平行流换热器在空调器柜机中应用的实验研究

代传民 滕兆龙 马强 张明杰

1. 青岛海尔智能技术研发有限公司 山东青岛 266103；

2. 青岛海尔空调器有限总公司 山东青岛 266103；

3. 数字化家电国家重点实验室 山东青岛 266103

1 引言

平行流换热器是一种基于微通道技术发展起来的高效紧凑式换热器[1]。现有研究表明，与传统铜管铝翅片的管翅式换热器相比，平行流换热器采用全铝结构，具有体积小、成本低、换热效率高等优势[2]，这与当前空调产品低成本、高能效、节能节材的市场需求相适应，因此得到了制冷空调行业的普遍关注[3]。

与管翅式换热器相比，平行流换热器具有以下优点：由于横截面积小于圆管，因此空气侧的阻力较小；翅片效率和翅片当量高度负相关，管翅式换热器因受U型传热管的弯曲半径所限，翅片效率较低，而平行流换热器无此限制，翅片效率相对较高[4]；平行流换热器可以灵活调整流程的扁管分布，使制冷剂侧换热能力增加时阻力较小；其扁管和翅片采用的焊接方式决定了他们的接触热阻较小[5]，且为全铝换热器，更容易回收[6]。目前，关于平行流换热器的传热机制[7,8]、传热性能及其影响因素已开展了较多研究，并在风冷式冷水机组室外机上已有工程应用，但在房间空调器中的应用研究还相对较少。本文以R410A空调柜机为例，通过实验方法对比分析室内机分别采用平行流换热器和管翅式换热器时的空调器性能，并进一步提出改善平行流换热器柜机制热性能的技术方案。

2 实验设计

为对比室内机换热器采用平行流与普通管翅式换热器时空调器的性能，制作了两台5 hp柜机空调器为实验样机。实验样机保持室外机配置完全相同，室内机换热器分别采用平行流换热器和管翅式换热器，其相关参数如表1所示。其中，平行流换热器的长宽尺寸与管翅式换热器相当，结构示意如图1所示。

图1 平行流换热器扁管和翅片的结构示意图

表1 5 hp空调柜机实验样机的主要配置与结构参数

按照国标GB/T 7725-2004规定，将两台样机在焓差室内进行制冷与制热实验，其制冷实验工况：室外干/湿球温度为35℃/24℃，室内干/湿球温度为27℃/19℃；制热实验工况：室内干/湿球温度为20℃/15℃，室外干/湿球温度为7℃/6℃。

3 结果分析

3.1 制冷运行

分别调节两台样机的制冷剂充注量、压缩机频率和电子膨胀阀开度，使其制冷量和EER达到最佳水平，测得的数据如表2所示。

表2 实验样机的制冷性能

从测试数据可知，管翅式换热器样机的制冷剂充注量为5100 g，制冷量为13720 W，EER为3.1；平行流换热器样机的制冷剂充注量为4500 g，制冷量为15126 W，EER为3.2，制冷剂充注量相比于管翅式样机减少11.8%；而制冷量增加1406 W，提升10.2%；平行流换热器与普通管翅式换热器因空气流通时气流组织发生变化，风阻降低，内机风量提升4.7%。

由图1的平行流换热器结构可知，平行流换热器由多孔扁管、翅片采用焊接方式形成，与铜铝管翅式换热器相比消除了铜管与翅片间的接触热阻，提高了导热性能，不存在由于电位差而引起的腐蚀。平行流换热器采用扁管设计，对于空气侧，产生的热边界层有益于强化空气侧的传热，可有效降低风扇的功耗；对于制冷剂侧，制冷剂流道被分为若干个平行通道，其换热系数h=Nu•k/d（Nu为努谢尔特数，d为水力直径，k为导热系数），由于水力直径的减小而显著提高，故其性能优于管翅式换热器。

在实验过程中，通过热成像仪得到制冷时蒸发器出风侧温度分布，并按照规律选取20个点进行温度采集，如图2所示，从测试结果可以看出，换热器的温度分布较为均匀，温度从左到右，随着制冷剂方向从下到上有逐渐升高的趋势。

图2 制冷运行时蒸发器出风侧的温度分布图

3.2 制热运行

两台样机均保持制冷剂充注量不变，调节电子膨胀阀开度及压缩机频率对空调器进行调试，得出最佳的制热量及制热能效比COP，其结果如表3所示。

表3 实验样机的制热性能

从表3中可以看出，在保持各自制冷剂充注量与制冷运行时相同的情况下，平行流换热器样机的制热量明显小于管翅式换热器样机，制热量由15500 W衰减至14609 W，COP由3.6衰减至3.4。经分析，其衰减原因在于：在制热工况下大部分制冷剂聚集在冷凝器中，当平行流换热器作为冷凝器使用时由于其内容积小，制热量降低；冷凝压力升高，能效比降低。因此，必须将制热运行时多余的制冷剂充注量进行储存并提升室外换热器的供液量。针对此问题本文提出优化方案。

4 优化方案

在原平行流换热器样机的基础上增加闪蒸器及节流器件，构成如图3所示的改进制冷循环，即在电子膨胀阀（节流装置3）和室外换热器之间增设闪蒸器，同时增设节流装置1和节流装置2，并对系统进行控制，以改善空调器的制热性能。

图3 优化后柜机的制冷循环原理图

优化后样机的控制策略为：制冷运行时，关闭节流装置1，节流装置2全开，节流装置3起到节流作用；制热运行时，节流装置2和节流装置3均起节流作用，其中利用节流装置2控制系统的蒸发压力，节流装置3将制冷剂节流至中压状态，节流装置1将闪蒸器中的中压气体减压至蒸发压力并直接进入压缩机吸气管。闪蒸器在制热时具有两个功能：（1）储存部分液态制冷剂，缓解平行流内容积小带来的不利影响；（2）使更多的液态制冷剂进入室外换热器，保证供液充分及分流均匀，从而提升换热效果。

在额定工况对优化后的样机进行性能测试，其性能数据如表4所示。

表4 不同系统制冷制热性能对比

从实验结果可知，在保持制冷剂充注量为制冷运行最佳充注量4500 g的条件下，优化后的闪蒸器+平行流换热器样机与优化前平行流换热器样机相比，其制冷量和EER水平保持相当，而制热量则由14609 W提升至15560 W，COP由3.4提升至3.6。可见，优化后样机的制热量及COP相比于采用管翅式换热器时略有提升。

5 结论

本文将平行流换热器应用在5 hp空调器柜机的室内机中，通过实验方法对比分析其与采用管翅式室内换热器时的性能，获得了如下结论：

（1）与采用管翅式室内换热器的空调器相比，采用平行流换热器时，其室内机风量略有增加，空调器的制冷量提升了10.2%，但其制热量衰减5.7%。

（2）采用闪蒸器+平行流换热器的空调器与仅采用平行流换热器的空调器相比，其制冷量相当，制热量提高6.5%，制热COP提高5.9%；制热量和COP比采用管翅式换热器的空调器略有提升。

由于平行流换热器作为室内机换热器的制冷系统时增加闪蒸器，大幅增加了系统的控制工作量和成本，今后尚需对其进行优化并充分验证其应用可靠性。