家用空调室外机波纹型翅片管换热器空气侧传热与压降性能研究

施骏业，陈晓宁，陆冰清，蔡博伟，徐博，陈江平

（上海交通大学机械与动力工程学院制冷及低温工程研究所，上海 200240）

家用空调室外机波纹型翅片管换热器空气侧传热与压降性能研究

施骏业，陈晓宁，陆冰清，蔡博伟，徐博，陈江平*

（上海交通大学机械与动力工程学院制冷及低温工程研究所，上海 200240）

全铝微通道换热器，尤其是百叶窗翅片换热器，已成为家用空调提高效率降低成本的关注热点。但微通道换热器通常采用的百叶窗翅片表面结构复杂，易于被颗粒物污染。本文采用表面流体迟滞区较少的波纹型翅片替代百叶窗翅片，对7种波纹型翅片微通道换热器样件进行了性能测试，得到了空气侧传热和压降特性。利用非线性回归和F显著性检验方法进行拟合，得到的波纹翅片换热和压降关联式可以准确预测90%以上的数据，其预测误差在15%以内。

家用空调；室外换热器；波纹型翅片；压降性能

0 引言

目前汽车行业广泛使用的全铝平行流换热器由于具备体积小，重量轻，换热效率高，成本低廉，制冷剂充注量小等优势，被众多家用/商用空调企业所关注[1-2]。国内外对扁管百叶窗翅片传热性能[3-10]方面已经进行过广泛深入的研究，甚至在北美、欧洲地区已经开始大批量使用。然而，我国大气颗粒物污染严重，特别是华北、华东、华中地区。大气颗粒物污染不仅对人体健康产生影响，对所有暴露在其中的设备均有一定影响，其中，家用/商用空调系统室外换热器受颗粒物污染影响尤其严重[10-11]。家用/商用空调行业中，换热器迎面风速较低（1.5 m/s），并且换热器不易清洗，大气颗粒物附着在换热器表面后，空气侧换热表面（百叶窗翅片）的强化换热效果消失，换热效率下降，空气流动阻力上升，系统能耗不断上升，随着使用时间的增长，换热器性能不断衰减。因此，大气颗粒物污染强化换热表面，导致性能急速衰减成为了中国特色问题，也成为了全铝平行流换热器这一节能减排产品在我国批量应用的主要障碍。

本文采用波纹型翅片替代百叶窗翅片，避免颗粒物污染引发的性能大幅衰减问题。本文首先采用波纹型翅片试制7种适用于家用空调使用的换热器样件，其次采用换热器空气侧特性试验台架，对7个样件进行性能测试，通过实验数据分析得到波纹型翅片的换热Nu数和摩擦因子验关联式，最后与前人的关联式[10-13]进行比较，验证关联式精度，为波纹型翅片在家用空调室外机中的应用打好理论基础。

1 试验样件

波纹型翅片主要应用在农用机械，工程车辆发动机散热系统，这些应用中工作环境比较恶劣，经常弥漫大量颗粒物污染，与目前家用空调系统面临的挑战类似。家用空调系统室外机使用的百叶窗翅片（图1(a)）由于存在细小缝隙，易被颗粒物污染后堵塞导致性能大幅衰减，采用如图1(b)所示的波纹型翅片则可避免该问题。

图1 百叶窗翅片与波纹型翅片对比

在农用机械及工程机械应用中波纹型翅片主要用作水箱翅片，翅片宽度可达100 mm左右，而在家用空调的应用中，波纹型翅片用作室外侧换热器翅片，通常翅片宽度为(20～55) mm，这种情况下，入口效应更为明显，换热与压降特性也与前者有较大差别。因此，本文将对家用空调用波纹型翅片的空气侧换热和压降特性进行实验研究。

采用波纹型翅片，配合相应宽度的扁管与集流管，总共试制了7个全铝平行流换热器样件，所有样件统一做成250 mm×300 mm的换热器芯体，芯体厚度与翅片宽度一致，表1列出了被测样件的特征尺寸。

表1 被测样件翅片参数

2 试验装置

实验设备为风洞实验台[10]，由空气和热水作为工质。主要部件包括换热器测试段、水循环、空气循环、测量设备和数据采集系统。风洞采用吸风设计，保证风量的均匀性，由一台15 kW的离心风机带动，风速可通过变频器调节。

图2 换热器空气侧特性风洞实验台

通过被测换热器的进出口风温由两组T型热电偶整列采集，进口热电偶阵列由8个热电偶组成，出口由16个热电偶组成。由于风温具有不均匀性，因此，采用热电偶测试值的算术平均温差作为实际计算换热量的温度值。热电偶精度达到0.1 ℃，测量位置根据ASHRAE标准确定。通过换热器和喷嘴的压差被压差传感器分别记录下来，换热器前后的压差传感器精度为0.4%，喷嘴前后为0.25%。风量测试根据ISO5167标准[14]规定的喷嘴压差测试方法确定。水循环由水槽、100 kW电加热器、离心水泵、流量计和控制单元组成。水箱中热水温度由铂电阻Pt-100 Ω测量，由温度控制器控制，精度为0.1 ℃。进出换热器的水温同样采用铂电阻Pt-100 Ω测量，精度为0.1 ℃。实验在(1～14) m/s风速下进行，进水温度控制在80 ℃，流量选择基于水侧热阻小于总热阻的20%和进出口水温差大于2 ℃的标准选择。

3 结果及分析

3.1 试验数据处理方法

为了计算换热系数，换热量可由下式得到：

采用效率单元数法（ε-NTU）得到空气侧换热器系数，公式如下：

因此我们可以得到换热器总的换热系数：

假设水侧的污垢热阻为零，空气侧换热系数可有下面的式子计算得到：

其中式子右侧第二项为水侧热阻，第三项为管壁导热热阻。

对于水侧换热系数，可由GNIELINSKI[13]提出的扁管内的湍流经验关联式得到：

波纹翅片的空气侧效率和翅片效率可由下式获得：

通过以上方程，波纹翅片的换热系数h可以迭代计算得到。进而，可以计算Nusselt数：

其中，水利直径由下式得到：

波纹翅片的阻力系数由KAYS和LONDON[14]的公式计算：

根据翅片结构参数和KAYS和LONDON[13]提供的选项图表，kc和kε分别取0.4和0.2。综合总的设备误差，换热Nu数和摩擦因子f的计算误差分别为±6.2%和±8.1%。

3.2 换热及压降关联式

通过以上计算公式，对不同翅片间距，翅片高度，翅片长度，波长，波幅的7个换热器样件不同风速下的实验结果进行了多重回归，得到如下关联式：

图3和图4给出了Nu数和压降因子f的实验数据和计算值的比较。91.8%的换热关联式计算值和实验值偏差在±15%以内，99.1%的压降关联式计算值和实验值偏差在±15%以内。换热关联式的平均偏差0.4%，绝对偏差8.7%。压降关联式的平均偏差0.4%，绝对偏差6.6%。计算精度完全能够满足工程计算需要。

图4 压降因子的实验数据和计算数据对比

图5和图6是董军启的波纹翅片关联式[10]与本文关联式的预测结果对比。从图中可以看出，采用董的关联式预测的Nu数值明显较实验值偏小，平均偏差达30.3%；预测的压降因子f 明显较实验数据偏大，平均偏差达到36.6%。这主要是因为董军启的实验对象为车用水箱的波纹翅片，翅片宽度一般接近甚至大于100 mm，而本文的用于家用冷凝器的波纹翅片宽度小于50 mm，入口效应引起的强化换热效果更为明显，相同Re数下的Nu数的数值更大，两关联式的预测结果偏差达24.8%。翅片宽度减小后，空气侧压降也随之减小，两关联式的预测结构偏差达39.9%。因此从对比结果来看，对于应用于家用空调的小宽度微通道波纹翅片，采用原有关联式进行预测，偏差较大，无法满足工程设计精度，本文拟合的关联式预测精度更高。

图5 传热关联式对比

图6 压降关联式对比

4 结论

本文针对用于替代百叶窗翅片的波纹型翅片，首先将采用波纹型翅片试制7种适用于家用空调使用要求的换热器样件，其次采用换热器空气侧特性试验台架，对7种不同翅片结构参数的波纹翅片微通道换热器的空气侧传热和压降特性进行了研究。利用非线性回归和F显著性检验方法对波纹翅片进行了实验关联式拟合。所获得的波纹翅片换热和压降关联式可对90%以上的数据进行准确预测，其预测误差在15%以内。所开发的波纹翅片关联式已应用于数十款家用空调和工程车用空调冷凝器的产品开发中，计算精度完全满足工程设计需要，为波纹型翅片在家用空调室外机中的应用提供理论依据。

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[14] ISO 5167-1.2.3.4-2003 用安装在充满流体的圆形截面管道中差压装置测量流量[S].

Research on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Air Side for Outdoor Wavy Fin-tube Heat Exchanger of Residential Air Conditioner

SHI Jun-ye, CHEN Xiao-ning, LU Bing-qing, CAI Bo-wei, XU Bo, CHEN Jiang-ping*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)

With the growing demand for high effiency and low cost, the aluminum microchannel heat exchanger has attracted much attention, especially the louvered fin heat exchanger. However, the complicated structure of the louvered fin heat exchanger make the deposition of particles more easily. In this paper, the wavy fin with small fluid hysteresis area was used to replace the louver fin. The test of seven wavy fin-and-tube microchannel heat exchangers was carried out to investigate the air side heat transfer and pressure drop performance. By method of nonlinear regression and F significance analysis, the fitting heat transfer and pressure drop correlations could accurately forecast more than 90% of the data within an error of 15%.

Residential air conditioner; Outdoor heat exchanger; Wavy fin; Pressure drop characteristic

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.105

*陈江平（1970-），男，博士，教授，博士研究生导师。研究方向：制冷及低温工程、车用空调技术。联系地址：上海市闵行区东川路800号上海交通大学，邮编：200240。联系电话：021-34206775。E-mail：jpchen_sjtu@163.com。