劉夢悅， 柳建華， 張 良

（上海理工大學 上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093）

換熱器又稱作熱交換器，在動力、石油、暖通、化工等生產中有著廣泛的應用。翅片管式換熱器是一種帶翅的管式熱交換器，翅片管由基管與翅片組成的，基管一般分為圓管、橢圓管與扁平管，翅片的種類主要有平翅、波紋翅與間斷翅等。翅片管式換熱器中，管內外流體通過管壁和翅片進行熱量的交換，因而翅片管式換熱器的傳熱面積得以增加，并且還可以促進流體的湍流，相較于光管提高了傳熱系數。目前，風冷翅片管式換熱器廣泛應用于家用變頻空調器中，具有高效、結構緊湊、輕巧等優(yōu)點。

張幕瑾研究發(fā)現(xiàn)，管排數越少，傳熱系數越大，管排數最好不要大于3[1]。Wang C C[2]利用風洞試驗，對18臺具有不同幾何參數的波紋翅片管式換熱器做出研究，結果表明翅片間距對J因子的影響可以忽略不計，管排數對壓降因子的因子可忽略。張圓明等[3]對7個帶親水層的波紋翅片管換熱器進行試驗研究，分別用換熱因子和摩擦因子來反映空氣側換熱和壓降特性，發(fā)現(xiàn)空氣側的換熱因子隨著管排數的增加而減小，管排數對摩擦因子的影響不顯著，帶親水層的波紋翅片管換熱器空氣側的壓降特性比不帶親水層的換熱器要更好一些。Fethi Hal?c?等[4]在保證雷諾數一定，氣流速度范圍為0.9～4 m/s的前提下，確定了不同管束排數下的傳熱系數、換熱因子和摩擦因子，結果表明，濕表面的換熱因子和摩擦因子均高于干表面，并且在這兩種情況下，隨著管排數的增加，換熱因子和摩擦因子均減小。

對于不同管排數的翅片管換熱器，一些學者通過實驗研究了管排數不同對傳熱系數、壓降因子、換熱因子和摩擦因子等方面的影響，而針對換熱器的管排數不同以及結合不同制冷劑質量流量變化對換熱量和壓降等方面的影響研究較少，因此本文首先選擇市場上銷售量占比較高的格力與美的品牌的3臺1.5匹家用變頻空調器進行拆機調研，室外換熱器的管排數分別為1、2、3排，充注的制冷劑均為R410A，通過焓差實驗研究管排數不同對換熱量的影響。其次為了驗證Coil Designer軟件的誤差，將其中的1排管換熱器用焓差實驗與Coil Designer軟件模擬進行對比驗證后，改變制冷劑R410A與R32的質量流量，模擬得出不同制冷劑質量流量變化時對不同管排數換熱器的換熱量與壓降性能的影響，可為翅片管式換熱器的設計提供借鑒，有利于翅片管換熱器的應用與發(fā)展。

1 實驗

圖1為實驗裝置原理圖，進風干、濕球溫度分別為35℃、24℃，測得換熱器進出口空氣的溫度與壓力后查壓焓圖，從而得到換熱器進出口之間的焓差，再乘以噴嘴流量計測得的空氣流量便可知換熱量。

其中，干/濕球溫度傳感器的精度為0.50%，壓差傳感器（0～300 kPa）的精度為0.01%，噴嘴流量計（0～300 m3/h）的精度為0.25%。3臺換熱器中充注的制冷劑均為R410A，其測試條件如表1所示。

表1 室外換熱器測試條件

通過實驗利用空氣焓差法測得換熱量后，應用理論計算得到換熱面積以及傳熱系數等，結果如表2所示。計算過程如式（1）～（5）所示。

管內換熱面積：

式中：Ai為管內換熱面積，m2；fi為每米管長管內面積，m2/m；L為管總長，m。

圖1 實驗裝置布置原理圖

管外換熱面積：

式中：Ao為管外換熱面積，m2；fof為每米管長翅片側總面積，m2/m；L為管總長，m。

其次，計算這3臺變頻空調器室外換熱器的管內/外側換熱系數。

叉排管束空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂担?/p>

式中：αof為管外側換熱系數，W/m2·℃；C、Ψ為系數；λa為空氣的導熱率，W/m·℃；de為當量直徑，m；Ref為雷諾數；b為翅片寬度，m；m、n為指數。

制冷劑在管內凝結放熱系數：

式中：αi為管內側換熱系數，W·(m2·℃)-1；B為系數；di為翅片管基管內徑，m；tk為冷凝溫度，℃；twi為管內壁溫度，℃。

冷凝器的總傳熱系數：

式中：Kof為總傳熱系數，W·(m2·℃)-1；β為翅化系數；αi為管內側換熱系數，W/m2·℃；r0為污垢熱阻，W·(m2·℃)-1；αj為當量表面?zhèn)鳠嵯禂?，W·(m2·℃)-1。

表2 性能參數對比

隨著換熱器管排數的增加，管外換熱面積和管內換熱面積逐漸增大，其增長趨勢如圖2左圖所示，管排數從1排增加至2排后，管外換熱面積增加了22.33%，管內換熱面積增加44.55%；管排數從2排增加至3排，管外換熱面積增加72.42%，管內換熱面積增加43.35%。傳熱系數隨著管排數的增加緩慢降低，這是因為換熱器的熱阻大部分是在空氣側，所以管外側換熱系數的變化對傳熱系數的影響更大。換熱量隨著管排數的增加而提高，變化趨勢如圖2右圖所示，管排數從1排增加至2排，傳熱系數降低7.77%，換熱量增加15.58%；管排數從2排增加至3排，傳熱系數降低13.70%，換熱量僅增加7.59%。管排數增加，換熱量的增加幅度減小，是因為空氣側的壓降增加，風量變小使管外側的換熱系數逐漸變小，并且，濕空氣比焓差的增加量逐漸減小，所以總換熱量的增加趨勢變小[5]。

2 結果與討論

2.1 模擬結果與實驗結果對比

為了驗證Coil Designer軟件的誤差，選擇1排換熱器進行模擬與實驗，將兩者得出的結果進行對比驗證。1號空調的室外換熱器基本參數：制冷劑為R410A，充注量為1.12 kg，室外換熱器的長度為880 mm，內螺紋銅管的外徑為9.52 mm，內徑為8.66 mm，管間距、排間距分別為25.25 mm、21.87 mm，管排數為1排，翅片節(jié)距為1.11 mm，翅片厚度為0.08 mm。

模擬的條件：大氣壓力為101 325 Pa，空氣進口風速1.45～1.75 m/s，空氣側進風干球溫度35℃，進風濕球溫度24℃；制冷劑進口壓力為3.118 MPa，進口溫度352.19 K。模擬中用到的經驗公式如表3所示，1排換熱器的流程布置如圖3所示。

表3 經驗關聯(lián)式

制冷劑出口溫度以及換熱器換熱量的實驗數據和模擬結果對比如圖 4、5所示，從圖中可以看出，模擬與實驗的差值比較小。模擬得出的出口溫度比實驗測出的低大約 2℃；換熱量方面，模擬結果比實驗結果偏小，誤差在9%以內。因而，使用Coil Designer軟件對換熱器進行模擬研究是合理的。

圖2 室外換熱器性能隨管排數的變化

圖3 換熱器流程布置

2.2 模擬結果及分析

為了研究不同制冷劑的質量流量變化時不同管排數對翅片管式換熱器壓降以及換熱量的影響，對這3臺換熱器用Coil Designer軟件進行模擬。

模擬條件：大氣壓力為101 325 Pa，空氣進口風速1.75 m/s，空氣側進風干球溫度35℃，進風濕球溫度24℃；制冷劑進口壓力為3.118 MPa，進口溫度352.19 K，質量流量范圍為0.01～0.10 kg/s。

當制冷劑為R410A時，換熱器性能變化如圖6所示。當制冷劑的質量流量從0.01 kg/s增加至0.10 kg/s，換熱量、管內側換熱系數以及壓降都呈現(xiàn)上升趨勢。管排數為1排的換熱器換熱量在R410A的質量流量為0.01 kg/s～0.03 kg/s時上升較快，在質量流量大于0.03 kg/s之后，上升趨勢緩慢；2排管換熱器的換熱量在制冷劑質量流量范圍為0.01 kg/s～0.04 kg/s時上升比較快；3排管換熱器的換熱量在R410A的質量流量為0.01 kg/s～0.06 kg/s時上升趨勢較為明顯。對于管排數不同的換熱器，在R410A質量流量小于0.07 kg/s時，這3臺換熱器的壓降十分接近，隨后3排管換熱器的壓降增長越來越快，迅速超過另外兩臺換熱器。

當換熱器充注制冷劑為R32時，換熱器性能隨制冷劑質量流量變化趨勢如圖7。管排數為1排的換熱器，其換熱量在R32的質量流量為0.01 kg/s～0.02 kg/s時上升比較快；在R32質量流量范圍為0.01 kg/s～0.03 kg/s時，2排管換熱器的換熱量上升比較快；3排管換熱器的換熱量在R32的質量流量為0.01 kg/s～0.04 kg/s時上升趨勢較為明顯。這 3臺換熱器壓降隨著制冷劑質量流量的增加而提高，在質量流量小于0.05 kg/s時，壓降值基本一致。

圖4 模擬與實驗出口溫度比較

圖5 模擬與實驗換熱量比較

圖6 R410A質量流量變化的影響

制冷劑壓降升高會使該制冷系統(tǒng)的高低壓壓力差值增大，進而會增大壓縮機的功耗，導致制冷系統(tǒng)的能效降低。對于管排數不同的換熱器，存在一個制冷劑質量流量最佳區(qū)間，使換熱器在保證壓降不過大的前提下，換熱量也很高，使換熱性能得到綜合性最優(yōu)。因此，為了兼顧壓降和換熱效果，當換熱器充注的制冷劑為R410A時，1、2、3排管換熱器制冷劑質量流量的最優(yōu)區(qū)間分別為0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s、0.04 kg/s～0.05 kg/s；當制冷劑為R32時，1、2、3排管換熱器制冷劑質量流量的最優(yōu)區(qū)間分別為 0.01 kg/s～0.02 kg/s、0.02 kg/s～0.03 kg/s、0.03 kg/s～0.04 kg/s。

當質量流量相同時，不論充注的制冷劑是R410A還是R32，3排管換熱器的換熱量最大，這是因為其換熱面積最大，但是管排數越多的同時用銅量會越高，成本也就越高，在保證換熱量最大的同時要注意成本的問題。

3 結論

1）制冷量為3 500 W的變頻空調，制冷劑R410A時，通過焓差實驗得出結論：管排數從1排增加至2排、2排增加至3排時，換熱量分別增加了15.58%、7.59%。但是由于空氣側的壓降增加，風量變小使管外側的換熱系數逐漸變小，所以換熱量的增加趨勢變小。

2）將1排管換熱器利用焓差實驗與Coil Designer軟件模擬進行對比，模擬得出的出口溫度比實驗測出的低大約2℃，換熱量低9%以內，可得出使用Coil Designer軟件模擬是合理的。當制冷劑質量流量變化時，模擬結果表明：制冷劑相同時，管排數不同的翅片管式換熱器，其換熱量和壓降都隨著制冷劑質量流量的增加而提高，所以在壓降不能太大的前提下，存在一個質量流量最佳區(qū)間，使換熱器換熱性能最優(yōu)化。制冷劑不同時，對于不同管排數的換熱器，最佳區(qū)間是不一樣的。

3）模擬結果還表明：不論制冷劑是R410A還是R32，質量流量相同時，3排管換熱器的換熱量是最大的，這是因為其換熱面積大于1排和2排的換熱器，但是管排數越多會造成用銅量增加的后果，成本也會相應的提高，所以在設計翅片管換熱器想要提高換熱量的同時要考慮成本不能太高。

圖7 R32質量流量變化的影響