平行流换热器在家用空调的应用和分析.pdf

46论文园地 T e c h n i c a l P a p e r s 制冷技术应用专题 平行流换热器在家用空调的 应用和分析 四川长虹电器股份公司 李越峰 陈俊智 王晰 1 前言 美国摩丁 m o d i n e 公司最早的专利 产品平行流换热器 简称P F C 是用来替 代原来在汽车空调的管片式冷凝器 后来 经过日本昭和铝等公司在两端集管中增加 隔板形成不同回路而称之为多元流换热器 简称M F C M u l t i F l o w C o n d e n s e r 其 基本构成见图1 扁管两端分别插入左集 管和右集管 利用设置在左集管和右集管 上的隔板分隔而形成串连通道 翅片和集 管表面涂敷有钎料和钎剂 整个芯体通过 夹具夹持 通过 N O C K L O C K 钎焊炉整体 焊接而成 国内平行流换热器通过大批量 在汽车空调中使用 技术已经非常成熟 目前主要应用的是多元流 M F C 的形 式 和管片式换热器相比 平行流有以下 优点 由于扁管不流通 面积小于圆管 因此空气侧阻力小 翅片效率和翅片当量高度成反比 管片式由于U 型传热管弯曲半径限制 而 平行流无此限制 因此翅片效率高 平行流可以灵活调整流程的扁管 分布 使制冷剂侧换热能力增加时而阻力 减小 扁管和翅片的焊接方式决定了扁管 和翅片的接触热阻小 容易回收 近些年 国家对家用空调能效要求日 益提高 对高效换热的研究逐渐成为学术 研究以及行业的关注热点 但发表的文章 主要以平行流换热研究为主 对家用空调 应用和替代研究文章较少 1 2 文献 1 对 平行流冷凝器用于家用空调做了理论可行 性论证 文献 2 做了平行流冷凝器在家 用空调上的对比测试和分析 但使用平行流 不是空调换热器尺寸 研究方向是空调能 效5 级产品 本文研究按现有空调换热器 尺寸设计的平行流样件在分体挂壁式冷暖 空调系统的匹配试验 从取得性能和付出 成本进行对比分析 编者按 本刊在2 0 0 8 年第1 9 期上曾报道中国家用电器研究院 中国制冷学会小型制冷机低温生物医学专业 委员会和全国家用电器标准化技术委员会召开了中国制冷学会 第九届全国空调器 电冰箱 柜 和压缩机 学术交流会 来自行业资深专家和技术人员就制冷领域的新技术 新工艺 高效换热 工质替代等技术的应 用与研究展开广泛的交流 经主办方同意 本刊从6 5 篇技术论文中 选择其中部分论文分批予以发表 与广 大读者共同分享这些技术人员的研究成果 共同为行业的节能 环保和可持续发展做出贡献 在此对中国制 冷学会小型制冷机低温生物医学专业委员会姜俊明秘书长表示感谢 图1 平行流冷凝器爆炸图 1 入口管 2 出口管 3 a 隔板 4 堵帽 5 a 左集管 6 a 右集管 7 护板 8 a 翅片 9 a 扁管 栏目责任编辑 李 鹏 l i p e n g 1 9 6 3 1 2 6 c o m 摘要 通过一款平行流换热器在分体挂壁式冷暖空调室外机上的应用 和原来管片式换热器系 统在方案 成本等方面进行对比分析以及制冷性能试验研究 同时介绍了平行流换热器作为蒸发 器进行结构改进方案 并对平行流换热器在丙烷新冷媒系统的应用前景进行展望 关键词 平行流换热器 家用空调 丙烷 47家电科技 C h i n a A p p l i a n c e T e c h n o l o g y 2 替换试验 为能对平行流换热器制冷和制热效果 做初步摸底 我们准备在一款分体挂壁式 冷暖空调室外机替换原来的管片式换热 器 室外机带有四通阀管路组件 毛细管 外置 制冷剂充注量根据匹配情况调整 分别与 3 2 0 0 W 和 3 5 0 0 W 的室内机进行匹 配试验 试验结果和原来管片式换热器系 统进行比较 2 1 平行流换热器样件 2 1 1 几何参数 某厂提供的平行流换热器芯体尺寸 5 7 5 集管中心线 m m 5 0 0 m m 1 6 厚 度 m m 翅片 1 6 m m 7 8 波高 m m 2 4 波距 m m 扁管 2 m m 1 6 m m 5 7 5 m m 光管 取换热器长度为 5 7 5 m m 考虑到平行流换热器不好折弯 该尺寸也是目前单冷直排管片式换热器方 案的翅片端板间长度 见图2 由于平行流换热器进出口是铝管 为 满足家用空调铜管的焊接要求 平行流换 热器样件进出口管组件 与平行流冷凝器 连接的一侧采用铝管 与空调铜管连接的 一侧采用铜管 铜管和铝管之间采用电阻 焊 该焊接方法目前已成熟并大量应用在 空调室内外机的铜铝连接配管 2 1 2 流程分布 平行流换热器样件为6 流程 见图3 每个流程管数 1 4 1 1 9 7 5 4 2 2 空调系统参数 平行流换热器应用的室外机系统和原 来管片式换热器的室外机系统状态对比见 表1 2 3 测试结果对比 和相应规格的空调对比测试采用相同 室内机进行 状态区别主要是外机换热器 和充注量更改 按G B 7 7 2 5 2 0 0 4 规定的制 冷和制热性能工况进行测试 具体结果见 表2 由于在额定制热测试过程中大量水珠 不断积聚在平行流换热器的翅片间 而换 热器本身没有设计排水流道 随着水珠不 断增加 使室外侧的风量不断减少 使空 调短时间制热能力瞬间值达到3 2 0 0 W 后 制热能力出现明显下降 使额定制热测试 无法进行 C o n d e n s e r 名字决定了平行流适 合作为冷凝器而非蒸发器 从表2 可以看出平行流换热器的换热 能力非常强 换热潜力比较大 仅靠增大 室内机换热器和风量可以使原来3 2 的平行 流室外机系统达到3 5 机的制冷能力和E E R 达到2 级能效要求 3 成本构成和分析 3 1 平行流换热器成本构成 对此次试验用的平行流换热器材料成 表1 室外机系统参数对比 3 2 冷暖管片式3 5 冷暖 5 级 3 2 冷暖平行流 换热器芯体长度7 6 0 5 0 0 2 1 6 5 单排 7 2 6 4 0 0 5 0 0 2 1 6 5 1 5 排 5 7 5 5 0 0 1 6 传热管型式 外径 m m 内螺纹 8内螺纹 8铝扁管 光 2 X 1 6 U 管数量 根 1 05 0 排距 列距 m m 2 5 2 1 6 51 0 翅片厚度 片距 0 1 1 40 1 P 2 4 翅片形式 亲水波纹单面条缝百叶窗 流程分布2 进2 出上下结构4 进2 出上下结构6 流程 室外电机型号Y D K 3 6 6 D 4Y D K 3 6 6 D 4Y D K 3 6 6 D 4 压缩机型号S L 2 1 1 S V C 7 L US L 2 3 2 S V C 7 L US L 2 1 1 S V C 7 L U 表2 测试结果对比 3 2 冷暖测试平均值13 2 冷暖机平行流23 5 冷暖机平均值13 5 冷暖机平行流2 制冷量 W 3 1 1 83 1 1 53 4 7 03 5 1 9 制冷功率 W 1 1 6 61 0 3 41 3 0 01 0 9 2 能效比2 6 83 0 12 6 73 2 2 压缩机型号S L 2 1 1 S V C 7 L US L 2 1 1 S V C 7 L US L 2 3 2 S V C 7 L US L 2 1 1 S V C 7 L U R 2 2 充注量 g 7 8 04 6 01 0 7 05 0 0 注 1 8 组数据平均值 3 5 冷暖机 3 级 是4 组平均值 3 5 平行流空调的测试结果是平衡室测试结果 2 外机方案和3 2 基本相同 平衡室测试值 图2 扁管外形尺寸 图3 平行流样件流程分布图 表3 平行流换热器材料成本 价格总重量总价 元 k g k g 元 扁管 5 0 根 4 01 2 8 65 7 5 2 翅片 5 1 条 4 00 9 7 33 8 9 2 集管 2 个 5 80 2 4 51 4 2 隔板 5 个 5 80 0 0 80 4 6 进口管3 00 0 0 80 3 2 出口管3 00 0 0 80 3 2 铜管7 00 0 42 8 边板4 00 0 5 62 2 4 铜铝焊接2 处0 6 安装支架6 0 总成本 元 1 2 3 7 9 表4 材料成本对比 平行流3 2 冷暖3 5 冷暖 直排单排1 5 排 换热器成本 元 1 2 3 7 91 1 5 9 11 7 4 8 3 压缩机 元 3 0 制冷剂 元 3 5 方案成本变化 元 1 2 3 7 91 1 8 9 12 0 9 8 3 成本相对比率1 0 0 9 3 6 1 7 0 注 计算基准价格 铜6 5 0 0 0 元 吨 计算基准价格 铝1 9 0 0 0 元 吨 主要考虑到汽车部件的利润率和费用远高于家用 空调 比较材料成本比较客观 材料成本变化 本分析见表3 3 2 系统成本方案对比 平行流换热器和不同机型管片式换热 器系统材料成本对比见表4 成本比较仅 反映制冷性能的差异 由于压缩机排量减 少 空调制热量也一定会减少 但对于单 2012 05 16 2012 05 16 2012 05 16 2012 05 16 2012 05 16 2012 05 16 48论文园地 T e c h n i c a l P a p e r s制冷技术应用专题 冷空调可以达到提高空调性能和降低成本 的目的 4 改进措施介绍 汽车空调是单冷空调 制热是靠暖风 机利用发动机余热提供 平行流冷凝器不 用考虑蒸发器的作用 而家用热泵空调室 外换热器要使用平行流换热器 就必须进 行相应的结构改进 从前面的试验和分析 可以看出 首先必须解决换热器翅片表面 凝结水问题 即如何形成 水道 将冷凝 水迅速排走 由于加工工艺需要进行整体焊接 无 法使用亲水铝箔 普通铝箔容易产生珠状 凝结在翅片上形成 水桥 并且由于扁管 本身结构形式是水平平板 由于水有张力 冷凝水无法及时顺利排掉 对于亲水性问 题可以考虑对换热器本身进行整体式亲水 处理的方案 对于现有结构方式改变 目 前公布的主要解决方案有两个 一个是美 国摩丁公司提出的平行流第二代 P F 2 P a r a l l e l f l o w p l a t e f i n 方案见图4 摩丁 公司将原来的翅片形式改为类似管片式翅 片形式 利用两端翅片形成水道 另外一 个是韩国L G 公司申请的专利 3 见图5 主要解决方案是将原来水平放置扁管改为 倾斜放置从而形成排水道 由于对摩丁公 司P F 2 没有更多的细节介绍 无法获得更 多的信息 基于排水效果判断 L G 方案倾 斜扁管的方案效果似乎会更好 5 新工质应用前景 目前家用空调使用的R 2 2 制冷剂将会 在未来被其它制冷剂替代 文献 4 阐述 了丙烷是非常有希望替代 R 2 2 的自然工 质 但是由于丙烷是可燃气体 其安全性 一直受到质疑 丙烷燃烧的两个条件 空气中的浓度在燃烧上下限之间 明火 火花达到相当能量和温度 由此可以看出丙烷空调的安全性或对 环境的威胁主要取决于丙烷的充注量 如 果丙烷完全泄漏后浓度远远低于燃烧下限 可以认为是安全的 一般国外通常认为空 间中丙烷含量不超过燃烧下限的2 0 的量 是安全的 即 空气中丙烷含量 3 9 g m 3 2 0 7 8 g m 3 按1 5 H P 空调制冷量对应房间面积一 般在1 5 m 2左右 按2 6 m 房高计算安全充 注量为 7 8 g m 3 1 5 m2 2 6 m 3 0 4 2 g 可以看出充注量小于3 0 4 g 的以丙烷 作为制冷剂的空调 即制冷剂完全泄漏 在房间内也可以满足对空调安全要求 文献 5 研究表明 相同空调系统 丙 烷的充注量是 R 2 2空调系统充注量的 4 8 4 9 从前面1 5 H P 空调系统冷凝 器应用平行流换热器使R 2 2 充注量降低 到5 0 0 g 以下 可以推算如果该系统改用 丙烷 则丙烷充注量应在2 5 0 g 以下 我 们可以进一步推断 如果蒸发器可以改 用平行流形式 系统丙烷充注量完全可 以控制到2 0 0 g 以内 国际标准对小型制 冷机使用碳氢化合物的安全要求是不大 于1 5 0 g 如果蒸发器形式可以采用平行 流 小制冷量的空调系统达到这一目标 非常有希望 6 结论 对平行流换热器在家用空调室外机和 管片式换热器进行替换研究 在相同迎风 面积下 材料成本有所增加 平行流冷凝 器可以将原系统能效比从5 级提高到3 级 而如果对系统室内侧做适当优化 平行流 换热器系统能效比可以达到2 级节能要求 同比管片式换热器材料成本有所降低 同 时制冷剂的充注量明显降低 通过以上分 析可以形成如下结论 基于制冷能效比提高的优化设计 平行流换热器在材料成本优于目前管片式 换热器 目前平行流换热器可以用于单冷空 调 在家用空调提高能效标准的大环境下 如果能改进结构有效解决凝结水和化霜水 排除问题 平行流换热器在家用空调将会 有更大应用空间 应用平行流换热器的系统充注量会 比管片式换热器系统大幅降低 会使应用 丙烷制冷剂的空调系统安全性大幅提高 具有十分积极的意义 图4 平行流二代示意图图5 L G 专利说明示意图 1 陈芝久 陈江平 刘敬辉 平行流换热器用于家用 空调的可行性分析 上海市制冷学会二 三 年学术年会论文集 2 0 0 3 年 p 3 0 7 3 0 9 2 罗顺春 崔炳禄 浅谈平行流冷凝器在家用空调 上的应用 第八届全国空调器 电冰箱 柜 及 压缩机学术交流会论文集 中国广东珠海 2 0 0