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摘要：室外换热器（冷凝器）流路的设计对家用空调器的能效比（EER）和性能系统（CPP）有很大影响。实验室测试结果表明，合理的流路设计对EER和COP的提高是值得重视的。
关键词：冷凝器；流路设计；能效比（EER）
引言
2006年3月14日，十届全国人大四次会议表决 通过了关于国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要的决议，规划纲要中提出了两个约束指标：节能20%、减排10%。空调节能对节能目标的实现意义重大，而且在国家《节能中长期专项规划》中明确提出：“主要耗能设备能效指标：2010年新增主要耗能设备能源效率达到或接近国际先进水平，部分汽车、电动机、家用电器达到国际领先水平”。所以在此背景下，2010年6月1日国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布新《房间空气调节器能效国家标准》，将2005年原有空调能效的5个等级提升为3个等级。具体对比如下：
表1为空调器能源效率等级指标
由表1可以看出，国家大幅度提高空调最低能效限定值，要求低于此限定值的空调器，不允许制造生产成家出厂销售。为了对应这个标准的执行，许多空调制造厂家修改研发制造标准与生产工艺，并进行了大量的实验测试与研发工作。本文就其中关于室外换热器流路设计对能效比的影响的实验进行理论分析，并得出有指导性的结论。
家用空调器的室外机换热器均为铜管肋片式换热器，冷媒在换热器铜管中流动，通过机械胀管的方法将连续肋片平行套在铜管外壁以增加换热面积。根据空调器的结构尺寸和换热负荷大小，换热器为单排或多排，冷媒的流路也可单路或多路。为了增大空调器室外换热器换热性能，一般做法是强化增大换热器的面积以及增大流动空气与冷媒的温差。目前，在制冷设备制造行业，很多空调器制造厂都已经使用各种形式的开缝肋片和内螺纹铜管材料，增大换热器的换热面积。要增加冷却空气与冷媒的温差，最为实用有效的办法是靠改变换热器中冷媒的流路，再结合冷却空气的流向来提高换热器换热性能。
1 实验装置与测试方法
家用空调使用的换热器为铜管肋片式换热器，冷媒在铜管中流动，铜管外面通过机械胀管的方法套平行的连续肋片以增加换热面积。要增加空气与制冷剂之间的温差，较实用的办法是通过制冷剂流路的改变来实现。在实际的换热器生产中，一般是将一定长度的铜管折弯成180度，称之为长U管，然后将长U管从翅片的一侧插入，在另一侧用短U管进行焊接形成回路。一般，制冷剂流路的设计应当遵循以下几点：a. 对于多路流动而言，不同流路间制冷剂分配应均匀；b. 制冷剂与外界空气应进行逆流换热；c. 避免出现复热和回液。 本实验以1匹半分体挂壁式房间空调器采用双排Ф9.52冷凝器以4种不同的流路设计，在我司1#焓差房进行对比测试。实验系统符合GB7725-2004《房间空气调节器》，GB 4706.32-2004 《家用和类似用途电器的安全 热泵、空调器和除湿机的特殊要求》，GB/T14536.1-1998 《家用和类似用途电器自动控制器通用要求》。压缩机提供高温高压制冷剂，进入冷凝器通过被动强化方式增加换热面积以及增大空气和制冷剂之间的温差[1]，以提高制冷剂和室外空气之间的换热（制冷剂变成低温高压气体），再通过毛细管节流变成低压的气液混合物，然后进入室内换热器（蒸发器）从室内空气中吸热蒸发，制冷剂变成低温低压气体流回压缩机，形成一个完整的制冷剂循环。通过焓差实验台可以清楚地对比每种流路的空调器的制冷量、输入功率和能效比。
实验条件根据GB7725-2004采用额定制冷的标准工况，室内干球温度27±0.2℃，室内湿球温度19±0.2℃，室外干球温度35±0.2℃，室外湿球温度24±0.2℃，采用同一台室内机，同一压缩机，将流路不同的冷凝器编号为a、b、c、d号（见图1），制冷剂为R22，在压缩机排气管上布热电偶t1，压缩机吸气管上布热电偶t2，冷凝器进气管上布热电偶t3，冷凝器中部布热电偶t4，冷凝器出口布热电偶t5。冷凝器长U管为20根Ф9.52的内螺纹管，翅片为厚0.095的铝箔，片距1.5。为了保证对比的直观性，制冷毛细管均采用Ф3*1.6*550。
从表2可以看出，在实验的4中冷凝器中，冷凝器b的能效比最高，主要原因是它的换热效果最好，制冷剂分两路从上往下流动，有效利用了重力作用，由于两路的进口基本在同一高度，所以分流比较均匀，两路全程交叉，依次流过迎风侧和背风侧，保证了两路的换热均匀，制冷剂在距离入口处相同的管程处干度一样，压力和流动状态也相同，所以总体换热量最大。
冷凝器a中，采用1进1出的流程，流程比较长，进出口制冷剂压力差比较大，过冷度也最大，所以虽然制冷量高，但输入功率也最高，EER也受到影响。
冷凝器c中，制冷剂分三路流动，由于三路的入口有高度差，无论总进口安排在任何位置，在每一路的分入口处都不可避免产生分流的不均匀，在每一路的出口，由于含液量较多，所以出口后垂直段的管路中的液柱有一定压力，结果越靠下的流路出口处压力越大，随之其流出的流量越小，这样综合的结果是三路的流量不平衡，换热不均匀，此外在流路中有上升段和下降段，部分抵消了重力的作用，所以流路虽多，但总体的进、出口压力差仍和两路流动的差不多。
冷凝器d中，制冷剂分四路流动，上半部分分两路，下半部分分两路，与冷凝器c 相似，由于入口的高度差与出口处液柱压力的影响，每一路的流量不平衡，同时，在上、下两半部分的流路中，两路间有一次交叉，在交叉前侧换热量较大，平均含液量较多，而背风侧换热量较小，平均含液量少，在交叉后，含液量多的转到背风侧换热，含液量少的转到迎风侧换热，两路管内流动状态沿管程的分布状况不同，由于管内两相流动换热系数与流动状态有关[2，3]，所以换热情况不同，换热量也不同，此外，上半部分的出口与下半部分的入口相邻，由于此相邻的两根管之间温度相差太大（超过30℃），所以通过翅片的导热，使上半部分出口的温度较低的制冷剂又部分被加热，这称为复热，这样又损失了一部分热量，同样在冷凝器c里也存在这种情况。在压力损失方面，由于分路较多，总体上制冷剂是从上向下流动，所以冷凝器进、出口的压力差相对较小。
综合来看，冷凝器b换热最好，换热系数最大，相应的EER也最高。
3 结语
在设计冷凝器的时候，如果换热器面积较大，冷媒流路较长，就应该考虑分路设计。在设计分路时，各流路入口应该尽可能靠近，出口也应靠近，入口与出口尽可能分离远一些，以避免由于复热而损失部分换热量，避免流量分配不均匀。在实际设计中，若分路多余两路时，应当采用集中式分液器和集液器，尽量使不同流路间流量均匀。此外，不同流路的管程应当相同，而且应当均匀地流过迎风侧和背风侧使得换热均匀，以提高整机的能效比。
参考文献：
[1]邓斌,陶文铨,林澜. 冷凝器流程布置方案的研究与探讨[J]. 制冷学报,2006,02:31-38.
[2]黄勇超,侯泽飞. 冷凝器的流路设计浅析[J]. 家电科技,2008,23:33-35.
[3]闵晓丹,付祥钊,肖益民. 空调系统运行能效及运行监测参数探讨[J]. 制冷与空调(四川),2008,06:34-40.
[4]高洪涛. 高能效比家用空调器制冷系统的优化设计[J]. 制冷与空调,2011,02:41-44+93.
论文作者:吴启年
论文发表刊物:《科技研究》2019年5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：冷凝器论文; 制冷剂论文; 换热器论文; 换热论文; 空调器论文; 能效论文; 铜管论文; 《科技研究》2019年5期论文;