技术：室外小管径换热器换热性能

    采用小管径换热器在减少铜管用量的同时可以降低制冷剂的充注量，从而使得换热器成本降低，换热器结构更加紧凑。因此小管径换热器是未来空调发展的一个重要方向。本文我们就一起来探讨下室外小管径换热器换热性能。    

 

1、引言

小管径换热器具有较高的换热系数和耐压强度，同时可以减少铜管扩口开裂和弯管起皱的发生。 但是铜管直径越小，制冷剂侧压降越大，换热器的换热性能就会衰减。本文将在现有换热器的基础上，将铜管管径由 7mm改为5mm，通过仿真软件HXSim翅片管式换热器对φ5mm 流路进行优化使φ5mm 与φ7换热器能力相当，压降最小。  

2、换热器流路仿真分析

2.1 φ7mm 换热器结构参数        

室外换热器铜管管径为7mm，管排数为1，换热器为 L 形，流路为2 进1出，制冷剂为 R32，铜管采用内螺纹强化管，流路示意图如图1所示。  

2.2 φ5mm 换热器结构参数        

换热器管径由φ7mm改为φ5mm 后，通过仿真软件HXSim翅片管式换热器确定φ5mm 最佳流路，图2所示为换热器管径为 5mm 时3种流路设计方案，分别为2进1 出、3 进 1 出和4进1出。  

根据表 1 中换热器结构参数确定换热器模型，图3为流路仿真绘制模型。模型确定后进行制冷剂参数设置，设置参数如图 4，空气干球温度为7℃，湿球温度为 6℃，设置后进行仿真运行。  

2.3　仿真结果         

表2所示为制热工况下不同流路仿真结果对比。 

由仿真结果可知：

φ7mm 换热器流路为 2进1出。若φ5mm换热器流路采用方案1（2 进1出），虽然制热量与φ7mm 换热器相当，但压降是φ7mm 换热器的14倍，压损较大。

φ5mm换热器流路采用方案 2（3 进 1 出）时，制热量与方案1相当，压降是方案1的31%。 方案3（4进1 出）的压降最低，但换热量也最低。最终确定采用方案2。  

3、换热器性能试验分析

3.1　试验验证         

以额定制冷量为2600W空调为例，分别采用φ5mm换热器和φ7mm换热器制造2台样机（分别为样机1和样机2），压缩机和毛细管管径不变。φ7mm换热器和φ5mm换热器都为单排，流路由2进1出改为3进1出，毛细管长度由 950mm改为 750mm。 室外干球温度 7℃，湿球温度 6℃，室内设定 20℃进行试验验证，测试结果见表3。

通过试验发现，表 3 中样机实际换热量与压降和表 2 仿真值相差较小，说明仿真的准确性。  

3.2　结霜临界点的对比     

管径缩减为 5mm 后，换热管内制冷剂扰动增强，使制冷剂侧换热系数增大。但各支路制冷剂质流密度增加，支路压降损失增大。制热状态易结霜。 为验证5mm管径空调运行的可靠性，评估室外侧φ7mm 和φ5mm 结霜的极限温度和湿度差异。在额定制热工况（7℃ /86%）下，φ7mm 和φ5mm 换热器都未结霜，此时增加环境相对湿度，当相对湿度增加到 100%，两者都未结霜。当干球温度为 6℃时，验证两者结霜极限湿度情况。表 4 为试验结果。  

由表 4 得知：

干球温度为7℃时，φ7mm和φ5mm 换热器都没有结霜风险，当干球温度为 6℃，环境相对湿度增加到 65% 两者同时出现结霜现象，即φ5mm 与 φ7mm 结 霜 的临界温度与湿度相同，出风温度φ5mm 略低于φ7mm，此时是否会引起人体舒适感变差。下面对 2 种管径舒适性进行分析。  

3.3　舒适性分析        

空调制热状态下，关闭辅热，室内干球温度为 20℃，改变室外温度，使空调稳定运行 4h，通过对比不同工况下φ5mm与φ7mm 空调出风温度和人体活动范围内平均温度，评估φ5mm与φ7mm 的舒适性差异。  

试验过程中每 5min 取一次数。 图 5 所示为室外干球温度为7℃时，空调出风温度 随运行时间的变化曲线。

通过φ5mm与φ7mm曲线可知：

φ7mm与φ5mm 的出风温度随运行时间的增加 都具有波动性，两者的波动趋势相同。空调刚启动时，两者出风温度为 10℃左右，随着运行时间的增加，空调的出风温度逐渐升高后趋于稳定。最终两者都稳定在55℃左右。   同时，从两者的曲线图中也可以看出5mm 换热器的出风温度略低于7mm 换热器。    

图 6 所示为室外干球温度为 7℃时，房间内人体活 动范围平均温度随空调运行时间的变化。

由曲线图可知：

空调刚启动时，压缩机频率较低，制热量较少，房间平均温度为 8℃左右。随着空调运行时间的增加，压缩机频率逐渐升高，空调制热量也越来越高，房间内的平均温度逐渐升高。5mm 换热器房间人体活动范围内平均温度高于 7mm，因为 5mm 换热器较低的出风温度更利于热空气下降，7mm 换热器较高的出风温度使热空气浮于房间上层，人体活动范围 5mm 换热器高于7mm，舒适性更好。  

图 7 所示为室外干球温度为 -7℃时，空调出风温度随运行时间的变化。

由曲线图可知：

在空调运行近4h内，5mm换热器和7mm换热器都出现结霜的情况，5mm结霜 3 次，7mm结霜2次。 因5mm换热器铜管换热面积是7mm换热器换热面积的71%，   较小的换热面积存在较大的换热温差，室外温度不变时，制冷剂温度蒸发温度更低，所以更易结霜。

除霜前，5mm 换热器和 7mm换热器的出风温度随着运行时间的增加，呈现先增加由后减小的趋势，因为随着运行时间的增加，压缩机频率越来越高，换热量逐渐增加，空调出风温度也 逐渐增加，但随着换热量的增大，室外换热器霜层越来越厚，换热量逐渐减小，出风温度逐渐减小，直到除霜时出风温度最低。整体可知：   换热器管径为 5mm 的出风温度较低于 7mm。    

图 8 所示为室外干球温度为 -7℃时，房间内人体活 动范围平均温度随空调运行时间的变化。

由曲线图可知：

一个化霜周期内，房间温度随空调运行时间的增加，呈现先增加后减小的趋势，每一个化霜周期内都会存在 一个最高制热量。5mm 换热器与7mm 换热器化霜时房 间温度最低，曲线整体可知：   稳定运行时 5mm 换热器房间人体活动范围平均温度高于 7mm，人体舒适性更好。    

4、结论

通过对管排数为 1，管径分别为φ5mm和φ7mm两种换热器进行分析，结论如下：    

（1）不改变流路设计的情况下，小管径压降较大，φ5是φ7的14倍，增加流路数，φ5 换热器压降明显降低。今后研究中，可通过增加流路降低小管径压降的影响；  

（2）通过对φ5和φ7 结霜临界点对比，得出φ5 换热器与φ7 换热器结霜临界点相同，可靠性相当；  

（3）通过φ5 换热器与φ7换热器舒适性对比，得出φ5换热器出风温度较低，但房间内人体活动范围温度高于φ7，舒适性更好。  

版权声明： 本文原作者郭晓颖等 ， 由HETA小编编辑整理 

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