家用空調(diào)機組蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計

黃曉清，吳俊鴻，楊杰，劉亞微，梁青

(珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070)

0 引言

目前，變頻空調(diào)中高能效空調(diào)的競爭格局發(fā)生變化，進口品牌在一二級能效變頻空調(diào)領(lǐng)域的傳統(tǒng)優(yōu)勢在逐步減弱，中國品牌如格力、海爾等企業(yè)已經(jīng)開始在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了趕超。

同時，隨著變頻機新能效標準APF[1]的施行，預(yù)計2013 年9 月份會發(fā)布，我國變頻空調(diào)生產(chǎn)企業(yè)將通過在原有生產(chǎn)機型配置基礎(chǔ)上通過提高產(chǎn)品的系統(tǒng)配置，增加空調(diào)機組的成本，全面升級能效，從而達到新能效標準要求。

本文通過技術(shù)提升、優(yōu)化設(shè)計兩器的換熱特性和合理布置換熱器的迎風面等方面，從實驗和理論兩個方面出發(fā)，在不增加空調(diào)機組系統(tǒng)配置成本的前提下，有效地提升了空調(diào)機組的能效，最好的發(fā)揮出空調(diào)機組的換熱特性，為空調(diào)行業(yè)的節(jié)能減排指出了思路和方向。

1 換熱器充分發(fā)揮作用的判斷依據(jù)

換熱器充分發(fā)揮作用的判斷依據(jù)包括：

1)制冷模式下?lián)Q熱器每盤管分路均能同時過熱；

2)制熱模式下?lián)Q熱器每盤管分路均能同時過冷；

3)無論是制冷模式，還是制熱模式，每盤管分路出口溫度的溫差均能控制在3℃以內(nèi)。

2 提高空調(diào)換熱器換熱效率的方法

2.1 合理利用制冷工質(zhì)兩相流的換熱特點

制冷循環(huán)下，進入空調(diào)機組室內(nèi)機蒸發(fā)器的制冷劑處于低溫低壓的汽液混合態(tài)，由于制冷劑的體積變小，流速變慢，如果使汽液混合態(tài)制冷劑此時分多路進入蒸發(fā)器換熱器內(nèi)，將會降低制冷劑的流速，即將會降低制冷劑的換熱效果，所以當制冷劑處于低溫低壓的汽液混合態(tài)時應(yīng)該在同一循環(huán)管路中多走幾根U 型管路，讓制冷劑流速變快，汽液混合態(tài)的制冷劑漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)制冷劑比例大于液態(tài)制冷劑；而且在蒸發(fā)器的吸熱蒸發(fā)過程中，氣態(tài)制冷劑逐漸變多，體積變大，流速也變快，制冷劑流動的阻力較大，因此需要散熱的面積也應(yīng)該較大，所以當遇到流速快、阻力較大的氣態(tài)制冷劑時，應(yīng)該設(shè)計制冷劑流入的端口越多越有利于降低制冷劑流速、降低制冷劑的流動阻力；制冷劑在制熱循環(huán)中，制冷劑的流向與制冷時制冷劑的流向正好相反[2]。

同時，考慮到制冷劑的干度對制冷劑換熱系數(shù)的影響(見圖1)，制冷劑在蒸發(fā)吸熱過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中，隨著制冷劑的干度的增加，制冷劑的換熱系數(shù)也是同步增加，但是制冷劑干度越接近于1時，制冷劑的換熱系數(shù)是下降的。所以在設(shè)計家用空調(diào)機組室內(nèi)機流程時，應(yīng)充分利用此特點，確保換熱器每盤管分路最好在之后一個U型管同時過熱。

圖1 R410a 制冷劑干度與換熱系數(shù)關(guān)系圖

2.2 改善分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計

在空調(diào)器的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)制造中，經(jīng)常會因為分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理，產(chǎn)生以下兩個質(zhì)量問題：一個是由于蒸發(fā)器各路分液不均引起的冷量偏低和冷量波動，另一個是蒸發(fā)器低風檔的液流聲。本文中筆者只是闡述通過合理的設(shè)計分流器結(jié)構(gòu)，使得換熱器中各盤管支路分流均勻，并讓制冷劑工質(zhì)在汽相中進行流動中達到彌散霧狀流，彌散霧狀流是提高分流性能追求的最佳流型。

2.2.1 分流器應(yīng)當豎直擺放

由圖2 可見：分液器垂直安裝時，由于沒有重力的影響，液膜均勻分布，所以各分流孔流出流量相等、干度相同的制冷劑；當分流器傾斜時，在重力的作用下，位置靠下的一側(cè)液膜加厚，而靠上的一側(cè)液膜變薄。流型的改變進而影響了最后的流量分配，位置靠下的分流孔流出的流量增加。

圖2 分流器不同擺放流體示意圖

2.2.2 分流器射流環(huán)直徑的設(shè)計

根據(jù)Weisman流型圖（如圖3所示）可知，只需滿足Gl≥10E+07，則在分流器中的流體就可以達到分流性能最佳的彌散霧狀流。G1根據(jù)式(1)算出。

式中：

G1——液相質(zhì)量流率；

M——制冷系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量；

A——管道流體橫截面積；

X——制冷劑的干度；

d——管道的內(nèi)徑直徑。

圖3 Weisman 流型圖

由上面的Weisman流型圖，可計算出普通5200 W的空調(diào)(4孔分流器使用較多的機型)，要在分流器混合室獲得霧狀流需滿足混合室(見圖4)的內(nèi)徑小于4 mm～5 mm[3]。

圖4 分流器混合室示意圖

2.3 根據(jù)迎風面和背風面合理布置流程

筆者在進行某一款壁掛內(nèi)機流程設(shè)計時，發(fā)現(xiàn)如果各盤管分支路的迎風面U 型管數(shù)不同時，換熱差異很大，從而導(dǎo)致能效和能力降低；具體的溫度參數(shù)見表2。

表1 方案1 和方案2 各系統(tǒng)參數(shù)

表2 方案1 和方案2 各點溫度數(shù)據(jù)(單位：℃)

圖5 方案1迎風與背風U管數(shù)相同

圖6 方案2迎風與背風U管數(shù)不同

由上面的數(shù)據(jù)可以看出，因方案1(圖5)中兩個分路的迎風面和背風面的U 管數(shù)量一樣，所以均能保持在最后一個U 形管過熱；但是方案2(圖6)在迎風面多走一個U 型管之后，影響整個蒸發(fā)器換熱效果，分路一出現(xiàn)嚴重的過熱，導(dǎo)致后面的三個U 型管都沒有發(fā)揮用處，而分路二因為背風面U 形管多，而得不到過熱，工質(zhì)得不到充分的換熱。

所以在進行流程設(shè)計時，必須遵循以下原則：制冷劑和外界空氣應(yīng)進行逆流換熱，不同流路的管程應(yīng)當相同，而且應(yīng)當均勻地流過迎風側(cè)和背風側(cè)使得換熱均勻[4]。

2.4 根據(jù)氣流組織的變化分布合理布置流程

通過CFD 軟件模擬仿真某一款壁掛機的的氣流組織的變化分布，見圖7，由下圖的流場中可以看出，蒸發(fā)器正面的氣流速度較其他位置快，說明此處換熱好，所以此處可以作為蒸發(fā)器汽液兩相混合態(tài)的入口處，同時因其換熱好，布置此分路的流程U 形管數(shù)可以少一些，避免因U 形管過熱導(dǎo)致?lián)Q熱不良而浪費U 形管。

圖7 壁掛機內(nèi)氣流組織變化分布

3 總結(jié)

在目前國家和社會日益提倡節(jié)能、環(huán)保舒適的時代，筆者從自身的工作出發(fā)，提出了4 種可以在不增加生產(chǎn)制造成本的情況提高空調(diào)機組室內(nèi)機蒸發(fā)器的換熱效率，為設(shè)計開發(fā)節(jié)能型空調(diào)機組提供新的思路：

1)合理利用制冷工質(zhì)兩相流的換熱特點；

2)改善分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高能效；

3)根據(jù)迎風面和背風面合理布置流程；

4)根據(jù)氣流組織的變化分布合理布置流程。

[1]GB 21455-2013,轉(zhuǎn)速可控型房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級[S].

[2]張智,金培耕,涂旺榮等.制冷劑流路對冷凝器換熱特性的影響[J].暖通空調(diào),2002,32(5):61-63.

[3]高原,田懷璋,袁秀玲等.分液器在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào),2001,1(5):30-32,35.

[4]劉金平,袁玉玲.管排數(shù)對翅片管蒸發(fā)器換熱性能影響的仿真計算[J].低溫與超導(dǎo),2010,38(11):63-69.