家用空调器管翅式铝换热器研究分析

家用空调器管翅式铝换热器研究分析

高玉平 ,侯小丽, ,郭佳才 ,王于曹

珠海格力电器股份有限公司  广东珠海  519070

摘要：本文从性能、工艺、成本方面，对家用空调管翅式铝换热器替代铜管换热器的可行性进行了研究，在研究范围内，得出结论如下：相同制冷剂流速下，与单根铜管相比，单根铝管传热系数低1300~2600 W/m2K；相同换热器尺寸和流路条件下，全铝换热器APF低于铜管换热器，通过增加流路数可以提高能效，满足家用空调要求；通过工艺优化，铝换热器已可以市场化应用，且成本具有显著优势。

关键词：铝换热器 管翅式 性能 实验

中图分类号：TB69

Research on Household Air Conditioner Tube Wing -type aluminum heat exchanger

Gao Yuping  Hou Xiaoli  Guo Jiacai  Wang Yucao

GREE Electric Appliances, Inc. of Zhuhai,   Zhuhai Guangdong ,519070

Abstract: From the perspective of performance, process, and cost, this article hads studied the feasibility of replacing the copper tube heat exchanger of the household air -conditioning tube -winged aluminum aluminum heat exchanger. Within the research scope, the conclusion is as follows:the same refrigerant flow rate, under the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, at the flow rate of the same refrigerant, the flow rate Compared with single -rooted copper pipes, the single aluminum tube heat transfer coefficient is 1300 ~ 2600 w/m2k; the same heat exchanger size and flow path conditions, the whole aluminum heat exchanger APF is lower than the copper tube heat exchanger, which increases by increasing by increasing The number of flowing roads can improve energy efficiency and meet the requirements of home air -conditioning; through process optimization, aluminum heat exchangers can be used in market -oriented, and the cost has a significant advantage.

Keywords:Aluminum heat exchangerTube wing Performance Experiment

1引言

目前空调换热器以铜管为主，随着经济快速发展，铜储量下降明显，且铜价不断上涨，

已成为制约空调行业发展的主要因素之一。为响应国家节能减排政策，行业内外对铝代铜

技术进行了广泛研究[1-5]。

Shao等[6]实验研究了全铝平行流换热器作为蒸发器时的工作性能，并与传统管翅式换热器进行了对比；荣俊[7]设计了一种新型整体式全铝换热器，通过仿真模拟和实验分析了其用于空调制冷循环的可行性；成松[8]实验对比研究了铜铝复合管翅式换热器、全铜换热器、全铝换热器的工作性能，张卫星和张学伟[9]对铜铝复合管的腐蚀问题进行了研究。本文从性能、工艺、成本等方面对家用空调管翅式全铝换热器进行综合分析，为其产业化应用提供参考。

2 管翅式铝换热器性能研究

我们选取某家用空调3P变频三级室外机的换热器为研究对象，其三维模型如图1所示，结构参数如表1所示。针对该换热器的换热管，分别采用铜管和铝管进行性能实验对比。

图1 某家用空调室外机的换热器三维模型

表1某家用空调室外机的换热器结构参数

2.1 单管性能实验对比

对铜管、铝管进行单管性能实验测试，根据JB/T10503-2017标准搭建实验台，实验原理如图2所示。在如表2的实验工况下进行测试，待换热管换热过程稳定运行30min后，每隔10min采集一次数据，取三次数据的算术平均值作为实验数据。

图2 单管性能实验台

表2 单管实验工况参数

单管实验测试过程中，压力损失计算：

热平衡偏差小于等于3%，该实验数据才用于传热计算：

传热系数计算：

其中，、分别为制冷剂进、出口压力；、、、分别为制冷剂侧换热量、水侧换热量、换热损失和总换热量；为被测管路换热外表面积；为对数平均温差。

表3 测试铜管与铝管规格

测试用单管管长1m，单管规格参数如表3所示，制冷剂采用R32，压力测点位于换热管有效出口端300mm处，对比测试铜管和铝管的传热系数和压力损失。根据如上试验测定数据计算，传热系数对比如下图3所示，压力损失对比如下图4所示。

图3 铜管和铝管传热系数对比

图4 铜管和铝管压力损失对比

由图3可知，在相同制冷剂流速下，铝管内传热系数比铜管小，制冷剂流速在220~480 kg/m2s时，铝管内传热系数比铜管小1300~2600 W/m2K。

由图4可知，在相同制冷剂流速下，铝管内压力损失比铜管大，制冷剂流速在220~480 kg/m2s时，铝管内压降比铜管大30~230 Pa。

2.2 整机性能对比

在整机机组上对比铜管和铝管换热器性能，采用空气焓差法，实验台按照国标GB/T 7725-2004搭建，实验装置原理图如图5所示。测试工况温度波动控制在3%以内，机组连续稳定运行1 h后记录测试数据，记录三种实验数据并且平均值作为实验结果。

图5 焓差性能实验台

性能对比测试样机配置差异如下表4所示，仅室外机换热器的换热管材质不同，其他完全保持一致。

表4 测试样机配置差异

对比测试结果如下图所示，由图6可知整机的室外机换热器铝材质比铜材质的APF降低0.15，整机单点性能对比，额定制冷铝换热器比铜换热器功耗高90W，额定制热铝换热器比铜换热器功耗高117W。

相同的管径铝换热器功耗比铜换热器高，主要原因是为了维持铝管强度，铝管壁比铜管壁厚，相同管径下铝管内径小，管内摩擦系数增大，制冷剂的阻力增大，从而导致功耗增加。

图6 整机APF对比

图7  额定制热功率对比

2.3 整机性能优化

  为了降低铝管换热器功耗，整机的室外机换热器采用三种不同流路的铝换热器对比测试，其换热器流路如下图8所示，对比测试结果如下图9、图10所示。

图8 铝换热器三种流路图

图9 不同流路APF对比

图10 各性能点功耗对比

由上图可知，铝换热器室外机采用6进6出流路，APF提高0.08。同时各个性能点的功耗降低，额定制冷的功耗可降低36W，额定制热功耗可降低59W。因此在铝换热器设计中，流路数比铜换热多可提高性能降低功耗。

3 工艺与防腐分析

管翅式换热器生产通用工艺规程如下图1所示，主要包括调机→上线→插弯头→敲弯头→焊接→吹气冷却→喷码→看漏→下线→补焊共10个工序。其中因焊接导致的报废率高，生产效率低是影响管翅式换热器规模化生产的主要因素。

图1 管翅式换热器生产通用工艺规程

焊接问题主要分为以下两个方面：一是铝管与铝制弯头焊接时易被焊穿（如图1.1所示），二是铝管与其它材料弯头焊接时易出现裂漏（如图1.2所示），原因分析如下：铝管与铝制弯头焊接时，因焊料熔点温度（560℃~580℃）与铝管熔点温度（610℃~630℃）接近，加热时间过长或受热温度过高等均易导致焊穿。铝管与其它材料弯头焊接时，常采用无缝铜铝钎焊料，焊料的熔点温度为420℃∽450℃。由于该焊料的熔点较低，容易导致焊缝部位强度较差等问题。因此当焊接部位受到外力作用或者焊接环境等影响时，即易出现焊接漏裂现象。

上述焊接问题，我们可以通过结构设计、控制焊接火焰温度和焊接物体受热时间等工艺参数进行解决。铝与铝之间焊接时，焊枪喷嘴需选择合适的孔径，推荐孔径¢3。焊枪移动速度、焊枪氧气与燃气的流量比例控制、焊接部位方向选择根据实际和环境情况，选择合适的工艺参数。铝与铜之间焊接时，同步需要调整管端配合结构尺寸，需要有足够长的插入深度保证强度。经过多次批量验证，采用前述解决方案，其焊接合格率可控制在99%以上。

除焊接问题外，铝管管翅式换热器还面临因腐蚀导致使用寿命较短问题。全铝换热器因只含有一种金属，不存在电化学腐蚀的问题，但在湿度较大或空气质量较差的环境下，易被大气中的阴离子、酸性物等腐蚀。目前可通过电化学防腐工艺、选择干燥存储环境、在翅片表面涂亲水材料或防腐材料等方法，有效解决其因腐蚀导致的寿命较短问题。

4成本分析

铝管由于材料价格较低，在这铜价日益增长的今天，对换热器成本控制具有重大意义。以上述换热器的单U管做对比分析，以某日的材料价格做对比分析，得出材料节约成本见表7所示。

表7 铜管与铝管材料成本对比

根据表中数据得出，室外机换热器在相同条件下对比，以¢7 x 0.25规格为标准，单U管就可减少重量18%，可以降低成本28%，如果大规模产业化，对空调企业的成本控制具有较好的效果。

5结论

本文从性能、工艺、成本等方面对管翅式全铝换热器产业化进行了可行性分析，在研究范围内，得出结论如下：

（1）相同管径、相同制冷剂流速下，铝管传热系数比铜管低，压力损失比铜管大。

（2）在相同换热器结构和流路条件下，与铜管换热器对比，铝管换热器整机APF低0.15，铝管换热器通过增加流路数，APF可以提升0.08，性能满足国标要求。

（3）与铜管管翅式换热器相比，管翅式全铝换热器具有明显成本优势。

（4）综合性能、成本、焊接和防腐分析，管翅式全铝换热器产业化具有良好的前景。

参考文献

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[7]荣俊. 整体式全铝换热器传热性能及其在制冷空调器上应用研究[D].北京, 北京理工大学, 2015

[8]成松. 面向家用空调的新型换热器及替代冷媒实验研究[D]. 广东, 华南理工大学, 2014.

[9]张卫星, 张学伟. 浅谈空调行业铜铝换热器的腐蚀问题[J]. 制冷空调与电力机械, 2010,31(1):87-88

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