应用小管径的高效制冷空调装置开发技术
一、小管径问题概述
1、小管径思路的提出
“铜管-铝翅片”的翅片管式换热器是最常用的制冷剂—空气热交换器。小管径提出的直接原因是减少铜材料的消耗，降低成本。
2、小管径的好处
降低生产成本：管子细了，还可以更薄
提高传热效率：制冷剂可以更好与管子换热
减小空调器的体积
降低制冷剂充注量
3、应用小管径需要解决的主要问题
（1）制造技术问题
细径薄壁管子的制造
防止胀管收缩
薄壁细管的胀接焊
（2）设计技术问题
如何选管子：没有管内传热与压降特性的关联式了；
如何设计翅片：没有为细管配套的翅片，没有计算翅片侧空气传热与压降特性的成果；
如何设计换热器：5mm管直接替代7mm管产生4倍压降；
如何设计整机：同时考虑管子、翅片、流路的变动。
二、管内制冷剂传热与流动特性
1、管内制冷剂换热与流动工作概述
（1）目标
了解小管径内实际制冷剂—油混合物的换热与流动特性
建立相应关联式
（2）蒸发工况
建立制冷剂—油混合物蒸发换热与流动实验台
进行不同工况参数下的蒸发实验：管子尺寸、制冷剂—油混合物质流密度、油浓度、热流密度
开发关联式
（3）冷凝工况
建立制冷剂-油混合物冷凝换热与流动实验台
进行不同工况参数下的蒸发实验：管子尺寸、制冷剂—油混合物质流密度、油浓度、热流密度
开发关联式
2、蒸发换热实验台
实验台照片
（1）5mm强化管内的蒸发换热—对比7mm管
5mm强化管内的换热系数比7mm强化管的换热增大0%~100%
（2）5mm强化管内的蒸发压降—对比7mm管
5mm强化管内的摩擦压降比7mm强化管的摩擦压降增大10%~30%
3、冷凝换热实验台
实验台照片
（1）5mm强化管内的冷凝换热
干度对换热系数的影响：
纯制冷剂R410A和1%油浓度，R410A—油混合物的换热系数随干度的减小而减小；
3%和5%油浓度，换热系数随着干度的下降先增大，在干度0.7左右达到峰值，然后随着干度的下降而下降。
（2）5mm强化管内的冷凝压降
三、翅片侧传热流动模拟与翅片设计
1、适应小管径的翅片开发问题概述
（1）直接的问题
翅片间距必须小到一定程度—强化结构风阻加大
不能照搬国外产品—几乎没有现成产品，不想多开翅片模，想用现成的大部分产品模具
（2）技术上的短缺
缺针对小管径翅片的设计方法
缺可以针对翅片析湿过程模拟的CFD软件
缺少小管径翅片的实验测试与关联式
（3）开展的工作
提出小管径翅片设计的一般原则
开发可以模拟复杂结构翅片析湿过程的模拟软件
进行小管径翅片的实验测试与关联式开发
2、一些现有翅片的问题分析
（1）翅片高宽比的优化
（2）翅片开缝结构的选择
开缝类型选取目标：
换热好
空气侧压降小
百叶窗式开缝特点：
切断散热带上空气侧边界层的发展、提高换热性能
缺点是空气侧压降较大
桥式开缝特点：
相比窗片，其换热性能略低
空气侧压降较小
确定开缝尺寸：
采用CFD模拟
干工况可以用商业软件，湿工况得二次开发
（3）翅片表面析湿过程的模拟
空调器析湿过程的物理模型
模型计算结果—亲水强化翅片
对于亲水强化翅片，冷凝水形成过程与平翅片不同。冷凝水更容易在强化结构处（例如波纹、开缝和百叶窗）形成，并沿重力方向流出翅片表面。
（4）翅片表面析湿模型的实验验证
可视化验证结果
析湿过程传热传质j因子的验证结果
结论：
对于传质因子jm，平均误差为17.3%；89%的误差在±25%以内；
对于传热因子jh，平均误差为11.8%；94%的误差在±20%以内。
（5）窗片开缝的一般原则
（6）桥片开缝的一般原则
开缝高度的确定：5mm管换热器的翅片间距范围是1.1~1.4 mm。为避免缝高与翅片间距离过小，析湿工况下冷凝水堵塞，推荐缝高为0.6mm。
四、换热器热力性能模拟与优化设计
换热器优化设计思路
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：蒸发器结构和工况参数输入
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：5mm管直接代替
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：3Path管路连接优化
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：3Path管路连接小结
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：4Path管路连接优化
实例：某R410A蒸发器7mm-5mm优化设计：4Path管路连接小结
五、整机热力性能模拟与优化设计
优化设计思路
一拖一的空调器仿真—输入界面
一拖一的空调器仿真—输出界面
一拖多的空调器仿真—输入界面
部件参数输入—室内机
一拖多的空调器仿真输出—表格
一拖多的空调器仿真输出—图形
六、降噪与长效
翅片气动噪声—计算结果
风机气动噪声
分体空调室内机噪声
翅片管换热器积灰
实验1：管排数2、FP为1.3mm百叶窗片换热器积灰过程
实验2：管排数2、FP为1.5mm波纹片换热器积灰过程
翅片管换热器表面积灰模拟
各子模型的确定
模拟结果的验证
颗粒物沉积厚度对比
七、结论
小管径可以大大节省铜材料，降低生产成本；
小管径铜管内的换热和压降特性与大管径管不尽相同，直接将换热器中的换热管替换成小管径换热管会增加压降损失；
用小管径代替大管径时，应适当增加制冷剂流路的分路数；
小管径的翅片结构与大管径的翅片也不同，需要专门设计；
精准设计小管径换热器，需要开发析湿模拟软件、换热器三维分布参数仿真与优化设计软件、制冷空调装置整机仿真软件；
未来小管径制冷空调装置的开发，还应当关注噪音的降低与长效性能的提高。