能源研究与信息  2015, Vol. Issue (1): 38-42   PDF    
引用本文
胡卫荣. 空调换热器用铜量对空调器性能的影响分析[J]. 能源研究与信息, 2015, (1): 38-42.
HU Weirong. Influence of copper consumption on the performance of air conditioner[J]. Energy Research and Information, 2015, (1): 38-42.
空调换热器用铜量对空调器性能的影响分析
胡卫荣    
开利空调销售服务(上海)有限公司, 上海 200120
收稿日期: 2014-06-25;
作者简介：胡卫荣(1973-),男,工程硕士.研究方向:空调能效与市场化研究.E-mail:weirong.hu@carrier.utc.com
摘要：从小管径铜管替代的角度出发,针对目前市场上常见的管径为Φ9.53 mm、Φ7 mm以及Ф5 mm的铜管空调换热器进行性能测试和成本对比分析.研究结果表明:采用Φ5 mm铜管换热器比采用Φ7 mm铜管换热器的用铜量最高节约了26.74%;采用Φ5 mm铜管换热器比采用Φ9.53 mm铜管换热器的用铜量最高节约了46.43%;而在相同实验条件下,Φ5 mm铜管平均换热性能比Φ7 mm铜管平均换热性能和Φ9.53 mm铜管平均换热性能均有所增加.
关键词： 空调器     用铜量     换热性能     成本    
Influence of copper consumption on the performance of air conditioner
HU Weirong    
Carrier Air-Conditioning Sales and Service(Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200120, China
Abstract: In the view of replacement of large diameter copper pipes with the small diameter pipes, the performance and cost of three different air conditioners were investigated, in which the common copper tubes with diameters of 9.53 mm, 7 mm and 5 mm were used respectively.The results show that the copper consumption of the heat exchanger made with Φ 5 mm pipes is 26.74% lower than that of the heat exchanger made with Φ 7 mm pipes, and 46.43% lower than that of the heat exchanger made with Φ 9.53 mm pipes.Under the same experimental conditions, the heat exchange performance of the Φ 5 mm pipe is better than that of the Φ 7 mm pipe and the Φ 9.53 mm pipe.
Key words: air conditioner     copper consumption     heat exchange performance     cost    

随着经济的快速发展,空调的市场容量逐年扩大,对空调质量和价格的要求也在逐步提高.制冷空调行业中,铜是空调器的重要原材料之一.虽然中国铜储量位居世界第七,但产地相对分散,产量低,与世界平均水平相比尚有很大差距.国内企业每年需要的铜原料的4/5来自进口[1].铝管代替铜管和采用更小管径的铜管是降低产品成本的两大手段[2].采用更小管径的铜管不需要在设备和工艺方面进行较大的改进,是目前企业降低成本的首选方案.换热器用铜量在空调器性能和价格的竞争中起着举足轻重的作用,对换热器中的铜管无论在管型、管径,还是在壁厚等方面的技术要求都更高.因此,如何使铜管更好地满足空调行业的需要,获取低成本、高效率、高质量的换热器已成为铜管制造业公认的发展趋势.

本文针对目前市场上常见的换热管管径分别为Φ9.53 mm、Φ7 mm以及Φ5 mm的家用空调器进行性能测试分析和用铜量分析,研究换热器用铜量对家用空调器的制冷量、分液均匀性、压降特性、换热特性、制冷能效比(EER)等参数的影响. 1 家用空调器性能测试方法 1.1 焓差法性能测试方法

该方法是根据ASHARE单元式空调设备和热泵设备的性能实验方法[3],确定单元式空调设备及制冷单元式热泵设备的制冷量和制热量等性能参数的测试方法.图 1为风洞式空气焓值法的试验装置.被测样机的室内、外机分别放在测试室的室内侧和室外侧,空气测量装置安装在室内侧并与空调器送风口相接,空气测量装置的保温从空调器送风口开始,直到测点为止,包括连接风管在内.试验房间内设有空气再处理机组,使进入机组的空气保持所需要的干球、湿球温度.每隔5 s记录一次数据,总共记录100组数据.图 2为家用空调器焓差法性能测试实物.

图 1 风洞式空气焓值法的试验装置 Fig. 1 The experimental setup for the air enthalpy testing using wind tunnel

图 2 家用空调器焓差法性能测试实物 Fig. 2 The household air conditioner performance test system using enthalpy method
1.2 家用空调器焓差法性能测试工况设定

本文根据美国ARI 210/240—2008标准[4]确定家用空调器焓差法性能测试方案.对于定频、变频家用空调器进行高温、中温、低温三个工况的制冷模式测试,制冷模式循环衰减系数C取默认值0.25.测试条件如表 1所示.

表 1 定频、变频家用空调器制冷模式测试条件 Tab. 1 The test conditions of the fixed frequency and variable frequency household air conditioner with the refrigeration mode
2 不同换热管径家用空调器用铜量以及性能对比分析 2.1 不同换热管径家用空调器用铜量对比分析

为分析不同管径家用空调器性能和基本结构的差异,本文选取市场上常见的制冷量基本相同的3台不同厂家生产的、不同容量、不同类型的家用空调器作为样机进行拆机测试,样机基本性能参数及用铜量如表 2所示.

表 2 3台样机基本性能参数(额定)及用铜量 Tab. 2 The rated parameters and copper consumption of three prototypes

由表 2可知,对于同一室内机换热管管径、不同制冷剂充注下的样机1与样机2,当将室外机换热器管径由Φ9.53 mm换为Φ7 mm后,制冷剂充注量减少,室外机换热面积由36.95 m2减少至30.27 m2,室外机用铜量由3.96 kg减少至2.50 kg,室外机单位用铜量换热面积由9.33 m2·kg-1增加至12.11 m2·kg-1,室内、外机总用铜量由5.88 kg减少至4.30 kg,节约了26.87%的用铜量.

对于同一室外机换热管管径、同一制冷剂充注下的样机2与样机3,由于室内机换热管管径由Φ7 mm换为Φ5 mm后,制冷剂充注量由1.40 kg减少至1.05 kg,室内机换热面积由13.42 m2减少至12.81 m2,室内机用铜量由1.80 kg减少至0.98 kg,室内机单位用铜量换热面积由7.46 m2·kg-1增加至13.07 m2·kg-1,室内、外机总用铜量由4.30 kg减少至3.15 kg,节约了26.74%的用铜量.

对于同一额定制冷量,不同制冷剂充注下的样机1与样机3,样机1属于定频空调,样机3属于变频空调,换热管管径减小后,制冷剂充注量减少,室内机换热面积由11.59 m2增加至12.81 m2,室内机用铜量由1.92 kg减少至0.98 kg,室内机单位用铜量换热面积由6.04 m2·kg-1增加至13.07 m2·kg-1,室外机换热面积由36.95 m2减少至24.21 m2,室外机用铜量由3.96 kg减少至2.17 kg,室外机单位用铜量换热面积由9.33 m2·kg-1增加至11.06 m2·kg-1,室内、外机总用铜量由5.88 kg减少至3.15 kg,节约了46.43%的用铜量.

因此,当空调器换热管管径减小后,制冷剂充注量明显减少,换热器用铜量也明显减少,但为了保证制冷能力(制冷量、制冷能效比等)基本不变,需要增加单位用铜量的换热面积. 2.2 不同管径家用空调器性能对比分析

根据表 1中的3个工况,对3台样机分别进行测试,比较3台空调器的用铜量对制冷量、分液均匀性、压降特性、换热特性、制冷能效比(EER)等参数的影响.

制冷剂质量流量、体积流量以及平均流速分别为

式中:Q为制冷量或制热量,W;Δh为换热器进出口焓差,J·kg-1;ρ为制冷剂平均密度,kg·m-3;d为换热器管径,m.

雷诺数、普朗特数分别为

式中:ν为制冷剂的运动黏度,m2·s-1;a为制冷剂热扩散率,m2·s-1.

流体流动阻力系数

努谢尔数

对流换热系数

式中:λ为流体的导热系数,W·m-1·K-1.

具体测试及计算结果如表 3~5.

表 3 A2工况下3台样机实验测试性能对比[5] Tab. 3 Performance comparison of the three tested prototypes under A2 condition

表 4 B2工况下3台样机实验测试性能对比[5] Tab. 4 Performance comparison of the three tested prototypes under B2 condition

表 5 F1工况下3台样机实验测试性能对比[5] Tab. 5 Performance comparison of the three tested prototypes under F1 condition

由表 3、4、5可知,3种制冷工况下,当采用小管径换热管后,管内流速明显增加,管内湍流度增加,Re、Nu增大,换热系数增加.

由表 3可知,A2制冷工况下,对于同一室外机换热管管径、不同室内机换热管管径、同一制冷剂充注下的样机3比样机2的平均换热系数增加了79.33%,管内流动阻力增加了25.48%;对于同一室内机换热管管径、不同制冷剂充注下的样机1与样机2,由于制冷剂由R22换为R410A,平均换热系数增加了48.39%,管内流动阻力减小了23.65%.

由表 4可知,B2制冷工况下,样机3比样机2的平均换热系数增加了91.81%,管内流动阻力增加了5.29%;样机2与样机1相比,平均换热系数增加了43.98%,管内流动阻力减小了4.37%.

由表 5可知,F1制冷工况下,样机3比样机2的平均换热系数增加了71.88%,管内流动阻力增加了1.79%;样机2比样机1,平均换热系数增加了44.02%,管内流动阻力增加了10.10%.

所以,将家用空调器换热管由大管径换为小管径后,由于管内流速增加,管内湍流度增强,导致小管内平均换热系数增加,有利于换热器两侧的换热.但是伴随着换热管管径的减小,管内流动阻力增加,压降增大. 3 结 论

本文针对选取的3台样机,先利用焓差实验室对空调器性能进行测试,测试完毕后,对样机进行拆机、计算用铜量.主要结论为:

(1) 采用小管径铜管替代大管径铜管后,空调器中制冷剂充注量有所减少,换热器管路中的制冷剂流速明显增加,管内湍流度增强,换热性能增强,但是流动阻力增加,系统压降增大.

(2) 采用Φ5 mm铜管换热器比采用Φ7 mm铜管换热器的用铜量可节约26.74%;采用Φ5 mm铜管换热器比采用Φ9.53 mm铜管换热器的用铜量可节约46.43%.

参考文献
[1] 吴扬,李长生,邓斌.采用小管径铜管空冷换热器的性能成本分析研究[J].制冷技术,2010(2):19-22.
[2] 冼志健,王开发.小管径铜管换热器的性能及成本分析[J].制冷与空调,2013,13(5):65-66.
[3] Air-Conditioning,Heating,and Refrigeration Institute.AHRI Standard 1230,2009 Standard for Performance Rating of Variable Refrigerant Flow(VRF) Multi-Split Air-Conditioning and Heat Pump Equipment[EB/OL].[2012-02-15].http://www.docin.com/p-342754767.html.
[4] 美国空调、供热及制冷工业协会.单元式空调和单元式空气源热泵空气调节器性能等级评定[EB/OL].[2014-12-01].http://wenku.baidu.com/view/321ff75277232f60ddcca17c.html.
[5] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.