摘要：為了提高房間空調器的效率，應該對其換熱器進行優化設計。通過提高翅片的換熱系數，增大翅片的換熱面積，采用高親水處理的翅片，提高管內制冷劑換熱系數，采用橢圓管換熱器，以及盤管回路的優化設計，不對稱結構設計等方法，均可以提高換熱器的換熱能力。
　　關鍵詞：房間空調器　　換熱器　　優化設計
　　０　引言
　　提高房間空調器效率的方法有很多，如高效變頻壓縮機的采用，冷凝器和蒸發器的優化設計，先進節流元件的采用，控制系統的優化等等。隨然變頻壓縮機和電子膨脹閥的使用將大大提高系統的能效比，但冷凝器和蒸發器換熱效率的高低也直接決定了整個系統的能效水平。本文將針對房間空調器“兩器”的優化設計進行初步的討論。這些優化措施包括空氣側的換熱強化，制冷劑側的強化傳熱，盤管的設計優化等多個方面。
　　１　空氣側的換熱強化
　　空氣側的對流換熱系數比制冷劑側蒸發、冷凝的換熱系數要小得多，這樣在
熱量交換過程中，空氣側會形成瓶頸，因此翅片換熱能力的強化一直是研究的熱
點。增強空氣側換熱能力包括三個方面：強化翅片的換熱效率；對翅片進行高親
水性處理；增大換熱器的面積。
　　１．１強化翅片的換熱效率
　　由于空氣存在粘性，在換熱表面流動的空氣會在翅片表面形成一層邊界層，造成較大的熱阻，因此通過改變翅片的結構，可以減薄或者破壞邊界層的形成。早期在房間空調器的換熱器上使用的是平翅片，銅管的直徑為９．５２ｍｍ，之后發展成了波紋片，波紋片的傳熱量為平片的１．２倍。
    上世紀８０年代左右又發展成沖縫片，傳熱量提高到平片的２倍。后來隨著銅管細化為７ｍｍ管，沖縫片的換熱能力提高到平片的２．５～３倍。目前大多空調企業均采用沖縫片作為兩器的翅片，以提高換熱器的換熱效率。
    選擇沖縫片時，應該注意合適的翻邊高度，翻邊過高，造成翅片過疏，換熱面積太少，影響換熱性能；翻邊過低，造成翅片過密，風阻過大，風量減小，同樣影響換熱效果。
    另外，由于沖縫片的強度較差，在冷凝器 ９０度折彎過程中容易將圓弧段的翅片弄成倒片，倒片使得空氣阻力增加，影響了換熱。因此，提高翅片的強度和改善加工工藝也能有效地提高換熱效率。
    １．２對翅片進行高親水性處理空調器在運行時會產生凝結水，當凝結水珠的高度超過翅片間距的一半時，兩冷卻片之間的水珠就會連接起來，形成牢固的水橋，造成冷卻片間距堵塞，使空氣流動的阻力大大增加，從而減少了空氣流量，導致換熱器的換熱量降低和效率下降。室外機在冬季運行時因為同樣的原因而結霜，大大降低了系統的效率。因此，對兩器的鋁箔應該進行親水處理，即在鋁箔表面涂上一層親水膜，它具有很強的水潤濕性，冷凝水極易沿鋁箔表面鋪開，不形成水橋，而是以薄的水膜形態流下去。評價鋁箔親水性的優劣主要根據其持續親水角。持續親水角的大小關系到親水性的好壞，持續親水角每減少１０°，空調制冷量可提高 ２％～６％。根據測試，當持續親水角θ≤ ２０°時，鋁箔的親水性良好；當２０°＜θ≤３０°時，鋁箔親水性一般；當３０°＜θ≤５０°時，鋁箔親水性較差；當θ＞５０°時，鋁箔的親水涂層已基本不起作用。
    １．３增大換熱面積
    增大換熱器面積的方法之一就是對冷凝器和蒸發器多次折彎，如圖１所示。室內機盤管的折彎形式不斷改進，三折換熱器的面積比單板式換熱器的面積大５０％以上。室外機也可以采用多折方法來增大換熱面積，由于室外機空間相對較大，加上高效沖縫翅片的利用，一般情況下采用一個９０度的折彎形式就能滿足要求；若需繼續增大換熱面積，也可采用２個９０度折彎形式。
    除通過上述方法增加換熱面積外，減小翅片間距也能增大盤管的換熱面積。盤管長度相同時，翅片間距越小，翅片數就越多，因此換熱面積也就越大。當然，翅片間距也不能太小，否則會加大阻力，引起風量的減小，并且冬季運行時，翅片間距越小越容易結霜，而且結霜后供熱量的衰減也越快。對于采用高親水性沖縫片的室外機，翅片密度在每英寸 １４～１６片為宜；對于采用同樣翅片的室內機，翅片密度在每英寸１１～１３片為宜。
                        
    ２　制冷劑側的強化傳熱
    制冷劑側的強化傳熱也是換熱器優化的一個重要方面，采用內螺紋銅管和使用橢圓管是制冷劑側強化傳熱的主要手段。
    ２．１使用內螺紋管
   與普通光管相比，內螺紋管的內表面積增大，同時制冷劑流動時沿螺旋槽旋轉產生擾動，以及由于表面張力使液膜變薄等原因，傳熱系數增大。增大的程度隨內螺紋肋形的不同而有所不同，山型齒內螺紋管的內表面傳熱系數是光管的１．５倍左右；梯型是光管的２倍左右；小頂角型是光管的２．５倍左右；細高齒型是光管的３倍左右。
   ２．２使用橢圓管
   目前，由于工藝水平的限制，換熱器的銅管都采用圓管，但橢圓翅片管比圓管翅片管性能更加優越正在受到重視。雖然目前家用空調器換熱器使用橢圓管仍停留在實驗室研究階段，但根據研究結果可以預見橢圓管換熱器一定會有廣闊的發展前景。文獻［１］的研究結果表明對于給定的換熱器，橢圓管換熱器比圓管換熱器需要較小的換熱面積和較小的風機能耗；在相同的迎面風速下，橢圓翅片管比圓翅片管的   空氣側換熱系數大３～７倍；另外，換熱系數相同時，橢圓翅片管的壓降也小于圓管換熱器。
   盤管設計的優化
   在采用了高效換熱元件后，盤管設計的優化也是提高換熱器換熱效率的重要步驟。盤管的優化設計包括回路設計，不對稱盤管設計等多種方法。
   １合理的回路設計
   冷凝器和蒸發器回路設計是個需要綜合考慮換熱性能和阻力性能的問題。制冷劑在管中的流動速度越大，制冷劑管內的換熱系數也就越大，因此很多房間空調器的兩器均是采用單回路設計。但是這樣的設計沿程損失大，制冷劑的壓力下降較大，隨著換熱器長度的增加，這個問題會更加嚴重，并且單回路設計中，由于換熱溫差越來越小，回路后部的換熱能力已經變得非常糟糕。因此，回路設計必須對回路的阻力進行精確的計算（冷凝器的壓力以飽和溫度下降１℃為上限，蒸發器以飽和溫度下降 ２℃為上限），若阻力損失過大，應采用多個回路，并增大空氣和冷媒之間的換熱溫差。
    ３．２不對稱盤管設計
    對于多排管換熱器來講，每排的換熱量是不同的。對于雙排冷凝器，當兩排的銅管和翅片完全相同時，迎風側的換熱量約占總換熱量的７０％，背風側換熱量只占３０％左右，背風側的換熱能力沒有得到充分的發揮，因此國內外有些空調產品采用不對稱結構設計的方法，通過稍微降低盤管迎風側的換熱能力而增強背風側換熱能力，從而增強整個盤管的換熱能力。不對稱結構設計包括前后排翅片類型不同，翅片間距不同，銅管直徑不同以及銅管類型不同以及上述方法的相互搭配等。
    文獻［２］指出在相同的風量下，迎風側使用光管、背風側使用內螺紋管的換熱器的換熱量均大于相同片距下全內螺紋管的換熱器的換熱量。文獻［３］對迎風側使用平片而背風側使用沖縫片的換熱器進行了試驗研究。迎風側使用平片，使空氣溫度升高，但小于使用沖縫片時的溫度升高幅度，即在迎風側的換熱量小于全沖縫片迎風側的換熱量；但空氣在背風側的換熱溫差大于全沖縫片換熱器背風側的換熱溫差，所以提高了背風側換熱量在總換熱量中所占的比例，總體的效果是迎風側平片的換熱效果優于全沖縫片的換熱效果。
    如圖２所示，文獻［４］提出迎風側采用小管徑，背風側采用大管徑的換熱器設計 思路。并通過計算機仿真模擬，得到相同的翅片間距或者相同的風速下，新設計換熱器的總換熱量比傳統換熱器增強１０％以上。
                          
    綜上所述，為了增強背風側盤管的換熱能力，可采用盤管的不對稱結構設計：迎風側翅片采用大間距的平片，背風側采用小間距的沖縫片；迎風側使用光管，背風側使用內螺紋管；迎風側使用小管徑銅管，背風側使用大管徑銅管。通過組合搭配試驗，以得最佳的換熱效果。
   ４　小結
   換熱器的優化設計是系統優化的一個重要組成部分，并且換熱器優化設計也一直是空調行業的熱點。因此，本文從空氣側的換熱強化，制冷劑側的強化傳熱，盤管的設計優化等幾個方面對換熱器的優化進行了初步的討論。