房间空调器中翅片铜管式换热器最优流路设计

摘 要 房间空调器由内机和外机组成。内外机均采用翅片铜管式换热器，在设计换热器时经常被流路设计所困扰，每一个流路铜管长度应该设计成多少？目前为止全凭经验和不断的实验测试来确定，浪费了大量的开发时间和开发成本却没有形成一个完整的设计指导参数。针对该问题本文中研究了不同管径下内机换热器的最优流路设计，确定了最优流路的铜管设计长度，为后续开发提供参考依据。

关键词 空调器；换热器；质量流量；蒸发温度；过热度；模拟仿真

中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-056-02

在空调器的设计开发过程中，换热器的流路设计是一个复杂且重要的步骤之一。流路设计直接影响换热能力机组成本以及系统的可靠性，所以换热器的流路设计至关重要。本文中主要针对内机的换热器进行研究分析，采用模拟仿真的方法得出每一个流路的最优铜管长度，为后续空调器的换热器的设计提供理论依据减少反复上试验台验证次数。因为制冷剂有很多种规格，本文中主要研究采用R410A环保冷媒的每个流路最优铜管长度。

房间空调有很多种不同的类型：风管机、壁挂机、座吊机、天井机等，不论什么类型的机组在同等风量和制冷剂流量条件下铜管换热能力几乎是相同的，所以只要研究一种类型的机组既可。

1 研究对象及范围的确定

本文中主要研究风管机内机换热器，为了研究更具有普遍性确定铜管规格为常用的7 mm，8 mm，9.52 mm，冷量范围为设定为最具有代表性的12 kW机组，风量范围2000 m3/h。蒸发器结构为常规的矩形换热器，翅片采用开窗片，如表1所示。

表1 研究对象及范围

2 模拟仿真原理简介

根据制冷剂的状态和流动换热状况不同将蒸发器分为三个区：液体区、两相沸腾区、过热气体区。模型为一维流动换热模型假设蒸发器模型由若干个微元组成的一维流动换热模型，如图1所示。

图1 蒸发器一维模型微元模型示意图

对于该微元，可以建立如下的方程组：

空气侧能量方程：

制冷剂侧能量方程：

两侧能量平衡方程：

微元换热方程：

管壁长度

制冷剂侧压降：

空气侧压降：

以上各公式中，Q，h，T和m分别为换热量，焓值，温度和质量流量，为制冷剂侧的换热面积，为空气侧总表面积，为空气流通截面积，是最小流通面积与迎风面积之比。为定义在上的空气质量通量。下标a代表空气侧，r代表制冷剂侧，i代表关内制冷剂侧，in和out分别代表进口和出口。平均温差按对数平均温差计算，U为基于制冷剂侧的换热面积的总传热系数，计算公式为：

式中，为制冷剂侧的表面传热系数，为空气侧表面传热系数，为管壁（含翅片）热阻；为换热器管内，外换热面积之比，对于每个微元都可以认为都等于换热器总的关内，外换热面积之比。所有的微元模型和相互间的参数进行耦合就可以得到整个蒸发器的模型。

3 建立模型

换热器为蒸发器时：

设定条件：当制冷剂流向与风流向相同时即顺流条件下固定换热器尺寸风量翅片类型和片距。

通过不断调整每一个流路的铜管长度得出对应的换热能力。

设定蒸发温度为7度，节流前温度42度，过热度3度。模拟结果：

7mm管径换热器：随着每个流路铜管长度增加的能力变化情况如图2所示。

结论：由上图我们可以观察到对于7 mm管径的换热器，当每个流路铜管长度为4 m时能力发挥的最大，从曲线可以确定铜管长度最优设计范围为3 m～4 m。

8 mm管径换热器：随着每个流路铜管长度增加的能力变化情况如图3所示。

结论：由上图我们可以观察到对于8 mm管径的换热器，当每个流路铜管长度为4 m时能力发挥的最大，从曲线可以确定铜管长度最优设计范围为3 m～4 m。过冷度为3度。

9.52 mm管径换热器：随着每个流路铜管长度增加的能力变化情况如图4所示。

结论：由上图我们可以观察到对于9.52 mm管径的换热器，当每个流路铜管长度为5 m时能力发挥的最大，从曲线可以确定铜管长度最优设计范围为5 m～6 m。

换热器为冷凝器时：

建立模型，输入参数情况如图5所示。

模拟结论如下：7 mm管径换热器转换成冷凝器时，换热能力与每一路铜管长度的对应关系曲线如图6所示：

小结：由以上曲线可以确定当换热器做为冷凝器时随着铜管的长度增加换热量增大。当铜管长度增大到一定数值时呈下降趋势。最优铜管长度为9.8 m，即当设计分路时铜管长度应在9.8 m左右。

8 mm管径换热器转换成冷凝器时，换热能力与每一路铜管长度的对应关系曲线如图7所示。

小结：由上述曲线可以确定流路越长换热能力越大，达到一定程度后会降低，但因为15.6～35.28中间跨度较大，不能确定最佳的铜管长度。9.52 mm管径换热器转换成冷凝器时换热能力与每一路铜管长度的对应关系曲线如图8所示。

小结：上述曲线变化与8 mm管径相同，换热能力先随着铜管长度的增大而增大，增大到一定程度后降低。

综上，我们可以看到换热器作为蒸发器和冷凝器时最佳分路不同的，需综合考虑两种状况下的换热能力。

4 结论

内机换热器分路设计时，每一个流路的最优铜管长度如下：

7 mm管径换热器，每一路流程铜管长度3 m～5 m。

8 mm管径换热器，每一路流程铜管长度4 m～6 m。

9.52 mm管径换热器，每一路流程铜管长度5 m～8 m。

参考文献

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[5]杨世铭，淘文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

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