空调系统换热器特性分析

杨涛

四川长虹空调有限公司 四川绵阳 621000

1 引言

制冷系统换热器的设计是空调系统设计最重要的环节之一，其中不仅包括确定合理的换热面积，也包括确定合适的冷媒流路。在换热面积一定的情况下，好的流路设计可以通过控制冷媒流速和阻力损失，在对流换热系数和平均换热温差间找到最优点，使空调器在换热量和能效比之间得到最佳平衡，从而使换热器的效率和经济性都得到有效发挥。

2 换热器传热分析

以制冷蒸发为例，换热器传热计算式：

式中：φ——制冷量；

A——蒸发器换热面积；

K——换热系数；

Δt——平均换热温差=tw-to，其中tw是换热管壁面温度，为简化分析设定不变；to是平均蒸发温度。

工程运用中,在确定了换热器换热面积A后，换热器的换热量φ就主要与换热系数K以及平均换热温差Δt相关。在这里，我们可以把φ=A·K·Δt看作是一次函数，如图1所示。

φ是K·Δt的函数；A是常量，也是一次函数的斜率。可见，在A确定后，函数φ的大小由K·Δt确定。也就是说，K·Δt作为变量，需要通过系统设计、匹配来使二者的乘值最优，并同时兼顾系统运行的经济性。为此我们需对K和Δt分别进行分析，找到它们各自的影响因素、强化措施，以及二者间的相互联系。

2.1 换热系数K的影响因素和强化措施

对于空调换热器来说，导热和对流换热是最主要的换热方式。其中，导热系数主要由换热器本身使用材料的物理性质、形状和厚度等因素决定，因此强化措施主要是选用导热性能良好的材料作传热间壁，并尽可能减薄间壁厚度，避免或减轻杂质污垢积聚起到的负作用。对流换热主要受流体物性、流动状态、温度条件、换热面几何特性等多种因素影响，从这些影响因素的本质出发，强化对流换热主要采用人工方法，增大对流体的扰动度，尽可能改变边界层结构状况，减小边界层特别是流底层的厚度，以降低对流热阻，增大对流换热系数。

可见，换热器材料、面积和冷媒性状确定的空调系统的换热系数K主要受对流换热强度决定，若忽略对流换热中温度变化对冷媒热物性及换热系数的影响，对流换热系数又主要由流动状态决定。

因此，在已知一些主要因素和忽略一些次要因素后，影响空调换热器换热系数最关键的因素就是流体的流动状态。为了简化分析，这里我们只对可控的冷媒的流动状态作进一步分析。研究表明[2]，冷媒的流动状态主要指其边界层厚度、紊流程度以及流动速度。其中，减小冷媒的边界层厚度、增大紊流程度，从而提高对流换热系数的有效措施，主要是采用新型高效齿型（如瘦高齿、交叉齿等）的内螺纹铜管。此措施已在家用高能效空调领域中得到了非常广泛的运用。

综上，对于一个已确定的换热器，其对流换热系数K就和流动速度这一变量直接相关。而且我们知道冷媒流速越大，其管内沸腾放热系数就越高，可见冷媒流速越高，换热系数越大，在换热器面积A和平均换热温差Δt一定的情况下，可使换热量得到提高。

图1 换热量与换热系数和平均换热温差之积的函数关系示意图

图2 焓示意图

2.2 冷媒流速对平均换热温差Δt的影响和分析

在空调换热器的实际换热过程中，冷媒和换热介质的温度并不是恒定的。在这里，仅以空气为换热介质的研究对象，由于空气温度，特别是开放空间的空气温度的变化受多种因素影响，且完全不受人为控制。因此根据简化分析需要，空气侧的温度变化不作考虑。

根据热力学理论可知，无论是冷媒高压冷凝过程还是低压蒸发过程中，实际换热时，冷媒与换热器管壁之间都存在不可避免的摩擦和自身涡流，这导致在冷凝和蒸发过程中均会产生压力降低，并导致温度降低，所以冷媒在实际蒸发和冷凝换热过程中均不是定压过程。根据蒸发器和冷凝器的不同型式，其饱和压力、饱和温度均有不同程度的降低。

再回到换热器传热计算公式：φ=A·K·Δt。理论上，一方面，在换热量φ和换热面积A不变的情况下，K·Δt也不变，所以冷媒流速越高，换热系数K越大，对应的Δt就越小，这就提高了冷媒平均蒸发温度，改善了空调器的能效指标。如图2所示，保持吸气状态1不变(蒸发过程，单位质量的冷媒制冷量不变)。

但在另一方面，冷媒流速越高，其流动阻力越大，亦即降低了蒸发器出口压力，同样也相应的降低了蒸发器出口温度，而冷媒平均蒸发温度的降低，使单位质量冷媒制冷量降低且功耗增加，从而恶化了空调器的能效指标。如图3所示，保持节流后冷媒状态不变(蒸发过程，单位质量的冷媒制冷量下降)。

综上所述，由于冷媒流速的增加，传热和流动阻力两个因素对蒸发器内平均蒸发温度带来相反的影响，因此必然存在一个相对最佳的质量流速，使得K·Δt值最大，即压缩机处于最有利的工作条件。

而实际的情况中，冷媒以及换热器对流速的影响因素非常多，想通过理论公式求解最佳质量流速是相当复杂的，而且准确度也比较低，总之对系统实际匹配的指导意义并不是太大。

因此，在各种系统匹配中，要控制到较为理想的冷媒流速，使整个换热系统发挥出相对理想的效率，还必须从系统的换热特点入手分析，而且对于目前占主流的热泵空调，内外换热器在空调制冷、制热时要轮换做蒸发器和冷凝器使用，因此在冷媒流速匹配时，还需兼顾二者的平衡。

3 换热器压降分析、测试

在热泵空调系统中，室内外换热器不是做蒸发器就是做冷凝器，冷媒在其中也对应着蒸发和冷凝换热，实际上冷媒在蒸发器和冷凝器中的换热特点决定了其压降的不同，蒸发过程是冷媒在相对低压液态下的吸热气化过程，其气化比容大，质量流速也大。冷凝过程是冷媒在相对高压气态下的放热冷凝过程，其气化比容小，质量流速也小。因此，与换热器作为蒸发器的用途相比，同样的长度，流程阻力损失更大；作为冷凝器用途来说，同样的长度，流程阻力损失更小。

所以理论上讲，当换热器作为冷凝器时，适当减少冷媒流路（相当于减小冷媒流通面积），可以使冷媒在压降不大的前提下，提高流速和换热系数，可以使冷媒的绝对换热量提高，形成更大的过冷度，从而有效降低冷媒节流后的干度，减少冷量损失，提高换热效率；换热器作为蒸发器时，适当增加冷媒流路（相当于增加冷媒流通面积），可以降低冷媒流速，减小压力损失造成的影响。当热泵空调换热器在制冷、制热切换时，其换热器也会在蒸发器和冷凝器间切换，因此在系统冷媒流路设计与匹配时，必须考虑两种情况下的换热效果，流路设计必须兼顾制冷、制热，选择一个折中的流路，从而达到一个相对理想的平衡。

为得到进一步的数据支撑，我们选择了一款较为典型的家用空调室外机换热器（共有24根大U管）来进行研究和测试。并且为了方便对不同流路进行实测效果对比，我们为其匹配了相同的内机和相同的冷媒充注量。同时，为了测试压力损失情况，我们在换热器的两端还分别外接了压力传感器以进行压力测试和计算。具体测试数据如表1所示。

从表1中的测试数据可得出以下结论：

（1）制冷时，两流路制冷能力及能效最好，压差最大；四流路制冷能力及能效最差，压差最小；三流路介于二者之间；

（2）制热时，四流路制热能力及能效最好，压差最小；两流路制热能力及能效最差，压差最大；三流路介于二者之间；

（3）从制冷、制热换热器压差数据对比，换热器做蒸发器时压力损失比做冷凝器时大得多；

（4）换热器做冷凝器时，压力损失对能力、能效的影响比做蒸发器时影响小，这是因为蒸发器流路过少会导致蒸发温度过低，产生的过量冷凝水会超过其排水能力，使换热阻力增加，换热量降低。

另外，在调试不同流路系统的过程中，也进一步验证了冷媒流速和换热器压力损失的关系，结果如表2所示。

从表2中的测试数据可以得出以下结论：

（1）当减冷媒或加长毛细管时，换热器内冷媒质量流速减小，压力损失减小；

（2）当加冷媒或减短毛细管时，换热器内冷媒质量流速增大，压力损失减大；

（3）加冷媒时，换热器入口和出口压力均升高，其中入口压力升幅更大，因此总的压力损失增大。减冷媒时以上压力变化刚好相反。

（4）加长毛细管时，蒸发器入口和出口压力均降低，其中入口压力降幅更大，因此总的压力损失减小；冷凝器入口和出口压力均升高，其中出口压力升幅更大，因此总的压力损失减小。减短毛细管时以上压力变化刚好相反。

表1 不同流路方案的性能测试结果

表2 换热器压力损失测试结果

图3 焓示意图

4 结论

综上，现有的单冷空调由于换热器功能固定不变，可以在流路设计上根据蒸发器和冷凝器各自的换热和冷媒压降特点，进行针对性设计，比如蒸发器可以适当增加冷媒流路，减小压力损失，冷凝器可以适当减少冷媒流路，增加换热系数，从而在整体上提高空调效率；但热泵空调在换热器流路设计和实际的系统匹配中，根据空调能力大小、换热器大小和冷媒物性，需要在制冷、制热之间找到一个好的平衡点，不能顾此失彼。过分追求制冷或者制热效果，反而会使空调器的整体效率降低。