扁平銅管翅片管冷凝器性能實(shí)驗(yàn)
梁祥飛 邢淑敏 莊嶸 鄭波
(珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院,廣東珠海519070)
摘要:對(duì)一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器(FTHX)進(jìn)行了單體冷凝性能和整機(jī)制冷性能試驗(yàn),并與現(xiàn)行銅圓管翅片管換熱器(CTHX)在相同工況下進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明:FTHX具有風(fēng)阻低、制冷劑流阻高和系統(tǒng)制冷劑充注量少的特性;FTHX綜合冷凝性能高于φ7銅管換熱器但略低于φ9.52銅管換熱器;FTHX整機(jī)制冷能力和能效比均略低于單排φ9.52銅管換熱器。
關(guān)鍵詞:翅片管換熱器 扁平管 百葉窗翅片
0·前言
空調(diào)原材料上漲和能效比的提高加速了高效換熱器的研發(fā)和應(yīng)用。翅片管換熱器管徑小型化是高效換熱器發(fā)展趨勢(shì)之一,管徑減小可以同時(shí)降低風(fēng)阻和制冷劑充注量,具有類似效果的另外一種可能的發(fā)展趨勢(shì)是圓管橢圓化或扁平化。ARTI的一篇研究報(bào)告[1]指出,當(dāng)φ9.52×0.3銅管壓扁后的高度為2.57mm時(shí),光滑扁管冷凝傳熱強(qiáng)化因子可達(dá)1.7~2.3,內(nèi)螺紋扁管冷凝傳熱強(qiáng)化因子則高達(dá)3.5~4.5。扁平管橫截面示意圖見圖1,扁平管是指橫截面外型線為兩條平直線與兩條近似半圓組合而成,橢圓管則指橫截面外型線為橢圓。圖2示出扁平管與圓管流通面積之比(亦是內(nèi)容積之比)的理論計(jì)算值與扁管高度的變化趨勢(shì),可見圓管扁平化后的內(nèi)容積與圓管內(nèi)容之比將隨著扁管高度的降低而迅速減小。當(dāng)扁管高度為2mm時(shí),扁平管的內(nèi)容積分別為φ9.52×0.3和φ7×0.3的28.9%和39%。
扁平管翅片管換熱器的風(fēng)阻也將由于扁管的形體阻力大幅降低而降低,且管后的低速尾流區(qū)大幅縮小、翅片效率有所提高都有利于提高空氣側(cè)傳熱系數(shù)。為了綜合評(píng)估這種新型換熱器在家用空調(diào)器中的應(yīng)用可行性,有必要對(duì)該種換熱器的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比分析。
本文對(duì)一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行單體換熱器冷凝性能試驗(yàn),并將其折彎后進(jìn)行整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn),同時(shí)與φ9.52和φ7內(nèi)螺紋銅管百葉窗翅片管換熱器進(jìn)行了單體和整機(jī)性能對(duì)比。
1·試驗(yàn)樣件及試驗(yàn)方案
1.1試驗(yàn)樣件
本文所采用的扁平銅管翅片管換熱器基本參數(shù)列于表1中,同時(shí)列入表1中的還有兩種對(duì)比用內(nèi)螺紋銅管翅片管換熱器。扁平銅管換熱器FTHX為φ7光銅管(壁厚0.3mm)經(jīng)特殊工藝壓扁并按傳統(tǒng)脹管工藝制作,翅片孔和脹頭的形狀均與扁管相適應(yīng)。圖3為該換熱器的局部照片,圖4為其流路布局示意圖。三種翅片管換熱器的迎風(fēng)尺寸長度相同,高度相近(為保證裝機(jī))。試驗(yàn)用FTHX有30根直管但實(shí)際僅用29根管,后文對(duì)比分析時(shí)將就此作特別說明。
1.2試驗(yàn)方案
先采用直板形式的換熱器進(jìn)行單體冷凝性能對(duì)比試驗(yàn),然后折彎后裝機(jī)進(jìn)行整機(jī)制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn)。
為保證換熱器單體冷凝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性,進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度、迎面風(fēng)速、制冷劑入口壓力、制冷劑入口過熱度、制冷劑出口過冷度均受控。制冷劑為R-22。風(fēng)阻對(duì)比試驗(yàn)時(shí)采用通風(fēng)工況(無熱交換),此時(shí)僅控制進(jìn)風(fēng)干/濕球溫度和迎面風(fēng)速。整機(jī)制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn)時(shí),內(nèi)機(jī)不變,僅更換室外機(jī)冷凝器,調(diào)節(jié)制冷劑充注量和電子膨脹閥開度使整機(jī)制冷量和制冷能效比匹配到接近或達(dá)到最優(yōu)水平。
單體換熱器冷凝換熱性能試驗(yàn)和整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn)都在格力兩器暨空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成。
2·試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1單體換熱器冷凝性能試驗(yàn)結(jié)果
空氣側(cè)試驗(yàn)工況為:進(jìn)風(fēng)干濕球溫度35/24℃,迎面風(fēng)速(折算進(jìn)風(fēng)風(fēng)量與迎風(fēng)面積之比)范圍為0.5~2.8m/s;制冷劑側(cè)試驗(yàn)工況為:制冷劑R22,入口壓力(絕對(duì))1.729~2.033MPa,入口過熱度20℃,出口過冷度2~8℃。
扁平銅管換熱器FTHX的風(fēng)阻試驗(yàn)曲線示于圖5中,作為對(duì)比,同時(shí)示于此圖中的還有φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52的風(fēng)阻試曲線。可見,相同風(fēng)速下FTHX的風(fēng)阻最低,迎面風(fēng)速2m/s時(shí),風(fēng)阻為14.3Pa,分別比CTHX-7和CTHX-9.52低29%和46%。
從表1可見,F(xiàn)THX的片距和CTHX-7的相近,空氣流向長度大70%,孔距也有所減小,但風(fēng)阻卻顯著下降,其主要原因在于圓管壓扁后的形體阻力大幅下降。
將三種換熱器的單體冷凝能力在對(duì)比工況下進(jìn)行處理后所得到的單位迎風(fēng)面積相對(duì)冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R與迎面風(fēng)速vy的變化曲線示于圖6中,其中扁平銅管換熱器FTHX的冷凝能力已經(jīng)按1.0345(=30/29)修正因子給予修正。
由圖6可見,在相同迎面風(fēng)速下,扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風(fēng)面積冷凝能力在實(shí)用風(fēng)速范圍內(nèi)與φ7換熱器CTHX-7的相當(dāng)或略低,但明顯低于φ9.52換熱器CTHX-9.52,低約10%。考慮到相同風(fēng)速下的風(fēng)阻不同,為了綜合評(píng)價(jià),采用冷凝能力-風(fēng)機(jī)理論功耗曲線進(jìn)行對(duì)比,處理所得到的單位迎風(fēng)面積相對(duì)冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R隨單位迎風(fēng)面積理論功耗(表示單位迎風(fēng)面積總壓功耗)Δpa,t×va(Δpa,t為風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)壓與靜壓之和,va取出口風(fēng)速)的變化曲線示于圖7中。
從圖7中可見,當(dāng)單位迎風(fēng)面積理論功耗相同時(shí),扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風(fēng)面積冷凝能力明顯高于φ7換熱器CTHX-7,而略低于φ9.52換熱器CTHX-9.52。
圖8為不同工況下三種規(guī)格換熱器管內(nèi)制冷劑側(cè)流阻試驗(yàn)值隨制冷劑相對(duì)流量變化曲線,由此圖可見,扁平銅管換熱器FTHX管內(nèi)流阻遠(yuǎn)高于φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52。扁平管流通面積相對(duì)圓管大幅減小使得管內(nèi)質(zhì)量流速增加,而扁管內(nèi)壁面速度梯度也被相對(duì)提升,這兩方面均造成扁平管內(nèi)流動(dòng)阻力大幅上升。另外,試驗(yàn)所用扁平管換熱器流路布局方式適合冷凝(圓管翅片管換熱器的流路布局為熱泵型空調(diào)器用的折衷布局方式),多流路數(shù)的流程短而少流路數(shù)的流程長,這也使得扁平管換熱器的管內(nèi)流阻相對(duì)較大。
扁平管換熱器的管內(nèi)制冷劑高流阻的特點(diǎn)將使得該種換熱器的應(yīng)用范圍局限于冷凝器,且只能用于單冷機(jī)型的冷凝器。
值得說明的是,扁平銅管換熱器制造工藝尚不成熟,扁平銅管換熱器在性能上還存在一些提升空間。
2.2整機(jī)制冷性能匹配試驗(yàn)結(jié)果
采用格力某款家用分體壁掛空調(diào)器(熱泵型,壓縮機(jī)排量19.3cc/rev)進(jìn)行制冷性能匹配對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表2中。從表2中可見,扁平銅管換熱器FTHX的整機(jī)制冷能力和能效比高于φ7內(nèi)螺紋管換熱器CTHX-7但低于φ9.52內(nèi)螺紋管換熱器CTHX-9.52,制冷劑充注量分別減少150g(18.7%)和250g(27.8%)。
考慮到試驗(yàn)所用扁平銅管換熱器實(shí)際僅用了30根管中的29根,因此若將此根管合理用上則整機(jī)制冷能力和能效比將更接近或達(dá)到φ9.52內(nèi)螺紋管換熱器的水平。因此,整機(jī)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)論與單體換熱器冷凝對(duì)比試驗(yàn)結(jié)論是完全吻合的。
整機(jī)轉(zhuǎn)額定制熱試驗(yàn)時(shí)扁平銅管換熱器迅速出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象,扁平銅管換熱器管內(nèi)制冷劑流阻很高是導(dǎo)致額定制熱時(shí)冷凝器結(jié)霜的原因。
3·結(jié)論
本文對(duì)新型扁平銅管百葉窗翅片管冷凝器進(jìn)行了單體換熱和整機(jī)試驗(yàn),并在相同試驗(yàn)條件下與現(xiàn)行內(nèi)螺紋銅管換熱器進(jìn)行了對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果表明:
1)扁平銅管換熱器具有風(fēng)阻低、制冷劑流阻高和系統(tǒng)制冷劑充注量少的特性,風(fēng)速2m/s時(shí)其風(fēng)阻分別比φ7銅管換熱器和φ9.52銅管換熱器低約29%和46%;
2)扁平銅管換熱器的單體綜合冷凝性能明顯高于φ7銅管換熱器而略低于φ9.52銅管換熱器,扁平銅管換熱器的整機(jī)能力和能效比均略低于φ9.52銅管換熱器,制冷劑充注量相對(duì)減少27.8%;
3)扁平銅管換熱器僅能用于單冷機(jī)冷凝器。本文試驗(yàn)所采用的是光滑扁平銅管,若采用內(nèi)螺紋扁平銅管或橢圓管將使管內(nèi)傳熱系數(shù)進(jìn)一步得到顯著提高,且使用橢圓管將有助于降低管內(nèi)流阻從而有望用于熱泵型空調(diào)器的冷凝器。
參考文獻(xiàn)
[1]Wilson J W,Chato J C,Newell T A.CDA FlattenedCopper Tube Project
Final Report.ARTI Final Report.CDA-Report2,2001.
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