扁平铜管翅片管冷凝器性能实验
梁祥飞 邢淑敏 庄嵘 郑波
(珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院，广东珠海519070)
摘要：对一种新型扁平铜管百叶窗翅片管换热器（FTHX）进行了单体冷凝性能和整机制冷性能试验，并与现行铜圆管翅片管换热器（CTHX）在相同工况下进行了对比。试验结果表明：FTHX具有风阻低、制冷剂流阻高和系统制冷剂充注量少的特性；FTHX综合冷凝性能高于φ7铜管换热器但略低于φ9.52铜管换热器；FTHX整机制冷能力和能效比均略低于单排φ9.52铜管换热器。
关键词：翅片管换热器 扁平管 百叶窗翅片
0·前言
空调原材料上涨和能效比的提高加速了高效换热器的研发和应用。翅片管换热器管径小型化是高效换热器发展趋势之一，管径减小可以同时降低风阻和制冷剂充注量，具有类似效果的另外一种可能的发展趋势是圆管椭圆化或扁平化。ARTI的一篇研究报告[1]指出，当φ9.52×0.3铜管压扁后的高度为2.57mm时，光滑扁管冷凝传热强化因子可达1.7～2.3，内螺纹扁管冷凝传热强化因子则高达3.5～4.5。扁平管横截面示意图见图1，扁平管是指横截面外型线为两条平直线与两条近似半圆组合而成，椭圆管则指横截面外型线为椭圆。图2示出扁平管与圆管流通面积之比（亦是内容积之比）的理论计算值与扁管高度的变化趋势，可见圆管扁平化后的内容积与圆管内容之比将随着扁管高度的降低而迅速减小。当扁管高度为2mm时，扁平管的内容积分别为φ9.52×0.3和φ7×0.3的28.9%和39%。
扁平管翅片管换热器的风阻也将由于扁管的形体阻力大幅降低而降低，且管后的低速尾流区大幅缩小、翅片效率有所提高都有利于提高空气侧传热系数。为了综合评估这种新型换热器在家用空调器中的应用可行性，有必要对该种换热器的性能进行实验研究和对比分析。
本文对一种新型扁平铜管百叶窗翅片管换热器进行单体换热器冷凝性能试验，并将其折弯后进行整机制冷性能匹配试验，同时与φ9.52和φ7内螺纹铜管百叶窗翅片管换热器进行了单体和整机性能对比。
1·试验样件及试验方案
1.1试验样件
本文所采用的扁平铜管翅片管换热器基本参数列于表1中，同时列入表1中的还有两种对比用内螺纹铜管翅片管换热器。扁平铜管换热器FTHX为φ7光铜管（壁厚0.3mm）经特殊工艺压扁并按传统胀管工艺制作，翅片孔和胀头的形状均与扁管相适应。图3为该换热器的局部照片，图4为其流路布局示意图。三种翅片管换热器的迎风尺寸长度相同，高度相近（为保证装机）。试验用FTHX有30根直管但实际仅用29根管，后文对比分析时将就此作特别说明。
1.2试验方案
先采用直板形式的换热器进行单体冷凝性能对比试验，然后折弯后装机进行整机制冷性能匹配对比试验。
为保证换热器单体冷凝试验数据的可比性，进风干/湿球温度、迎面风速、制冷剂入口压力、制冷剂入口过热度、制冷剂出口过冷度均受控。制冷剂为R-22。风阻对比试验时采用通风工况（无热交换），此时仅控制进风干/湿球温度和迎面风速。整机制冷性能匹配对比试验时，内机不变，仅更换室外机冷凝器，调节制冷剂充注量和电子膨胀阀开度使整机制冷量和制冷能效比匹配到接近或达到最优水平。
单体换热器冷凝换热性能试验和整机制冷性能匹配试验都在格力两器暨空调焓差实验台上完成。
2·试验结果及分析
2.1单体换热器冷凝性能试验结果
空气侧试验工况为：进风干湿球温度35/24℃，迎面风速（折算进风风量与迎风面积之比）范围为0.5～2.8m/s；制冷剂侧试验工况为：制冷剂R22，入口压力（绝对）1.729～2.033MPa，入口过热度20℃，出口过冷度2～8℃。
扁平铜管换热器FTHX的风阻试验曲线示于图5中，作为对比，同时示于此图中的还有φ7换热器CTHX-7和φ9.52换热器CTHX-9.52的风阻试曲线。可见，相同风速下FTHX的风阻最低，迎面风速2m/s时，风阻为14.3Pa，分别比CTHX-7和CTHX-9.52低29%和46%。
从表1可见，FTHX的片距和CTHX-7的相近，空气流向长度大70%，孔距也有所减小，但风阻却显著下降，其主要原因在于圆管压扁后的形体阻力大幅下降。
将三种换热器的单体冷凝能力在对比工况下进行处理后所得到的单位迎风面积相对冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R与迎面风速vy的变化曲线示于图6中，其中扁平铜管换热器FTHX的冷凝能力已经按1.0345（=30/29）修正因子给予修正。
由图6可见，在相同迎面风速下，扁平铜管换热器FTHX的单位迎风面积冷凝能力在实用风速范围内与φ7换热器CTHX-7的相当或略低，但明显低于φ9.52换热器CTHX-9.52，低约10%。考虑到相同风速下的风阻不同，为了综合评价，采用冷凝能力-风机理论功耗曲线进行对比，处理所得到的单位迎风面积相对冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R随单位迎风面积理论功耗（表示单位迎风面积总压功耗）Δpa,t×va（Δpa,t为风机产生的动压与静压之和，va取出口风速）的变化曲线示于图7中。
从图7中可见，当单位迎风面积理论功耗相同时，扁平铜管换热器FTHX的单位迎风面积冷凝能力明显高于φ7换热器CTHX-7，而略低于φ9.52换热器CTHX-9.52。
图8为不同工况下三种规格换热器管内制冷剂侧流阻试验值随制冷剂相对流量变化曲线，由此图可见，扁平铜管换热器FTHX管内流阻远高于φ7换热器CTHX-7和φ9.52换热器CTHX-9.52。扁平管流通面积相对圆管大幅减小使得管内质量流速增加，而扁管内壁面速度梯度也被相对提升，这两方面均造成扁平管内流动阻力大幅上升。另外，试验所用扁平管换热器流路布局方式适合冷凝（圆管翅片管换热器的流路布局为热泵型空调器用的折衷布局方式），多流路数的流程短而少流路数的流程长，这也使得扁平管换热器的管内流阻相对较大。
扁平管换热器的管内制冷剂高流阻的特点将使得该种换热器的应用范围局限于冷凝器，且只能用于单冷机型的冷凝器。
值得说明的是，扁平铜管换热器制造工艺尚不成熟，扁平铜管换热器在性能上还存在一些提升空间。
2.2整机制冷性能匹配试验结果
采用格力某款家用分体壁挂空调器（热泵型，压缩机排量19.3cc/rev）进行制冷性能匹配对比试验，试验数据列于表2中。从表2中可见，扁平铜管换热器FTHX的整机制冷能力和能效比高于φ7内螺纹管换热器CTHX-7但低于φ9.52内螺纹管换热器CTHX-9.52，制冷剂充注量分别减少150g（18.7%）和250g（27.8%）。
考虑到试验所用扁平铜管换热器实际仅用了30根管中的29根，因此若将此根管合理用上则整机制冷能力和能效比将更接近或达到φ9.52内螺纹管换热器的水平。因此，整机对比试验结论与单体换热器冷凝对比试验结论是完全吻合的。
整机转额定制热试验时扁平铜管换热器迅速出现结霜现象，扁平铜管换热器管内制冷剂流阻很高是导致额定制热时冷凝器结霜的原因。
3·结论
本文对新型扁平铜管百叶窗翅片管冷凝器进行了单体换热和整机试验，并在相同试验条件下与现行内螺纹铜管换热器进行了对比，试验结果表明：
1）扁平铜管换热器具有风阻低、制冷剂流阻高和系统制冷剂充注量少的特性，风速2m/s时其风阻分别比φ7铜管换热器和φ9.52铜管换热器低约29%和46%；
2）扁平铜管换热器的单体综合冷凝性能明显高于φ7铜管换热器而略低于φ9.52铜管换热器，扁平铜管换热器的整机能力和能效比均略低于φ9.52铜管换热器，制冷剂充注量相对减少27.8%；
3）扁平铜管换热器仅能用于单冷机冷凝器。本文试验所采用的是光滑扁平铜管，若采用内螺纹扁平铜管或椭圆管将使管内传热系数进一步得到显著提高，且使用椭圆管将有助于降低管内流阻从而有望用于热泵型空调器的冷凝器。
参考文献
[1]Wilson J W,Chato J C,Newell T A.CDA FlattenedCopper Tube Project
Final Report.ARTI Final Report.CDA-Report2,2001.
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