【技术】内螺纹管换热性能提升对空调整机影响
目前的研究中，多数内螺纹管的研究都在单管实验层面进行，少有分析其对空调整机性能的影响。由于整机循环中工质换热和压降的相互影响更为复杂，通过内螺纹管单管性能无法精确预测整机性能。因此本文结合理论计算、单管实验和整机性能测试，分析内螺纹管换热和流动压降的综合影响。
1、实验设计
本文采用管径为 7mm 的内螺纹管进行实验，实验前期通过理论计算得到内螺纹管的冷凝换热系数，对管内换热特性进行预测。实验选定两种规格铜管进行实验对比分析，实验过程包含换热器单体测试以及空调整机实验。
1.1 内螺纹管结构参数
内螺纹管的几何结构参数示意图如图 1 所示，其中：β-螺旋角，n-齿数，Hf-齿高，α-齿顶角，Tw-壁厚，D-齿顶圆直径。实验中选取两种规格 7mm 内螺纹管作为测试管，铜管的齿形参数如表 1 所示：
1.2 换热器单体测试
单体性能测试在单体试验台上进行，选择长度为652mm的5个U管连成一进一出流路的翅片管作为换热器单体。
蒸发实验：阀前压力和阀前温度保持一致，蒸发器出口温度和出口过热度一致；
冷凝实验：压缩机排气温度、排气过热度一致，冷凝器出口温度，出口过冷度一致；
蒸发实验和冷凝实验都将风量作为唯一变量，测试不同风量下换热器单体的换热能力，为确保实验数据的准确性，每组实验进行三次重复测试。
1.3 整机测试
整机实验在同一焓差实验室进行，选取一套大一匹二级变频空调进行整机测试。实验整机只更换蒸发器组件、冷凝器组件内部的内螺纹铜管，胀管后各铜管与翅片配合的过盈量保持一致，对比内螺纹铜管更换后整机性能影响。实验测试工况包括：
1）制冷测试工况：额定制冷、中间制冷、最大制冷；
2）制热测试工况：额定制热、中间制热和低温制热。为确保实验数据准确性，每组实验重复测试三次。
2、换热系数计算
基于 Cavallini 等人［文献：Cavallini A，el Col D，et al．Condensation of pure and near-azeotropic refrigerants in microfin tubes：A new computational procedure［J］. International Journal of Refrigeration，2009，32（1）：162-174．］的研究，综合考虑冷媒的物理特性、铜管的几何结构和两相换热特性，内螺纹管的冷凝换热系数表达式如下：
3、结果分析
3.1 冷凝换热系数
基于上文换热系数公式，计算两种规格内螺纹管的冷凝传热系数如表 2 所示，结果表明：两种内螺纹管的换热能力都随流量的增大而增强。在质量流速相同条件下，铜管 2 具有更高的冷凝换热系数，铜管 2 的强化换热能力高于铜管 1。
3.2 换热器单体测试分析
换热器单体冷凝实验测试结果如图 2 所示：铜管2 换热器单体的冷凝能力高于铜管 1 单体。同时由于冷媒冷凝压降较小，压降对冷凝换热的影响几乎可以忽略不计，理论计算与实验单体测试符合度较高。
图 3 所示的是换热器单体的蒸发能力随风量的变化对比曲线。
由图可知：从低风量到高风量，铜管1、铜管2的蒸发性能比较接近，但铜管1的蒸发能力略高于铜管 2 的蒸发能力。而实际的蒸发能力测试受单体样件表面冷凝水排出、进风湿球、出风湿球检测等因素影响，相对冷凝测试结果具有更大的误差，故认为铜管1 和铜管 2 的蒸发能力相当。
表 3 所示的是蒸发压降随流速的变化。如表可得：随着风量增加，铜管换热量增大，因此冷媒流速增大。在较低同等风量下，铜管 1 中冷媒流速大于铜管 2。随着风量进一步增大，铜管 2 的冷媒流速大于铜管 1。
图 4 给出了内螺纹管内流动蒸发压降特性随冷媒流量的变化规律。从结果对比可得，铜管 2 内的蒸发压降比铜管 1 增大3.8%～10%。主要原因在于内螺纹管 2 的强化结构导致了气流流速的增加，使得环状流的形成，进而增加了管内的紊流强度，导致蒸发压降增大。使得蒸发过程中，铜管 2 的高流速下压降损失大于铜管 1。
综合冷媒换热特性和冷媒流动压降分析可得：冷凝条件下，铜管 2 强化换热作用补偿了由压降损失带来的负面影响，因此冷凝换热能力增强。但在蒸发条件下，铜管 2 的强化结构增大压降的影响，使得在铜管压降损失占主导地位，使蒸发能力的下降。
3.3 整机测试结果分析
铜管1和铜管2应用于整机的测试结果分别如表4和表5所示。由表4可知，整机能力在额定制冷工况、中间制冷和最大制冷工况下，铜管 2 整机能力均要高于铜管1整机，能力分别高出20W、45.9W和20.2W，铜管2整机能力在不同的制冷工况下均有提高的同时，整机功率也略有增加。结果说明：铜管2整机的制冷能力要强于铜管 1 整机。
表 5 给出的整机制热能力可得：在三个制热工况下，铜管 2 整机能力均略低于铜管1整机，同时整机功率也略有降低。在额定制热工况测试过程中发现，铜管 2 的外机换热器发生结霜现象。结果表明：虽然单体实验中铜管 2 的冷凝换热能力更强，但在整机的制
热能力并没有提升。
综合换热器单体和整机测试分析：换热性能提升后的铜管 2 压降明显高于铜管 1，导致外机换热器进、出口压损较大，换热平均对数温差增大，不利于外机换热器与空气进行换热。制冷和制热工况下整机蒸发端的差异在于蒸发温度的变化，整机在制冷工况的蒸发温度要高于制热工况下的蒸发温度，在更低的蒸发温度，冷媒在换热器中的管路压损增加更大。对于额定制热工况，通常在整机设计过程中，外机换热器出口温度为 0℃左右的不结霜临界状态，保证额定制热工况下制热量的最大化，故压损略微增加就可能会导致外机换热器结霜。
4、总结
本文研究不同齿形参数的 φ7 内螺纹管换热系数和流动压降对整机性能的影响。通过冷凝关联式计算得到内螺纹管冷凝换热系数，通过换热器单体测试分析换热器的冷凝和蒸发能力，结合整机实验测试分析铜管单管性能对于整机性能的影响。主要结论如下：
1. 通过冷凝换热理论计算与换热器单体测试结果进行对比表明：Cavallini 冷凝关联式对内螺纹管单管性能趋势预测准确度较高。
2. 整机验证结果表明：内螺纹管参数优化，单体换热器冷凝能力增强，而蒸发压降增加，对制冷工况和制热工况整机能力影响有差异。
1）在制冷工况，空调整机能力均有一定的提升，各制冷工况下能力有1%～3% 不同程度的提高，中间制冷工况能力提升明显；
2）在制热工况，铜管 2 内的蒸发压降比铜管1增大 3.8%～10%，同时压力差随着流速增大而增大。由于整机管路压降提升，容易导致室外机蒸发压力和蒸发温度过低，使铜管 2 空调外机在额定制热工况出现结霜现象。因此，在螺纹管参数设计时，需要综合考虑铜管换热特性和压降特性，避免整机制热性能下降。同时，通过改善外机分路、提高外机风量等改善空气侧换热的措施可以有效地解决结霜问题。