【技术】 小管径换热器的计算模型和设计指标
今天我们继续来讲一讲小管径。
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一、小管径后要解决的问题
空调换热器铜管从5mm到3mm，随着管径的减小，单位长度的铜管将具有更大的换热系数和压降系数，因此光管相比于强化管在换热能力方面的差距减小而在压降方面的优势扩大。
1，由于管径缩减至3mm附近后，换热管内的制冷剂扰动将显著增强，使得制冷剂侧的换热系数增大，同时各支路的制冷剂质流密度增加，使得换热系数进一步增大，有望使采用3 mm光管的换热器的换热能力达到原5mm管径的换热器的换热要求。
2，空调器的铜管的管径从5mm缩减3mm附近后，各支路的制冷剂质流密度增加，将导致支路压降显著增大，为了控制压降在合理的范围内，除了减小支路流量，还可以配合采用减小铜管压降系数的方法，这可以通过采用具有光滑内壁面的铜管来实现，此时光管比强化管在降低管侧压降方面具有明显优势。
综上，设计时需要通过3.0 mm光管和强化管的换热和压降性能的定性分析，从而对换热铜管的管型进行择优。
确定小管径的铜管用于空调换热器的最优管型的方法是：
以一款量大面广的采用 5.0 mm强化管的房间空调器（制冷剂为 R410A）为基准，定量计算并对比 3.0 mm 光管和 3.0 mm 强化管的UA、压降，以及压降带来的温度下降，从而确定最优的管型。
二、小管径换热器的计算模型
建立换热器的换热和压降模型，如图 2-1 所示，它内嵌有小管径光管的管内换热系数和压降关联式，自变量为换热器的流路参数（n, N），因变量是换热器的UA和制冷剂侧的压降。该计算模型的输入参数是换热器的几何结构和工况参数。其中，几何结构包括换热器的尺寸和翅片规格等；工况参数包括内、外机的制冷剂的进口温度。
本文在调研后选取某空调企业的广泛使用的一款5 mm 房间空调器，包括空调器内机（缩写 IDU）和空调器外机（缩写 ODU），改为小管径（< 5 mm）空调器。原5 mm空调的室内机和室外机的详细结构参数见表 2-1。本文设计的小管径（< 5 mm）空调器需要参考原换热器的空间约束。
制冷时，外机 ho 采用强化管内流动冷凝换热关联式来计算，内机 hi 采用强化管内沸腾换热关联式来计算；制热时，外机 ho 采用强化管内流动换热关联式来计算，内机 hi 采用强化管内冷凝换热关联式来计算。换热关联式中包含制冷剂R410A 的多个物性参数，主要与温度有关，故需要明确空调器模型中的运行工况，如表 2-2 所示。
因为换热器的 UA 和压降都依赖制冷剂的质流密度 G，即二者是相互耦合的，所以直接枚举得到同时满足换热和压降要求的流路参数需要较大的计算量。为了减小计算量，本文分别研究换热和压降性能对流路的要求。计算换热性能时，通过改变（n, N）调节质流密度，管内换热系数 hi 随之改变，进而影响换热器的 UA。当调节至满足要求的 UA 时，输出流路参数（n, N），得到集合 A。考虑压降特性时，通过改变一个支路中的铜管数 n 和铜管总数 N，可以改变质流密度和管程长度，影响气相在管内流动的摩擦压降，从而调节管内总压降的数值大小。当压降符合要求时，输出流路参数（n, N），得到集合 B。集合 A 和集合 B 的交集即可得到符合要求的换热器流路。
三、小管径换热器的设计指标
采用空调器的换热模型进行换热性能的试算，结果见下图 2-2。
由图可见，换热管的外径从 2 mm增大到4 mm 时，空调换热器的UA随管径的增加先减小后增大。最小值在 2.6 mm 附近取得。对内机而言，以管径 2.6 mm为分界，其左侧的UA 增幅曲线的平均斜率的绝对值大于 2.6 mm 右侧的曲线斜率。这说明内机换热器的管径在 2.6 mm 及以上时对 UA 的影响较小。
管径在 4.0 mm 附近时，各工况下的换热器 UA 取值相对较平稳。在 2.6 mm 左侧，UA 随着管径的增加而减小，说明管径增大带来的管内换热系数 hi 减小相比于 Ai 增加占据了主要地位；在 2.6 mm右侧，UA 随着管径的增加而增大，说明管径增大带来的 Ai 增加相比于管内换热系数 hi 减小占据了主要地位。
对比图 2-2 中的(a)和(b)可知，增加内机的铜管数目，可以显著提高内机在制冷和制热工况下的UA；对比图2-2中的(b)和(c)可知，增加外机的铜管数目，可以显著提高外机在制冷和制热工况下的 UA。这是由于增加铜管数目N后，管内的换热面积Ai显著增加，从而使得UA增大。因此，UA与N成正相关。
图 2-2 中，内机在制热工况下的增幅为负值，下面探究在固定管径的条件下增大换热器UA 的方法。如图 2-3 所示，换热器UA均随着换热管的数目N增大而增大。因此理论上，可以找到使得各工况下换热器的UA增幅均为正值的换根据图2-2和图2-3中上述换热性能参数的分布，在该案例中，采用表 2-3 所示的标准进行设计。制冷工况下，小管径换热器的 UA 相对于原5mm换热器分别提升13%和 5.5%，制热工况下，小管径换热器的UA 相对于原5 mm换热器分别提升10%和15.5%。
由于换热器制冷剂侧的压降会造成温度下降，因此需要对该压降的上限值进行设定。对空调换热器压降的设计要求是：保证其在制冷和制热工况下，换热器管侧压降的较大值为 30 kPa，较小值在 10 kPa 附近。