【冷暖百科】小管径翅片管换热器研究进展

作者:体育博彩  来源:365体育  时间:2019-09-13 08:40  点击:

  翅片管换热器是制冷空调领域中应用最广泛的换热器型式,缩小换热器管径可以有助于提升翅片管换热器的性能,缩小体积、降低成本。本文综述了近年来小管径翅片管换热器的发展过程,阐述了换热管细径化的原因,分析了使用小管径铜管的优点;调研了换热管细径化对空调器整机性能的影响,以及对换热器制造加工的影响;介绍了适用于小管径翅片管换热器的翅片设计技术和适用于小管径翅片管换热器的分配器开发技术。

  换热器是制冷空调设备中的重要组成部件。在影响制冷空调产品整机能效的各项因素中,换热器传热温差导致的不可逆损失是其中最主要的因素;在决定整机体积大小的因素中,换热器也大多是最主要因素。因此,换热器的优化成为制冷空调产品中提升能效、减少体积与材料消耗的关键。

  应用于制冷空调产品中的换热器型式较多,包括翅片管式换热器、板式换热器、微通道换热器等。这些换热器的技术进展,主要在换热性能提升、生产工艺改进,以及和整机的优化匹配。换热器长时间运行后,会出现性能衰减的问题,从而导致空调器的能效降低,因此换热器在长期运行条件下能否保持高效的换热性能也是技术发展的重要方向。

  翅片管式换热器是目前应用最广泛的换热器型式,其中管子采用铜管,翅片采用铝片。家用空调器的蒸发器和冷凝器基本上均采用翅片管式换热器,该型式换热器每年的产量达到数亿套。目前翅片管式换热器的主要研究进展是紧凑化,即采用小管径铜管。小管径换热器具有更高的换热系数和更低的制造成本,有利于提高空调器的整机性能。近年来,小管径换热器的优化设计、制造工艺、实际应用等方面研究进展很大,使得小管径空调占据超过20%的空调器市场。

  鉴于制冷空调产品中换热器的重要性,作者拟采用系列论文的形式,介绍相关技术进展。本文作为其中的第一篇,介绍小管径翅片管式换热器技术的进展。

  翅片管式换热器紧凑化的一个主要方法,是采用较小管径铜管(通常≤5mm)的换热器替代现有换热器中直径较大的铜管。我国房间空调器开始批量生产时,换热管的外径大多为9.52mm或者更大;后续通过努力,将主流的管子外径下降到7mm。进一步将管径下降至5mm及以下,则带来新的好处和挑战。制冷空调行业中,将管子外径为5mm及以下的换热器称为小管径换热器。

  换热管细径化的好处是很明显的。减小该类型换热器中的换热管直径,能够明显减少铜的消耗量,有效地降低换热器成本。若将管径由9.52mm缩小为5mm, 单位管长铜管的表面积减少47.4%。这就意味着,即使铜管的厚度不变,单位管长的铜用量减少47.4%。实际上,由于耐压强度的增加,铜管的壁厚减薄,铜材的减少量可达62.9%。由于铜管的成本占换热器材料成本的80%以上,这就意味着采用更小管径,换热器的材料成本可以降低50%以上。

  由于换热器管径的缩小,房间空调器应用管径更小的铜管后,能够明显降低制冷剂的充注量。例如,将管径由9.52mm缩小为5mm,则换热器的内容积可以缩小75.4%。这就意味着管径减小后,系统的充注量仅为原来的25%。

  充注量的减少可以直接减小制冷剂对于环境的影响。对于易燃型环保工质(如R290)的应用则更是起到极大的推动作用,因为充注量减少直接降低了采用可燃制冷剂的空调器的危险性。

  减小空调器换热器中换热管的管径,带来的主要影响为:换热面积减少,但换热系数增加,换热量的增加与否取决于具体的工况;摩阻系数增大,制冷剂流动阻力加大,压降上升;蒸发器内蒸发温度下降,冷凝器内冷凝温度上升,进而影响系统效率。制冷剂侧换热系数的增大可以提高换热器的换热性能,但换热面积的减小和制冷剂沿程阻力损失的增大可以降低换热器的换热性能和系统的能效。下面是翅片管式换热器的细径化对空调整机性能的影响进行定性的结论:

  (1)小管径铜管的换热器的传热系数比大管径铜管的换热器高10%以上,且其结构更加紧凑。

  (2)在单冷系统中,冷凝器可以直接采用更小的管径换热器,不需要做其他优化,可以达到原系统的性能。

  (3)单冷系统的蒸发器,冷暖系统的蒸发器和冷凝器,若采用更小的管径换热器,则必须对换热器的结构进行优化,减小换热器的压降,否者会导致系统的COP值和能力剧烈下降。

  综合评估小管径对空调器换热器的影响,需要采用更细致的分析方法。对于每一款具体的制冷空调产品,为了在缩小换热管后达到最优的性能,需要专门优化。

  换热铜管从胚料到成品的工艺流程主要包括:连铸-轧制-盘拉-退火,如图1所示。随着空调器产量及换热铜管需求不断地提升,换热铜管加工工艺的不够成熟、装备自动化及生产线集成控制水平低、产品质量不稳定、能耗大等问题逐渐被攻克。近年来,铜管加工工艺的进展主要包括:(1)采用新型水平连铸代替传统的半连铸;(2)采用新型高效四辊行星轧制技术代替传统的三辊行星轧制技术;(3)采用二联拉和在线连续退火技术解决传统盘拉工艺缺陷的问题。

  传统管坯连铸生产设备采用周期性补充铜液方法,造成铸造炉液面高度不断变化,导致铸造压力波动,不仅缩短了铸造炉使用寿命,而且导致管坯气孔、缩孔等缺陷的增加和组织均匀性与稳定性的降低。等压水平连铸技术包括三腔结构铸造炉、铜液面位置在线检测与精确控制系统、计算机集成控制系统,解决了传统设备存在的技术难题。在此基础上,等压水平连铸技术通过连铸工艺参数优化,使连铸速度由250mm/min大幅提高到500mm/min。

  传统的三辊行星轧制工艺不稳定,轧制速度小于12m/min,每套模具加工铜管小于50吨,产品缺陷多,成为制约铜管产能提升的主要技术瓶颈;三辊行星轧机难以生产直径60mm以上的铜管。四辊行星轧制技术采用轧辊轴热喷涂技术和配套的PLC控制系统,具有更快加工速率和更高的成材率。四辊行星轧制生产工艺技术实现了直径达130mm大口径高精度铜管的生产。轧辊轴热喷涂技术使得轧辊轴的寿命提高6倍;配套的PLC控制系统提高了轧机的自动化控制水平。

  传统生产工艺将行星轧制后的软态管材直接进行盘拉加工,导致产品表面擦伤较为严重,易在后道工序中形成缺陷,同时还容易发生断管。二联拉工艺和在线退火技术是解决盘拉工艺缺陷的新型方案。在轧制和盘拉之间嵌入二联拉工艺,通过加工硬化显著提高了管材的强度和表面硬度,彻底解决了上述难题,管材质量和成材率得到大幅提高。盘拉产品连续在线连续退火技术和装备,退火速度显著提高,提高了退火效率和成材率,为后续精密内螺纹铜管的高效加工提供了技术保障。

  翅片管式换热器的加工工艺流程包括:穿管-胀管-焊接-氦检等等,其中最重要的工艺为胀管。近年来,随着小管径换热器的应用,翅片管式换热器的制造加工技术进展包括:胀头结构创新,胀杆装置创新,U型管锁紧装置创新和新型胀管节能降耗技术。

  传统胀管机胀管都是压胀的,使得铜管有弯曲变形的倾向,胀头在铜管里的阻力会增大,铜管外壁与翅片孔的摩擦力会增大,引起了铜管在胀管时的收缩率有非常明显的不一致,导致了铜管端口的高低不一致,造成不合格现象。新型的胀头结构应用于一种强制式胀管机中。采用该新型强制式胀管机胀管时,只有当胀头进入换热器20~50mm的这一区段内胀管方式和传统胀管是一样的,也是压胀,这时换热器有一个轻微的变形(铜管缩短了1mm左右)。其余部分胀管时两端都是夹紧的,铜管的受力由压力变为拉力,铜管在长度方向没有变形,而实际上是一种变薄拉伸的过程,在这一区段的胀管对铜管的各种缺陷、对胀管合格率影响变得很小,甚至可以说没有影响。所以用强制式胀管机在胀小管径换热器时可大大地扩大胀管长度范围,被加工工件不合格率几乎与换热器长度无关,不合格率一般稳定在0.3%以下。可以胀最小管径为Φ5mm,长度可达2000mm以上的换热器,技术上存在明显优势,能促使更多室外机换热器向Φ5mm管径转变。同时采用该技术胀制后的铜管会减薄3%,更有利于提升换热效果。

  换热器的管件规格不尽相同,特别是具有高低差的换热器管件,所需胀杆的位置不尽相同。为了使具有高低差的管件与散热片紧密结合,避免产生松动,胀管机需要对换热器进行“高低胀”。传统胀管机采用相同长度规格的胀杆,无法实现“高低胀”。现有专利公开了一种胀杆装置,实现有高低差的换热器管件的胀管。该胀杆装置包括模座和安装在模座上的胀杆,胀杆装置包括并排设置的固定模座和至少一个可滑移模座,固定模座固定安装在胀管基座的最前端上,各可滑移模座可滑移并依次安装在胀管基座上,安装于不同模座上的胀杆长度不等,当固定模座和各个可滑移模座相互紧靠时,各胀杆能同时进入工件中进行胀管,可滑移模座上的胀杆在其胀管到位后与工件保持相对静止并随着可滑移模座滑移后退,而固定模座上的胀杆随着胀管基座的前进继续胀管直到胀管到位。本发明的优点在于采用不同长度规格的胀杆,既可保证胀杆同时进入工件,又可在相对较短工件胀管后不继续前进时避免穿破工件,提高管件加工精度和质量。

  传统的U型管锁紧机构中,每一个U型管锁紧装置只能夹住一根U型管,加工效率比较低,无法满足日益增长的换热器的需求。现有专利公开了一种一次能夹住多根U型管、加工效率高的组合式U型管锁紧装置。该装置包括有基座,在基座的头部设有与U型管配合的高度不同的第一U型槽和第二U型槽,在基座上设有定位轴,在定位轴上铰接有第一夹块和第二夹块,且在第一、第二夹块头部分别设有与U型管配合的凹槽、在其尾部分别设有与Y轴倾斜并且倾斜方向相同的斜槽,在基座的尾部设有可推动第一、第二夹块绕着定位轴转动并可勾住U型管的推杆组件。使用该装置加工时,具有明显优势:一是可以同时锁紧两根或多根U型管;二是在推杆上套装有弹簧,将U型管装入基座的U型槽内后,左右夹块会自动闭合,可以直接进行胀管,节省工时,这既大大提高加工效率,又能保障夹持U形管的效果最佳化。

  传统胀管机一般采用液压驱动系统,往往造成设备总功率颇大,既耗费大量电能又浪费液压油资源。新型节能的胀管技术为全自动胀管机[10]。该类型的胀管机采用伺服电机和变频马达及滚子丝杠副替代液压驱动,使设备总功耗由传统液压降低75%左右。项目设备总功率仅占传统液压胀管机的1/4,节省电能70%,另外还节省了液压油和冷却用水资源。同时结合采用PLC和数字化控制技术,使电动执行器信号传输速度更快,电动执行器的灵敏度、精度较高,污染源少,低噪音,成本较低,且控制精密;根据设定参数实现精确控制,在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下,能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度。

  换热器的细径化减小了单根铜管的管内换热面积,需要与换热性能更高的翅片配合使用。提升翅片的换热性能的方法主要是优化翅片表面的结构参数,包括换热翅片的孔间距,换热翅片的强化结构。目前适用于细管径的翅片的孔间距已经经过了充分的优化,而且多种孔间距结构已经被开发和量产使用,如表1所示。但是目前量产使用的翅片的强化结构类型依然只有传统的桥缝和百叶窗缝这两种。公开的文献中正在研究的新型强化类型主要有镂空翅片和纵向涡翅片。

  新型镂空翅片主要用于热泵型空调器的室外机中。热泵型空调器室外机使用小管径铜管面临的主要问题是:低温制热工况下小管径室外机容易被霜层堵塞。为了克服小管径室外机的霜堵问题,一种新型的翅片——镂空翅片被应用到空调室外机中,用于替代传统的波纹翅片,如图2所示。

  新型镂空翅片不仅能够提高非结霜工况下的空气侧换热系数,而且在结霜工况下能够避免水桥积聚和霜层堵塞,能够提高房间空调器的全年性能系数(APF)。在非结霜工况下,优化后的镂空翅片的换热量比波纹翅片高7.5%;在结霜工况下,优化后的镂空翅片的换热量比波纹翅片高3.4%。使用新型镂空翅片的空调器APF比波纹翅片的空调器APF高4%,比条缝翅片的空调器APF高2.1%。

  纵向涡发生器能够在较大幅度提升换热器换热能力的同时,较小幅度地增加其流动阻力,是一种强化翅片形式。纵向涡发生器可以采用不同的几何结构,如图3所示。纵向涡发生器的攻角、数目、摆放位置均会对其传热性能产生明显的影响,需要进行优化。结果表明:纵向涡发生器的攻角为15°,采用3对矩形小翼时,管翅式换热器的空气侧换热能力的提升幅度超过了其流动阻力增加的幅度,与未采用强化措施的换热器相比,其空气侧传热系数提升了71.3%~87.6%,相应的流动阻力增加了54.4%~72%;空气侧的换热能力随着纵向涡发生器数目的增加而逐渐变大,但空气侧的局部换热能力在第5根换热管之后几乎不受涡发生器数目的影响;与纵向涡发生器的顺排布置相比,纵向涡发生器以交错叉排的方式布置时,可以在保证强化换热水平的同时,进一步减小换热器流道内的流动阻力。

  现有公开的文献通过试验验证了纵向涡发生器在翅片管式换热器中的应用。Wang提出了一种开设矩形翼和二级梯形翼的新型纵向涡翅片,如图4(a)所示。仿真结果表明,新型纵向涡翅片能够使换热性能提升1.8%~24.2%,同时使得空气阻力提升1.3%~29.1%。新型翅片性能通过试验进行了验证,并和仿真结果相吻合。Lin提出一种在铜管后缘开设弧形三角翼的纵向涡翅片,如图4(b)所示。当Re在1100~3000范围内变化,新型纵向涡翅片Nu比平翅片高16.1%~28.7%,阻力因子f比平翅片高7.6%~15.2%。

  换热器使用小管径铜管以后,管内流动阻力增大,使得换热器需要更多的流路数目。这就带来了一个新的问题:蒸发器前制冷剂多路分配均匀性难以保证。为此需要有性能良好的分配器。目前提升分配器性能的方法主要有两种:

  (1)试验研究空调常用分配器的分配性能的影响因素,使分配器工作在最佳运行条件下;

  (2)设计新类型的分配器结构,实现均匀对称的两相流型,从而保证分配的均匀性。

  空调器中常用的分配器形式包括圆锥式分配器、插孔式分配器和反射式分配器,如图5所示。影响空调器常用的分配器性能的因素主要有两个:冷媒的物性和安装的角度。

  对气液相密度比大的制冷剂工质(R32、R410A),在垂直安装条件下,插孔式分配器分配效果最好,在倾斜安装条件下,圆锥式分配器分配效果最好。气液两相密度比增大会使得气液两相流速减小以及出口压力增大。插孔式分配器在垂直安装时受压力波动影响较小;倾斜安装时,对倾斜安装角敏感度大,因此其分配效果差;而圆锥式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式来说最小,并且出口有一定的倾斜角度(30°),根据质量守恒公式,两相流经过圆锥式分配器混合腔时的流速大于其他分配器,较易形成雾状流。对气液相密度比小的制冷剂工质(R22、R290),圆锥式分配器分配效果均为最好。气液两相密度比减小会导致气液两相流速增大以及出口压力减小。流速的影响大于压力波动的影响,而圆锥式分配器混合腔的流速大于其他两种分配器,更易形成雾状流。因此在垂直和倾斜安装时圆锥式分配器均有较好的分流效果。

  在垂直安装时,插孔式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下,随着流量的增加,性能均变差。圆锥式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下,随着流量的增加,性能均变好。反射式分配器在额定制冷工况下,随着流量的增加,性能变差;在额定制热工况下,随着流量的增加,性能变好。在倾斜15°安装时,插孔式分配器在额定制冷工况下,随着流量的增加,性能变好;在额定制热工况下,随着流量的增加,性能变差。圆锥式分配器在额定制冷和额定制热工况下,随着流量的增加,性能均变好;反射式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下下,随着流量的增加,性能均变差。插孔式分配器的不均匀度随着安装角度的增加而大幅增加;圆锥式分配器的不均匀随着安装角度的增加先减小后增加,在安装角度为30°时,不均匀度最小;反射式分配器的不均匀度随着安装角度的增加平缓地增加。

  图6示出了一种新型的分配器结构,能够在分配器内部实现稳定对称的环状流,具有更高的分配均匀性。这种新型分配器在任意安装角下均具有良好的分配性能。新型分配器的设计思路是在分配器的进口管中构建环状流并通过出口管实现均匀的分配环状流。在传统圆锥式分配器中,分配器的进口管内是不规则的泡状流,导致一部分出口管中液体很多,另一部分出口管中气体很多,如图7(a)、7(b)所示。在新型的分配器中,分配器的进口管内是对称分布的环状流,其中液相均匀地分布在进口管的管壁上,气相位于液相中心,如图7(c)所示。当出口管也对称地布置在进口管的壁面上时,对称分布的制冷剂会均匀地分配到所有的出口管内,如图7(d)所示。因此新型分配器通过形成环状流可在任意安装角度下实现均匀分配。

  均匀分配环状流的实现方法是使进出口管采用新型的T型连接代替传统圆锥式分配器的Y型连接。T型连接结构中的出口管对称地安装在进口管的壁面上;而Y型连接的出口管则安装在进口管中心。在T型连接结构中,分配器的出口管对称地布置在进口管壁上,保证了每个出口管的进口状态都是相同的。

  直接在空调换热器中应用小管径铜管替代大管径铜管存在着一些应用的技术难题,这里给出了解决这些问题的方案,具体如表2所示。

  (1)小管径翅片管换热器能够提高换热系数,降低换热器成本和制冷剂充注量。采用5mm铜管替代原9.52mm铜管,换热系数提升10%左右,成本降低50%以上,充注量降低25%左右。

  (2)小管径对空调器整机的影响为:使得换热器的换热面积减少,但换热系数增加;换热量在一定工况下也有相应的增加;摩阻系数增大,制冷剂流动阻力加大,压降上升;蒸发器内蒸发温度下降,冷凝器内冷凝温度上升,进而影响系统效率。

  (3)小管径翅片管换热器的生产需要采用新的铜管盘拉工艺,新的铜管轧制工艺,和新的胀管工艺。小管径翅片管换热器导致换热器的翅片面积减少以及流路数目增多,因此需要与新型高效的换热翅片,新型的均匀分流的分配器配合使用。返回搜狐,查看更多

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