家用空調(diào)室外機(jī)波紋型翅片管換熱器空氣側(cè)傳熱與壓降性能研究

施駿業(yè)，陳曉寧，陸冰清，蔡博偉，徐博，陳江平

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

家用空調(diào)室外機(jī)波紋型翅片管換熱器空氣側(cè)傳熱與壓降性能研究

施駿業(yè)，陳曉寧，陸冰清，蔡博偉，徐博，陳江平*

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院制冷及低溫工程研究所，上海 200240）

全鋁微通道換熱器，尤其是百葉窗翅片換熱器，已成為家用空調(diào)提高效率降低成本的關(guān)注熱點(diǎn)。但微通道換熱器通常采用的百葉窗翅片表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易于被顆粒物污染。本文采用表面流體遲滯區(qū)較少的波紋型翅片替代百葉窗翅片，對7種波紋型翅片微通道換熱器樣件進(jìn)行了性能測試，得到了空氣側(cè)傳熱和壓降特性。利用非線性回歸和F顯著性檢驗(yàn)方法進(jìn)行擬合，得到的波紋翅片換熱和壓降關(guān)聯(lián)式可以準(zhǔn)確預(yù)測90%以上的數(shù)據(jù)，其預(yù)測誤差在15%以內(nèi)。

家用空調(diào)；室外換熱器；波紋型翅片；壓降性能

0 引言

目前汽車行業(yè)廣泛使用的全鋁平行流換熱器由于具備體積小，重量輕，換熱效率高，成本低廉，制冷劑充注量小等優(yōu)勢，被眾多家用/商用空調(diào)企業(yè)所關(guān)注[1-2]。國內(nèi)外對扁管百葉窗翅片傳熱性能[3-10]方面已經(jīng)進(jìn)行過廣泛深入的研究，甚至在北美、歐洲地區(qū)已經(jīng)開始大批量使用。然而，我國大氣顆粒物污染嚴(yán)重，特別是華北、華東、華中地區(qū)。大氣顆粒物污染不僅對人體健康產(chǎn)生影響，對所有暴露在其中的設(shè)備均有一定影響，其中，家用/商用空調(diào)系統(tǒng)室外換熱器受顆粒物污染影響尤其嚴(yán)重[10-11]。家用/商用空調(diào)行業(yè)中，換熱器迎面風(fēng)速較低（1.5 m/s），并且換熱器不易清洗，大氣顆粒物附著在換熱器表面后，空氣側(cè)換熱表面（百葉窗翅片）的強(qiáng)化換熱效果消失，換熱效率下降，空氣流動阻力上升，系統(tǒng)能耗不斷上升，隨著使用時間的增長，換熱器性能不斷衰減。因此，大氣顆粒物污染強(qiáng)化換熱表面，導(dǎo)致性能急速衰減成為了中國特色問題，也成為了全鋁平行流換熱器這一節(jié)能減排產(chǎn)品在我國批量應(yīng)用的主要障礙。

本文采用波紋型翅片替代百葉窗翅片，避免顆粒物污染引發(fā)的性能大幅衰減問題。本文首先采用波紋型翅片試制7種適用于家用空調(diào)使用的換熱器樣件，其次采用換熱器空氣側(cè)特性試驗(yàn)臺架，對7個樣件進(jìn)行性能測試，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到波紋型翅片的換熱Nu數(shù)和摩擦因子驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，最后與前人的關(guān)聯(lián)式[10-13]進(jìn)行比較，驗(yàn)證關(guān)聯(lián)式精度，為波紋型翅片在家用空調(diào)室外機(jī)中的應(yīng)用打好理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)樣件

波紋型翅片主要應(yīng)用在農(nóng)用機(jī)械，工程車輛發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)，這些應(yīng)用中工作環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常彌漫大量顆粒物污染，與目前家用空調(diào)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)類似。家用空調(diào)系統(tǒng)室外機(jī)使用的百葉窗翅片（圖1(a)）由于存在細(xì)小縫隙，易被顆粒物污染后堵塞導(dǎo)致性能大幅衰減，采用如圖1(b)所示的波紋型翅片則可避免該問題。

圖1 百葉窗翅片與波紋型翅片對比

在農(nóng)用機(jī)械及工程機(jī)械應(yīng)用中波紋型翅片主要用作水箱翅片，翅片寬度可達(dá)100 mm左右，而在家用空調(diào)的應(yīng)用中，波紋型翅片用作室外側(cè)換熱器翅片，通常翅片寬度為(20～55) mm，這種情況下，入口效應(yīng)更為明顯，換熱與壓降特性也與前者有較大差別。因此，本文將對家用空調(diào)用波紋型翅片的空氣側(cè)換熱和壓降特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

采用波紋型翅片，配合相應(yīng)寬度的扁管與集流管，總共試制了7個全鋁平行流換熱器樣件，所有樣件統(tǒng)一做成250 mm×300 mm的換熱器芯體，芯體厚度與翅片寬度一致，表1列出了被測樣件的特征尺寸。

表1 被測樣件翅片參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺[10]，由空氣和熱水作為工質(zhì)。主要部件包括換熱器測試段、水循環(huán)、空氣循環(huán)、測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。風(fēng)洞采用吸風(fēng)設(shè)計，保證風(fēng)量的均勻性，由一臺15 kW的離心風(fēng)機(jī)帶動，風(fēng)速可通過變頻器調(diào)節(jié)。

圖2 換熱器空氣側(cè)特性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺

通過被測換熱器的進(jìn)出口風(fēng)溫由兩組T型熱電偶整列采集，進(jìn)口熱電偶陣列由8個熱電偶組成，出口由16個熱電偶組成。由于風(fēng)溫具有不均勻性，因此，采用熱電偶測試值的算術(shù)平均溫差作為實(shí)際計算換熱量的溫度值。熱電偶精度達(dá)到0.1 ℃，測量位置根據(jù)ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)確定。通過換熱器和噴嘴的壓差被壓差傳感器分別記錄下來，換熱器前后的壓差傳感器精度為0.4%，噴嘴前后為0.25%。風(fēng)量測試根據(jù)ISO5167標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定的噴嘴壓差測試方法確定。水循環(huán)由水槽、100 kW電加熱器、離心水泵、流量計和控制單元組成。水箱中熱水溫度由鉑電阻Pt-100 Ω測量，由溫度控制器控制，精度為0.1 ℃。進(jìn)出換熱器的水溫同樣采用鉑電阻Pt-100 Ω測量，精度為0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)在(1～14) m/s風(fēng)速下進(jìn)行，進(jìn)水溫度控制在80 ℃，流量選擇基于水側(cè)熱阻小于總熱阻的20%和進(jìn)出口水溫差大于2 ℃的標(biāo)準(zhǔn)選擇。

3 結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為了計算換熱系數(shù)，換熱量可由下式得到：

采用效率單元數(shù)法（ε-NTU）得到空氣側(cè)換熱器系數(shù)，公式如下：

因此我們可以得到換熱器總的換熱系數(shù)：

假設(shè)水側(cè)的污垢熱阻為零，空氣側(cè)換熱系數(shù)可有下面的式子計算得到：

其中式子右側(cè)第二項(xiàng)為水側(cè)熱阻，第三項(xiàng)為管壁導(dǎo)熱熱阻。

對于水側(cè)換熱系數(shù)，可由GNIELINSKI[13]提出的扁管內(nèi)的湍流經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式得到：

波紋翅片的空氣側(cè)效率和翅片效率可由下式獲得：

通過以上方程，波紋翅片的換熱系數(shù)h可以迭代計算得到。進(jìn)而，可以計算Nusselt數(shù)：

其中，水利直徑由下式得到：

波紋翅片的阻力系數(shù)由KAYS和LONDON[14]的公式計算：

根據(jù)翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)和KAYS和LONDON[13]提供的選項(xiàng)圖表，kc和kε分別取0.4和0.2。綜合總的設(shè)備誤差，換熱Nu數(shù)和摩擦因子f的計算誤差分別為±6.2%和±8.1%。

3.2 換熱及壓降關(guān)聯(lián)式

通過以上計算公式，對不同翅片間距，翅片高度，翅片長度，波長，波幅的7個換熱器樣件不同風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了多重回歸，得到如下關(guān)聯(lián)式：

圖3和圖4給出了Nu數(shù)和壓降因子f的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計算值的比較。91.8%的換熱關(guān)聯(lián)式計算值和實(shí)驗(yàn)值偏差在±15%以內(nèi)，99.1%的壓降關(guān)聯(lián)式計算值和實(shí)驗(yàn)值偏差在±15%以內(nèi)。換熱關(guān)聯(lián)式的平均偏差0.4%，絕對偏差8.7%。壓降關(guān)聯(lián)式的平均偏差0.4%，絕對偏差6.6%。計算精度完全能夠滿足工程計算需要。

圖4 壓降因子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)對比

圖5和圖6是董軍啟的波紋翅片關(guān)聯(lián)式[10]與本文關(guān)聯(lián)式的預(yù)測結(jié)果對比。從圖中可以看出，采用董的關(guān)聯(lián)式預(yù)測的Nu數(shù)值明顯較實(shí)驗(yàn)值偏小，平均偏差達(dá)30.3%；預(yù)測的壓降因子f 明顯較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏大，平均偏差達(dá)到36.6%。這主要是因?yàn)槎妴⒌膶?shí)驗(yàn)對象為車用水箱的波紋翅片，翅片寬度一般接近甚至大于100 mm，而本文的用于家用冷凝器的波紋翅片寬度小于50 mm，入口效應(yīng)引起的強(qiáng)化換熱效果更為明顯，相同Re數(shù)下的Nu數(shù)的數(shù)值更大，兩關(guān)聯(lián)式的預(yù)測結(jié)果偏差達(dá)24.8%。翅片寬度減小后，空氣側(cè)壓降也隨之減小，兩關(guān)聯(lián)式的預(yù)測結(jié)構(gòu)偏差達(dá)39.9%。因此從對比結(jié)果來看，對于應(yīng)用于家用空調(diào)的小寬度微通道波紋翅片，采用原有關(guān)聯(lián)式進(jìn)行預(yù)測，偏差較大，無法滿足工程設(shè)計精度，本文擬合的關(guān)聯(lián)式預(yù)測精度更高。

圖5 傳熱關(guān)聯(lián)式對比

圖6 壓降關(guān)聯(lián)式對比

4 結(jié)論

本文針對用于替代百葉窗翅片的波紋型翅片，首先將采用波紋型翅片試制7種適用于家用空調(diào)使用要求的換熱器樣件，其次采用換熱器空氣側(cè)特性試驗(yàn)臺架，對7種不同翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)的波紋翅片微通道換熱器的空氣側(cè)傳熱和壓降特性進(jìn)行了研究。利用非線性回歸和F顯著性檢驗(yàn)方法對波紋翅片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式擬合。所獲得的波紋翅片換熱和壓降關(guān)聯(lián)式可對90%以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，其預(yù)測誤差在15%以內(nèi)。所開發(fā)的波紋翅片關(guān)聯(lián)式已應(yīng)用于數(shù)十款家用空調(diào)和工程車用空調(diào)冷凝器的產(chǎn)品開發(fā)中，計算精度完全滿足工程設(shè)計需要，為波紋型翅片在家用空調(diào)室外機(jī)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Research on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Air Side for Outdoor Wavy Fin-tube Heat Exchanger of Residential Air Conditioner

SHI Jun-ye, CHEN Xiao-ning, LU Bing-qing, CAI Bo-wei, XU Bo, CHEN Jiang-ping*
(Institute of Refrigeration and Cryogenics, School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)

With the growing demand for high effiency and low cost, the aluminum microchannel heat exchanger has attracted much attention, especially the louvered fin heat exchanger. However, the complicated structure of the louvered fin heat exchanger make the deposition of particles more easily. In this paper, the wavy fin with small fluid hysteresis area was used to replace the louver fin. The test of seven wavy fin-and-tube microchannel heat exchangers was carried out to investigate the air side heat transfer and pressure drop performance. By method of nonlinear regression and F significance analysis, the fitting heat transfer and pressure drop correlations could accurately forecast more than 90% of the data within an error of 15%.

Residential air conditioner; Outdoor heat exchanger; Wavy fin; Pressure drop characteristic

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.06.105

*陳江平（1970-），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向：制冷及低溫工程、車用空調(diào)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號上海交通大學(xué)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206775。E-mail：jpchen_sjtu@163.com。