制冷空调小管径换热器的流路设计

［全］制冷空调小管径换热器的流路

设计

1、流路参数和管径的寻优算法

为了简化换热器的流路设计算法，本文将换热器的流路用流路参

数来表示，并作如下假设：

1）与换热器等长的铜管记为一根铜管，例如：每个U管包含

的铜管数目为2;

2）换热管的总数一共为N;

3）换热器不含过冷管；

4）每个支路中的铜管数目均为n。"流路参数"记为（n,N）,

其中n代表一个支路中的铜管数目，N代表所有支路的铜管总数。

图3-1显示了n取1〜6中的整数时换热器流路布置示意图。由

图可见，当n取奇数1、3、5时，制冷剂的进口和出口位于换

热器两侧；当n取偶数2、4、6时，制冷剂的进口和出口位于

换热器同侧。

n=5

图3-1n取1~6的流路布置示意图

不同管径铜管的换热器设计流程包括以下5步，如图3-2所示：

第1步，根据小管径光管的换热和压降关联式，建立空调换热器

的换热和压降模型，该模型的输入参数为（n,N）,输出参数为

UA和压降。考虑到加工的范围，本文选取外径分别为2.4mm、

3.0mm和3.6mm的铜管进行换热器的流路设计。

第2步，调节流路的输入参数（n,N）,使得空调器达到换热要

求，得到房间空调器内、外机的等UA线。

第3步，根据压降的要求得到各个管径对应的一组（n,N），绘

制等压降线。

第4步，每个管径的铜管对应两条线，即符合换热要求的等UA

线和符合压降要求的等压降线，这两条曲线的交点代表同时符合

两个要求的流路参数。

第5步，通过比较不同管径的换热器流路布置方案的加工可行性，

从而选择合适的管径。

图3-3枚举法绘制等UA线的步躲

以绘制等UA线的枚举法为例，如图3-3所示，依次输入三

种光管的管径：2.4mm、3.0mm和3.6mm,在每一个管径

下分别对室内机和室外机的流路参数进行枚举,当UA达标时

输出一个支路中的铜管数n和铜管总数N,最后将这一组（n,

N）用光滑的曲线连线。绘制等压降线的枚举法步骤与此类似。

2、流路参数和管径的寻优结果

图3-4和3-5中，等UA线（虚线）代表所有恰好达到换热

要求的流路参数集合，等压降线（实线）代表所有符合压降指标

的流路参数集合。同一个管径对应的两条线的交点坐标代表该管

径下同时满足换热和压降要求的流路。由于n和N均为正数，

因此在取值时，需要先将n值圆整，再根据交点就近对N取

值。

o

14・

12等压降线，21。=24eD=3.0OD=3.6

180o■等UA线•->-'D=2.4■•'D=3.0••・・•/)=3.6

小6o•

皿

源4on

，

说J

加-

摩o

O

20•

0•

234

单个支路中的铜管数目A

图3-4空调器内机的等U4线和等压降线

140

等压降线■D=Z4O〃=3.08I)=3«6

单个支路中的铜管数目n

图3-5空调器外机的等IM线和等压降线

将坐标值圆整后，不同管径的铜管对应的换热器的流路参数见表

3-1。比较每个支路的铜管数目n发现，管径越大则n越大;

比较总的铜管数目N发现，内机的铜管数目N几乎相同，而

外机的铜管数随着管径的增大而减小。其原因是管径越大，换热

器的UA越小且管内压降系数越小，需要通过减少N或者增

加n来减少支路数目N/n,从而提高支路的流量，最终保持

UA和制冷剂侧的压降不变。

由图3-1的流路布置可知，当n为偶数时,换热器的进、出

口均在管的同侧；当n为奇数时，进、出口则在换热器的异侧。

设计换热器时，应当尽量使n为偶数，这有利于制造、加工和

检修。表3-1中3种管径的铜管用于设计换热器时，只有3.0

mm光管对应的的n为偶数，因此光管管径应当为3.0mm。

图3-6示出了采用3.0mm光管的空调器内、外机的流路。

表3-1新换热器的流路参数

机型流路参数2.4mm3.0mm3.6mm

n345

内机

N394040

n345

外机

N514845

Pt=13.6mm,PI=16mmPt=19mm,PI=18mm

10个流路，40根管12个流路，48根管

(a)内机(b)外机

图3-63mm空调器内外机流路图

3、换热器性能的理论计算

3.1换热器的换热和压降性能

由于确定流路参数时，对n和N的值进行了圆整，因此实际

的换热能力和压降特性需要重新计算。表3-2将新设计换热器

的各项性能校核结果与设计要求进行了对比。采用3.0mm光

管的小管径换热器的UA与原计划指标的偏差在5%以内。采

用3.0mm光管的换热器由于流路数增加使得支路的流量减小,

因此比采用5.0mm强化管的换热器的压降低。压降与设定值

的偏差在50%以内，但是压降的绝对数值依旧在合理的范围内。

综上,3.0mm换热器的换热和压降性能均满足要求。

表3-2小管径换热器的性能校核结果

Tabic3-2Thepcrfonnancccheckresultsofheatexchangerinsmallertubediameter

UA压降

工况机型5mm强化3mm光相对提与设定也偏5mm强化3mm光与设定值

管/(W/K)管/(W/K)升/%差/%管/kPa管/kPa偏沏%

内机39945012.7-2.3633723

制冷

外机7507935.71.0241313

内机37140910.14.6311844

制热

外机82194815.4-0.6784447

3.2换热器的材料成本分析

为了计算采用3.0mm光管代替5.0mm强化管用于空调换

热器带来的成本缩减值，分别计算换热器用到的铜管和铝翅片的

材料质量。设计前后的空调换热器材料用量见图3-7,使用3.0

mm铜管的换热器较原型机减少了57.2%,铝用量增加了

2.2%。

4

3

2

5.0nun强化管3.0inin光管

图3-7采用3.0mm光管的换热器与采用5.0mm强化管的原型机材料用量对比图

铜的用量如预测一样显著下降，这是由于管径减小后，单位长度

铜管的质量显著减少。铝的用量略有上升，这是由于在设计换热

指标时，为了弥补管径减小带来的Ai减小适当增加了翅片的宽

度以增大Ao,从而避免UA显著降低。按照目前市场价，黄

铜的单价为35元/kg、铝的单价为12元/kg计算，采用3.0

mm光管代替5.0mm强化管用于空调换热器时，换热器的材

料成本下降31%0

3.3换热铜管成型的可行性分析

现有的典型光管公称外径为3mm~6mm。3.0mm管用于换

热器的成型时可采用液压胀接。将专用的芯杆插入换热管内部,

利用0形环或液袋密封后，导入高压液体使换热管扩张变形。

其优点是管壁受力均匀、残余应力小、无切屑残留。缺点是该工

艺对芯杆的强度、稳定性和制造的要求很高。

本文设计的3mm空调器的内机和外机的支路数分别为10

和12,较5mm换热器的支路数目显著增加。用于较多流路

的分配器还有待研究，需要从均流原理入手，进行结构设计和验

证。综上，表3-3示出了设计前后的空调器结构和性能参数对

比。

表3-3空调器的结构和性能参数对比(理论计算)

Table3-3Thecomparisonofgeometryandperformanceofairconditioner(theoreticalcalculation)

.3mm空调器5mm空调器

内机外机内机外机

/

长/mm

/574

宽/mm32

/266

574黑

高/mm40管

/出

106927.22

铜管管型21

/45066乂2

铜管壁厚/mm409光

/93639456

铜管爆