热泵热水器外盘微通道冷凝器与外盘铜管冷凝器特性比较

巫江虹，李会喜，游少芳

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州510641;2.青岛海信日立空调系统有限公司，山东 青岛266071)

0 引言

空气源热泵热水器按照冷凝器与水的换热途径可分为沉浸式(内盘)冷凝器和非沉浸式(外盘)冷凝器［1］，沉浸式冷凝器优点是导热速度快，热水器加热时间短，但冷凝器在长时间高温状态下直接与水接触，容易导致铜管腐蚀结垢，水质安全性受到影响;非沉浸式冷凝器盘绕在水箱外壁，铜管不易受腐蚀，使用寿命更长，为了达到安全健康用水的目标，现在国际上更倾向于非沉浸式(外盘)冷凝器的设计。

传统外盘铜管冷凝器与水箱外壁线接触，换热接触面积小，换热效率低，且铜管在管壁上缠绕多为单管缠绕，冷凝器压降较大。多孔微通道换热扁管与水箱的接触为平面与平面之间的接触，换热接触面积加大，另一方面采用微通道扁管集流管设计，制冷剂流动通道长度大大减少，冷凝器压降减少，同时还兼具体积小、质量轻、良好的耐压性等优点，是替代热泵热水器传统外盘铜管的理想选择［2-4］。

张茂勇［5］公开了一款复合平行流微通道换热器的热泵热水装置，采用铝制微通道平行流冷凝器结构，管道材料节省30% ～40%以上。浙江康盛股份有限公司［6］公开一种热泵式热水器用微通道冷凝器，用两个外盘微通道冷凝器把内胆水箱包裹起来，两个外盘微通道冷凝器之间设有若干条供制冷介质流通的多孔扁管。杨亮等［7］建立外盘微通道冷凝器热泵热水器的准稳态系统模型，发现微通道冷凝器的最优流程数为3，且分液均匀性更好。Park等［8］比较了微通道扁管换热器和圆管换热器的热力性能。与圆管换热器比较，拥有相同热力性能的微通道扁管换热器表面积和体积都较小。

本文探讨了外盘微通道冷凝器和外盘铜管冷凝器在同一套空气源热泵热水器系统中的性能差异，研究将微通道冷凝器应用于热泵热水器的可行性及可能存在问题。

1 实验系统和实验方案

微通道空气源热泵热水器的系统原理图如图1所示，实验样机如图2所示，微通道冷凝器如图3所示。系统主要包括转子式压缩机、外盘微通道冷凝器、油分离器、四通换向阀、相变蓄热器、双向热力膨胀阀、干燥过滤器、管翅式蒸发器等［9-10］。

图1 微通道蓄热型空气源热泵热水器系统原理图Fig.1 System of heat pump water heater with micro-channel heat storage

图2 实验样机实物图Fig.2 Photo of experimental prototype

图3 外盘微通道冷凝器实物图Fig.3 Outer-coil micro-channel condenser

为了能从制冷剂侧计算空气源热泵热水器系统制热量，在压缩机的出口安装数显式涡轮流量计，测量制冷剂流量。在压缩机、外盘微通道冷凝器的进出口、热气旁通阀出口、膨胀阀进出口安装压力测点，分别在压缩机进出口、四通阀和热气旁通阀(截止阀)的进口、管翅式蒸发器的制冷剂进出口、外盘微通道换热器表面均匀布置热电偶，用于温度测量。图4所示为外盘微通道测温点布置图。温度测量采用热电偶，用安捷伦34970A 数据采集仪进行数据采集。压力测量采用高低压压力表和压力传感器，数据显示采用数字信号巡检仪。各测试项目所用仪器的型号、量程、精度等参数如表1所示。

图4 外盘微通道冷凝器测温点布置图Fig.4 Temperature measurement points on outer-coil micro-channel condenser

表1 测试仪器的参数表Tab.1 Parameters of test instrument

为比较空气源热泵热水器分别在静态和动态水循环两种不同加热模式下的系统特性，在水箱的进出口之间安装循环水泵，通过控制水泵的开闭来实现上述两种加热模式的转化。

根据GB/T 23137—2008《家用和类似用途热泵热水器》［11］国家标准实验方法，制定分别在名义工况(20 ℃/15 ℃)、夏季工况(33 ℃/27 ℃)和最小工况(7 ℃/6 ℃)等3 个条件下测试热泵热水器的性能。

2 外盘微通道冷凝器和外盘铜管冷凝器性能比较分析

式中:mr为制冷剂的质量流量(kg/s);h2为压缩机出口制冷剂比焓(J/kg);s2为压缩机出口制冷剂比熵(J/(kg·℃));To为室外空气温度(℃);h0为环境温度空气比焓(J/kg);s0为环境温度空气比熵(J/(kg·℃))。

式中:h3为冷凝器出口制冷剂比焓(J/kg);s3为冷凝器出口制冷剂比熵(J/(kg·℃))。

图5 热泵热水器循环原理图Fig.5 Exergy loop diagram of heat pump water heater

式中:mw为水箱水的质量流量(kg/s);h8为水箱中的水初始比焓(J/kg);s8为水箱中的水初始比熵(J/(kg·℃));h9为水箱中的水结束比焓(J/kg);s9为水箱中的水结束比熵(J/(kg·℃))。

表2所示为外盘微通道热泵热水器和外盘铜管热泵热水器在不同工况下的系统性能参数。结果显示，外盘微通道冷凝器的压降远小于外盘铜管的，在名义工况下，外盘微通道冷凝器的压降比外盘铜管的压降小78%. 这是因为微通道扁管采用集流管设计，制冷剂流动通道长度大大减少。且系统制冷剂充注量也减少了13.4%. 在热泵系统主机相同的条件下，外盘微通道冷凝器制热量高于外盘铜管器，夏季工况高37.5%，名义工况高8.7%，最小工况高19.6%. 微通道系统的冷凝压力较铜管系统低，单位流量下系统能效比较高。当水箱处于循环加热模式，水箱整体水温较均匀，达到出水温度的时间较久，外盘微通道冷凝器水箱循环加热时间较静态加热模式长21%，水箱的加热时间与系统的制热量呈正比。在不同工况和加热模式下，外盘微通道冷凝器热泵热水器和外盘铜管冷凝器热泵热水器的耗功差小于10%，采用外盘微通道冷凝器的热泵热水器的制热性能系数(COP)要高于外盘铜管的热泵热水器系统。在名义工况下，外盘微通道冷凝器的效率比外盘铜管冷凝器的效率高20%，冷凝器效率之差随着环境温度的降低而增大。微通道扁管的水力直径远小于铜管，换热系数与水力直径呈反比关系，故外盘微通道冷凝器的换热器效率优于外盘铜管冷凝器的，其能量利用率更高。

表2 外盘微通道和外盘铜管热泵热水器系统性能参数表Tab.2 Performance parameters of heat pump water heater with outer-coil micro-channel and copper pipes

图6 名义工况外盘微通道和外盘铜管冷凝器静态加热效率变化趋势Fig.6 Changing trends of exergy efficiency of condenser with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

图7 名义工况外盘微通道和外盘铜管冷凝器静态加热损失变化趋势Fig.7 Changing trends of exergy loss of condenser with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

图8 名义工况外盘微通道和外盘铜管冷凝器进出口温差变化趋势Fig.8 Changing trends of temperature difference between inlet and outlet of condenser with outer-coil microchannel and copper pipes in normal condition

图9 名义工况外盘微通道和外盘铜管冷凝器静态加热系统制热量变化趋势Fig.9 Changing trends of heating capacity of heat pump system with outer-coil micro-channel and copper pipes in normal condition

图10 为名义工况外盘微通道扁管表面平均温度分布情况，外盘微通道冷凝管表面温度在上半层分布较均匀，下半层温度分布跨度较大。从表3可以看出，前3 层的温度维持在52 ～49 ℃之间，第4 层的平均温度降为36.3 ℃。主要是因为在上半层制冷剂是通过相变冷凝进行换热，所以温度变化较小，制冷剂是以气态的方式进入，换热器中的流量分布较为均匀。在下半层制冷剂是以显热方式换热，温度变化较明显。

3 结论

图10 名义工况外盘微通道静态加热扁管表面平均温度分布Fig.10 Surface temperature distribution of outer-coil micro-channel condenser in normal condition

表3 微通道冷凝器表面平均温度Tab.3 Average surface temperature of micro-channel condenser

1)在热泵系统主机相同的条件下，采用外盘微通道冷凝器水箱的制热量要高于采用外盘铜管冷凝器的水箱，夏季工况提高37.5%、名义工况提高8.7%和最小工况提高19.6%，而二者的耗功基本相同，采用外盘微通道冷凝器的热泵热水器的COP要高于传统的热泵热水器系统。

2)名义工况下，外盘微通道冷凝器的压降较外盘铜管冷凝器的小78%，外盘微通道和外盘铜管冷凝器的平均压降分别为0.05 MPa 和0.23 MPa.

3)外盘铜管冷凝器的进出口传热温差随着室外温度的降低而降低效率ηcd随着水温的升高而降低，损失EXcd，l随着水温的升高而升高。微通道冷凝器进出口传热温差随着室外温度变化没有明显波动，且外盘微通道冷凝器的ηcd和EXcd，l随着水温度升高没有明显的增大或者减小的趋势。

微通道换热器在热泵热水器系统中性能优异，但微通道换热器的铝合金材质与系统铜管之间、与水箱外壁的材质之间的电化学腐蚀是外盘微通道应用需解决的问题。

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