管排数对翅片管式换热器换热性能的影响

刘梦悦， 柳建华， 张 良

（上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093）

换热器又称作热交换器，在动力、石油、暖通、化工等生产中有着广泛的应用。翅片管式换热器是一种带翅的管式热交换器，翅片管由基管与翅片组成的，基管一般分为圆管、椭圆管与扁平管，翅片的种类主要有平翅、波纹翅与间断翅等。翅片管式换热器中，管内外流体通过管壁和翅片进行热量的交换，因而翅片管式换热器的传热面积得以增加，并且还可以促进流体的湍流，相较于光管提高了传热系数。目前，风冷翅片管式换热器广泛应用于家用变频空调器中，具有高效、结构紧凑、轻巧等优点。

张幕瑾研究发现，管排数越少，传热系数越大，管排数最好不要大于3[1]。Wang C C[2]利用风洞试验，对18台具有不同几何参数的波纹翅片管式换热器做出研究，结果表明翅片间距对J因子的影响可以忽略不计，管排数对压降因子的因子可忽略。张圆明等[3]对7个带亲水层的波纹翅片管换热器进行试验研究，分别用换热因子和摩擦因子来反映空气侧换热和压降特性，发现空气侧的换热因子随着管排数的增加而减小，管排数对摩擦因子的影响不显著，带亲水层的波纹翅片管换热器空气侧的压降特性比不带亲水层的换热器要更好一些。Fethi Halıcı等[4]在保证雷诺数一定，气流速度范围为0.9～4 m/s的前提下，确定了不同管束排数下的传热系数、换热因子和摩擦因子，结果表明，湿表面的换热因子和摩擦因子均高于干表面，并且在这两种情况下，随着管排数的增加，换热因子和摩擦因子均减小。

对于不同管排数的翅片管换热器，一些学者通过实验研究了管排数不同对传热系数、压降因子、换热因子和摩擦因子等方面的影响，而针对换热器的管排数不同以及结合不同制冷剂质量流量变化对换热量和压降等方面的影响研究较少，因此本文首先选择市场上销售量占比较高的格力与美的品牌的3台1.5匹家用变频空调器进行拆机调研，室外换热器的管排数分别为1、2、3排，充注的制冷剂均为R410A，通过焓差实验研究管排数不同对换热量的影响。其次为了验证Coil Designer软件的误差，将其中的1排管换热器用焓差实验与Coil Designer软件模拟进行对比验证后，改变制冷剂R410A与R32的质量流量，模拟得出不同制冷剂质量流量变化时对不同管排数换热器的换热量与压降性能的影响，可为翅片管式换热器的设计提供借鉴，有利于翅片管换热器的应用与发展。

1 实验

图1为实验装置原理图，进风干、湿球温度分别为35℃、24℃，测得换热器进出口空气的温度与压力后查压焓图，从而得到换热器进出口之间的焓差，再乘以喷嘴流量计测得的空气流量便可知换热量。

其中，干/湿球温度传感器的精度为0.50%，压差传感器（0～300 kPa）的精度为0.01%，喷嘴流量计（0～300 m3/h）的精度为0.25%。3台换热器中充注的制冷剂均为R410A，其测试条件如表1所示。

表1 室外换热器测试条件

通过实验利用空气焓差法测得换热量后，应用理论计算得到换热面积以及传热系数等，结果如表2所示。计算过程如式（1）～（5）所示。

管内换热面积：

式中：Ai为管内换热面积，m2；fi为每米管长管内面积，m2/m；L为管总长，m。

图1 实验装置布置原理图

管外换热面积：

式中：Ao为管外换热面积，m2；fof为每米管长翅片侧总面积，m2/m；L为管总长，m。

其次，计算这3台变频空调器室外换热器的管内/外侧换热系数。

叉排管束空气侧表面传热系数：

式中：αof为管外侧换热系数，W/m2·℃；C、Ψ为系数；λa为空气的导热率，W/m·℃；de为当量直径，m；Ref为雷诺数；b为翅片宽度，m；m、n为指数。

制冷剂在管内凝结放热系数：

式中：αi为管内侧换热系数，W·(m2·℃)-1；B为系数；di为翅片管基管内径，m；tk为冷凝温度，℃；twi为管内壁温度，℃。

冷凝器的总传热系数：

式中：Kof为总传热系数，W·(m2·℃)-1；β为翅化系数；αi为管内侧换热系数，W/m2·℃；r0为污垢热阻，W·(m2·℃)-1；αj为当量表面传热系数，W·(m2·℃)-1。

表2 性能参数对比

随着换热器管排数的增加，管外换热面积和管内换热面积逐渐增大，其增长趋势如图2左图所示，管排数从1排增加至2排后，管外换热面积增加了22.33%，管内换热面积增加44.55%；管排数从2排增加至3排，管外换热面积增加72.42%，管内换热面积增加43.35%。传热系数随着管排数的增加缓慢降低，这是因为换热器的热阻大部分是在空气侧，所以管外侧换热系数的变化对传热系数的影响更大。换热量随着管排数的增加而提高，变化趋势如图2右图所示，管排数从1排增加至2排，传热系数降低7.77%，换热量增加15.58%；管排数从2排增加至3排，传热系数降低13.70%，换热量仅增加7.59%。管排数增加，换热量的增加幅度减小，是因为空气侧的压降增加，风量变小使管外侧的换热系数逐渐变小，并且，湿空气比焓差的增加量逐渐减小，所以总换热量的增加趋势变小[5]。

2 结果与讨论

2.1 模拟结果与实验结果对比

为了验证Coil Designer软件的误差，选择1排换热器进行模拟与实验，将两者得出的结果进行对比验证。1号空调的室外换热器基本参数：制冷剂为R410A，充注量为1.12 kg，室外换热器的长度为880 mm，内螺纹铜管的外径为9.52 mm，内径为8.66 mm，管间距、排间距分别为25.25 mm、21.87 mm，管排数为1排，翅片节距为1.11 mm，翅片厚度为0.08 mm。

模拟的条件：大气压力为101 325 Pa，空气进口风速1.45～1.75 m/s，空气侧进风干球温度35℃，进风湿球温度24℃；制冷剂进口压力为3.118 MPa，进口温度352.19 K。模拟中用到的经验公式如表3所示，1排换热器的流程布置如图3所示。

表3 经验关联式

制冷剂出口温度以及换热器换热量的实验数据和模拟结果对比如图 4、5所示，从图中可以看出，模拟与实验的差值比较小。模拟得出的出口温度比实验测出的低大约 2℃；换热量方面，模拟结果比实验结果偏小，误差在9%以内。因而，使用Coil Designer软件对换热器进行模拟研究是合理的。

图2 室外换热器性能随管排数的变化

图3 换热器流程布置

2.2 模拟结果及分析

为了研究不同制冷剂的质量流量变化时不同管排数对翅片管式换热器压降以及换热量的影响，对这3台换热器用Coil Designer软件进行模拟。

模拟条件：大气压力为101 325 Pa，空气进口风速1.75 m/s，空气侧进风干球温度35℃，进风湿球温度24℃；制冷剂进口压力为3.118 MPa，进口温度352.19 K，质量流量范围为0.01～0.10 kg/s。

当制冷剂为R410A时，换热器性能变化如图6所示。当制冷剂的质量流量从0.01 kg/s增加至0.10 kg/s，换热量、管内侧换热系数以及压降都呈现上升趋势。管排数为1排的换热器换热量在R410A的质量流量为0.01 kg/s～0.03 kg/s时上升较快，在质量流量大于0.03 kg/s之后，上升趋势缓慢；2排管换热器的换热量在制冷剂质量流量范围为0.01 kg/s～0.04 kg/s时上升比较快；3排管换热器的换热量在R410A的质量流量为0.01 kg/s～0.06 kg/s时上升趋势较为明显。对于管排数不同的换热器，在R410A质量流量小于0.07 kg/s时，这3台换热器的压降十分接近，随后3排管换热器的压降增长越来越快，迅速超过另外两台换热器。

当换热器充注制冷剂为R32时，换热器性能随制冷剂质量流量变化趋势如图7。管排数为1排的换热器，其换热量在R32的质量流量为0.01 kg/s～0.02 kg/s时上升比较快；在R32质量流量范围为0.01 kg/s～0.03 kg/s时，2排管换热器的换热量上升比较快；3排管换热器的换热量在R32的质量流量为0.01 kg/s～0.04 kg/s时上升趋势较为明显。这 3台换热器压降随着制冷剂质量流量的增加而提高，在质量流量小于0.05 kg/s时，压降值基本一致。

图4 模拟与实验出口温度比较

图5 模拟与实验换热量比较

图6 R410A质量流量变化的影响

制冷剂压降升高会使该制冷系统的高低压压力差值增大，进而会增大压缩机的功耗，导致制冷系统的能效降低。对于管排数不同的换热器，存在一个制冷剂质量流量最佳区间，使换热器在保证压降不过大的前提下，换热量也很高，使换热性能得到综合性最优。因此，为了兼顾压降和换热效果，当换热器充注的制冷剂为R410A时，1、2、3排管换热器制冷剂质量流量的最优区间分别为0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s、0.04 kg/s～0.05 kg/s；当制冷剂为R32时，1、2、3排管换热器制冷剂质量流量的最优区间分别为 0.01 kg/s～0.02 kg/s、0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s。

当质量流量相同时，不论充注的制冷剂是R410A还是R32，3排管换热器的换热量最大，这是因为其换热面积最大，但是管排数越多的同时用铜量会越高，成本也就越高，在保证换热量最大的同时要注意成本的问题。

3 结论

1）制冷量为3 500 W的变频空调，制冷剂R410A时，通过焓差实验得出结论：管排数从1排增加至2排、2排增加至3排时，换热量分别增加了15.58%、7.59%。但是由于空气侧的压降增加，风量变小使管外侧的换热系数逐渐变小，所以换热量的增加趋势变小。

2）将1排管换热器利用焓差实验与Coil Designer软件模拟进行对比，模拟得出的出口温度比实验测出的低大约2℃，换热量低9%以内，可得出使用Coil Designer软件模拟是合理的。当制冷剂质量流量变化时，模拟结果表明：制冷剂相同时，管排数不同的翅片管式换热器，其换热量和压降都随着制冷剂质量流量的增加而提高，所以在压降不能太大的前提下，存在一个质量流量最佳区间，使换热器换热性能最优化。制冷剂不同时，对于不同管排数的换热器，最佳区间是不一样的。

3）模拟结果还表明：不论制冷剂是R410A还是R32，质量流量相同时，3排管换热器的换热量是最大的，这是因为其换热面积大于1排和2排的换热器，但是管排数越多会造成用铜量增加的后果，成本也会相应的提高，所以在设计翅片管换热器想要提高换热量的同时要考虑成本不能太高。

图7 R32质量流量变化的影响