...流栅 螺旋槽管换热器传热性能的影响
白小峰+葛磊+赵宏延
摘 要：换热器（蒸发器和冷凝器）是空调系统的重要组成部分，它的性能的提高将促进整个空调系统能效的提升。针对空调系统常用的管片式换热器，提出了增强它的传热性能的有效途径，有助于新产品的开发，对空调系统的研制具有指导意义。
关键词：管片式换热器；传热性能；有效途径
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.001
1 引言
冷凝器和蒸发器是空调系统中两个重要的部件，它们的作用是实现不同温度流体之间的热量交换，通常又称为换热器。换热器的换热性能由换热器本身的结构、尺寸、材料和工艺等决定。在空调系统中使用的换热器结构主要有管片式、管带式、平形流式、层叠式等，管片式换热器以其独特的优点在家用空调、大巴车空调、特种空调等的制冷系统中得到广泛的应用，增强它的换热性能对提高空调系统的能效具有重要意义。
2 管片式换热器的结构及特点
管片式換热器的结构组成如图1所示，它具有如下特点：
（1）管片式换热器主要由铜管套上翅片组成，铜管一般为紫铜制成，翅片一般是以0.1～0.2毫米厚的铝箔或铜箔制成，翅片间距为1.5～2.5毫米。将紫铜管穿上翅片，通过膨胀紫铜管使得翅片与铜管紧密接触，加工简单、工艺成熟、成本较低。
（2）由于管路为紫铜管，因而它具有较好的钎焊性、较高的机械强度及良好的耐腐蚀性和导热性。它的两端固定板可由3㎜防锈铝板或1.2㎜不锈钢板制作，安装到系统后具有良好的抗震性，使用寿命较长。
（3）管片式换热器可做成多通路形式，可根据需要优化管路布置，优化制冷剂流量，提高空调系统的性能。
3 提高管片式换热器传热的途径
我单位经过十几年的管片式换热器的生产和应用，对如何提高管片式换热器的效率进行了深入的研究，在以下几方面取得了进步。
（1）采用新型的内螺纹管代替光管。换热器中的铜管起着传导换热的作用，是换热的最直接的方式，铜管本身的换热性能直接影响空调器的换热效果。采用内螺纹铜管将增大制冷剂侧的换热面积，减小传热热阻，它的换热性能与其齿形结构密切相关。
图2为内螺纹管的剖面图，管内的微肋数目一般为60～70，肋高为0.1～0.2㎜，螺旋角β为10°～30°。从换热理论上来看，提高接触长度，对提高管内蒸发传热系数帮助很大；提高留液面积，对提高管内冷凝传热系数帮助很大。因此，增加齿高、加大齿底宽、减小齿顶角等将使铜管的传热性能得到明显的增强。
（2）采用新型高效铝箔翅片。翅片的作用在于增加空气侧的换热面积，从而提高换热性能。
①采用复杂形状的铝箔翅片，有波纹型、百叶窗型、条缝型等。
在光直翅片换热器中，连续稳定的粘性层流层妨碍了气体与翅片的换热，波纹型翅片能够破坏连续稳定的层流层，所以换热系数增大了。而开缝式翅片不仅破坏了连续稳定的层流层，而且大大增加了通道中的紊流度，从而使换热系数进一步增大，百叶窗型翅片就是在翅片上开翻边槽，以此强化气流扰动，增强换热。
②对翅片表面性能的改进。铝翅片在干湿交替的工况下工作时，其表面会形成氧化层粉末，影响换热器的使用寿命。此外，当翅片表面温度低于空气的露点温度时，空气中的水蒸气将在翅片表面凝结，附着在翅片表面形成“水桥”，导致风阻增大，能耗增加。为了解决这一问题，国内外已经研制成功亲水膜表面处理技术，在翅片上涂上亲水膜，将减小水和翅片表面的湿润角，使冷凝水极易从翅片表面流下，这样在空调运行时换热器就能具有良好的通风效果，从而提高换热性能。
（3）优化管路设计。换热器的流程布置会改变传热温差的分布，会对换热器性能产生重要影响。采用最优的管路连接方式能使换热器有均匀的流动性和换热性，以取得较高的换热量。采用逆流程布置能使换热量比顺流程布置增加3%～4%。以下为两个换热器管路设计的实例：
①蒸发器的设计中可以将管路排列为少进多出（如4进8出）的方式，在制冷剂液态较多的前半部分采用较少的4路，充分发挥制冷剂流速快，换热效果好的特点，在制冷剂气态较多的后半部分采用较多的8路方式，有效地减小制冷剂的压降。
②冷凝器的设计中可以将管路排列为多进少出（如13进7出）且在最后加过冷管（3进3出）的方式（见图4），保证在前半部分（13根管路）使高温高压的制冷剂气体有充分的冷凝空间，在后半部分（7根管路+3进3出6根管路）使制冷剂液体充分冷却并具有一定的过冷度。
管路优化设计的例子还有很多，需要我们在实际的产品设计中做更多的研究。
（4）提高换热器的加工工艺水平。管片式换热器的生产工艺流程如图5所示。
在加工过程中对换热器换热性能影响较大的是胀管和烘干两个工序，因此这两个工序的工艺参数的制定将决定生产产品的性能。
①胀管过程涉及工艺参数的制定。胀管过程是在胀管机将内螺纹铜管膨胀，使铜管和翅片紧密结合在一起，翅片孔孔径的尺寸和胀头的外径尺寸对胀管效果至关重要。铜管和翅片的结合程度越好，传热热阻就越小，因此需要铜管外径和翅片孔内径配合时有一定的过盈量。但是过盈量过大会造成胀裂铜管的情况，这就需要制定合适的翅片孔孔径的尺寸和胀头的外径尺寸。以直径为φ7.94㎜，壁厚为0.43㎜的内螺纹管为例，设计翅片孔孔径为φ8.32㎜，选择胀头的直径为φ7.56㎜，胀管后铜管的外径为7.56+0.43×2=8.42㎜，过盈量为0.1㎜，这种程度的过盈量恰好保证了翅片与铜管的紧密配合，又不会造成胀破铜管。
②烘干时工艺参数的制定。在将铝箔冲制成翅片的过程中和胀管过程中会用到润滑油，这些润滑油残留在翅片上会影响亲水涂层的亲水性，同时，铜管里残留的润滑油会影响焊接小弯头的焊接质量，因此胀管后必须将换热器放入到烘箱中烘干润滑油。烘干温度的制定非常重要，因为亲水涂层对温度有一定的限制，若温度太高将会破坏掉亲水涂层的亲水性，但温度过低又达不到烘干的效果。经过我们的实验，将温度设定在100℃～120℃，烘干时间设定在50分钟非常合适，能够达到良好的效果。
4 结论
增强管片式换热器的换热性能可以通过选择新型铜管和翅片、优化管路布置、提高生产工艺等方法来达到，这些方法的运用将提高空调产品的性能，产生良好的经济效益。
参考文献：
[1]吴业正.小型制冷装置设计指导[M].机械工业出版社，1998（08）.
[2]尤顺义等.新型小管径内螺纹管在空调换热器中的应用[J].顺德职业技术学院学报，2008，6（01）：27-29.
