-h1′)ε0，减少了压缩过程耗功，提高了制冷系统的制冷性能。因此，样机冷凝器换热面积较原机减小37.53%，制冷剂充注量减小11.42%时，空调器机组消耗总功率减小2.92%，能效比EER提高7%。

图3 传热系数提高，制冷循环变化示意图

2.2 毛细管规格和制冷剂充灌量对制冷性能的影响

1)毛细管规格对样机额定制冷性能的影响

图4 不同毛细管内径的制冷量和消耗功率对比

图5 不同毛细管内径能效比对比

由图4和图5可知，在实验工况条件下，样机冷凝器毛细管内径d=1.2 mm时，空调制冷性能最佳，制冷量为2440.5 W，消耗功率为891.66 W，此时能效比EER达到2.73。

由图6和图7可知，在实验工况条件下，毛细管内径一定，d=1.2 mm，样机冷凝器毛细管长度L=600 mm时，空调制冷性能最佳，制冷量为2027.3 W，消耗功率为826.5 W，能效比EER达到2.45。

图6 不同毛细管长度制冷量和消耗功率对比

图7 不同毛细管长度能效比对比

2)制冷剂充灌量对样机额定制冷性能的影响

图8和图9所示给出了随着制冷剂充灌量的变化，样机制冷量、消耗功率以及能效比的变化规律。当毛细管内径d=1.2 mm，长度L=600 mm时，制冷剂充灌量在M=340 g时，样机制冷性能最好，制冷量为2148.92 W，消耗功率为858.4 W，能效比达到2.51。

图8 不同制冷剂充灌量制冷量和消耗功率对比

图9 不同制冷剂充灌量能效比对比

3 结论

1)在相同制冷工况条件下，样机冷凝器换热面积较原机减小37.53%，制冷剂灌注量减小11.42%，制冷量反而提高3.59%，能效比EER提高7%，表明无接触热阻全铝换热器具有较强的换热能力。

2) 在相同制冷工况条件下，无接触热阻全铝换热器窗式空调器的冷凝器毛细管内径d=1.2 mm，长度L=600 mm，制冷剂充灌量M=340 g时，样机制冷性能最好。

3)换热器中铜的成本占家用空调总成本的15%左右，研制成功的全铝无接触热阻全铝换热器为家用空调Al代Cu提供了技术保障，可以降低成本，其高效的传热性能和小型化使得其将成为家用空调换热器理想的替代品。

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