【HETA】5mm铜管替代7mm铜管窗式空调器的优化设计
我们都知道，将直径7mm及以上的内螺纹铜管改为5mm内螺纹管可以节省成本，但为了避免性能的下降必须对空调器重新进行优化设计。
因此本文要讲述的，就是基于换热器仿真与优化软件与系统仿真软件，在保证制冷量与EER的同时，通过适当增加换热器流路、对流路进行优化布置，以提高5mm铜管窗式空调器性能。
为什么要对小管径铜管及相关部件进行优化设计？
如果将窗式空调器中的换热器里蒸发器和冷凝器中铜管直径全部从7mm管径改为5mm，则能节省大量的铜材料，从而降低整个空调器的成本。
但直接将管径变小会有以下问题：
换热器采用的内螺纹管径减小后，管内换热和压降特性会随之改变。有实验研究表明在质流密度相同的情况下，5mm内螺纹管内制冷剂的摩擦压降比7mm内螺纹管的摩擦压降大10～30%。
因此需要针对5mm内螺纹管的换热和压降特性对空调器中的换热器进行改进设计，同时需要对系统的其他部件，如膨胀阀的开度进行调整，使系统的性能达到最优。在这个问题上，上海交通大学开发的三维翅片管换热器仿真与优化设计软件和房间空调器系统仿真软件可对换热器进行有效优化设计，并可对空调系统进行仿真计算。
优化设计思路
由于5mm内螺纹管的摩擦压降更大，需要对采用5mm内螺纹管的换热器重新进行设计以减小压降，故采用换热器仿真优化软件对换热器进行设计。以下首先对5mm内螺纹管窗式空调系统优化设计采用的仿真程序进行介绍，而后面将详细介绍利用仿真程序对5mm内螺纹管窗式空调系统进行优化设计的思路。
1、两个仿真软件
房间空调器换热器优化设计需要采用2个软件，一是上海交通大学开发的三维翅片管式换热器仿真与优化软件，二是上海交通大学和国际铜业协会联合设计开发的房间空调器系统仿真软件。
本文采用的三维翅片管式换热器仿真与优化软件经历了近十年的开发和完善，在国际上具有广泛的影响。该软件采用三维分布参数模型对换热器进行模拟计算，具有换热器仿真和优化等多种功能。软件能够在三维图形中方便地实现换热管的流路布置，能够自动判别换热器流路布置的通断情况，并实现对三维图形实体的拾取、旋转、移动等的操作过程。软件界面如下图所示。
本文采用的房间空调器系统仿真软件，适用于不同换热能力系统的仿真和优化，能够对不同的系统部件如压缩机、毛细管和换热器进行仿真。此外软件还可以对多种制冷剂进行仿真，如R22，R410A 等。软件界面如下图所示。
2、窗式空调系统设计思路
在对换热器进行优化时，采用标准工况。对于蒸发器输入参数为制冷剂入口焓，制冷剂流量和制冷剂出口压力；对于冷凝器采用制冷剂入口压力，制冷剂入口焓和制冷剂入口流量，具体的输入参数如表1所示。
对5mm内螺纹管房间空调器优化设计包括如下3个流程，设计流程图如下图所示：
(1) 实验测量或者采用CFD 仿真计算换热器迎风面风速分布。
对于换热器设计来讲，空气侧的风速分布为输入参数，且迎风面的空气速度分布对换热器的性能有较大的影响。用实验方法测量迎风面风速分布较为困难，得到迎风面风速分布的较为有效的方法是通过CFD 软件如Fluent 仿真计算得出换热器空气侧的流场。
(2) 采用三维翅片管换热器仿真与优化软件对换热器的流路进行设计。
由于在质量流量相同的情况下，5mm内螺纹管的压降比7mm内螺纹管的压降大4 倍以上，一个有效降低5mm空调器换热器的压降的方法就是增大换热器的分路数。但分路数过多后，换热器的换热性能会下降，同时也会造成加工困难，所以需要采用三维翅片管换热器仿真与优化软件仿真得出适当的分路数，并根据风速分布的情况，优化设计得出最优的管路的连接。
(3) 将采用换热器仿真与优化软件设计得出的换热器带入到系统仿真软件中进行EER的校核。
由于换热器设计时得出的最优的管路连接是在标准工况下，放入系统中，因此需要放入系统中对系统的EER 和制冷量进行校核，如不满足系统EER 和制冷量的要求，则需要返回第（2）步，重新对换热器进行调整。
优化设计算例
现以一款常用的窗式空调器为例，将其冷凝器由原来的7mm管径改为5mm管径，其蒸发器保持原来的7mm管结构。对空调器进行设计时，首先对冷凝器内部的流场进行CFD仿真，并采用三维翅片管式换热器仿真软件对其管路进行优化设计。然后采用房间空调器将设计得出的换热器带入系统中对EER 进行校核。
1、空调器的几何尺寸和工况
需要改变的冷凝器的主要结构参数如表2所示。
翅片采用桥片，换热管采用内螺纹强化管，制冷剂采用R22。具体参数如表3所示。
2、 冷凝器的空气侧流场模拟
采用三维翅片管式换热器仿真与优化软件对于采用5mm管后的冷凝器进行优化设计时，需要输入空气侧的温度场与流场，在没有实验数据的情况下，只能通过CFD计算获得。
利用Gambit对冷凝器构建模型，可得冷凝器风道的3D模型视图，将该3D模型进行网格划分，如下图所示。采用SIMPLE方法，并运用k-ε模型对湍流进行求解。k-ε模型的各常数取值如表4所示。
蒸发器进出口，风扇，铜管和机壳的边界条件设置如下图表所示，完成流动模型和边界条件设置后，使用Fluent进行迭代计算，得出了冷凝器迎风面的风速分布的仿真结果，如下图所示。
为了便于冷凝器的仿真计算，将冷凝器沿管长方向划分成6个控制单元，并将各控制单元的速度导出后，得出各控制单元中沿换热器高度方向的速度分布，如下图所示。
3、冷凝器管路连接的优化
将Fluent 计算得出的非均匀流速分布输入到三维翅片管换热器仿真与优化软件中，对分路数是1 至2 的流路结构进行优化设计，可得对应的分路数的最优的流路设计方案，如下图所示。
(a) 原7mm管冷凝器走管方式
(b) 5mm管冷凝器1个流路走管方式
(c) 5mm管冷凝器2个流路走管方式。
在换热器设计中当分路数增加，换热器的换热量增大，压降降低；而当分路数继续增大后，伴随着换热器的压降的降低，换热器的换热量也随之降低。5mm管冷凝器设计中2个流路的压降较小，换热量与原有机型较接近，故选用2个流路的布置，如上图（c）所示。
4、采用5mm管冷凝器的空调器性能校核
将上述所得的2个流路的5mm管径冷凝器的结构和管路布置和原7mm管径蒸发器的结构和管路布置带入至系统仿真软件，对系统的EER进行校核，表6测试结果表明5mm窗式空调器的制冷量为1467W，能效比2.70，与原有7mm管径系统接近，满足要求。
结论与讨论
1、窗式空调器采用5mm内螺纹管后，需要对于换热器的管路连接重新进行优化设计，适当增加分路数。
2、经过换热器优化设计与空调器整机制冷系统优化后，采用5mm铜管的窗式空调器在冷量和能效比可以达到原7mm管空调器的性能。
3、空调器的两器从原来的7mm内螺纹管换成5mm内螺纹管后，两器的成本能够降低30%左右，而制冷剂充注量也能减少20%左右，对环境保护有益。