最新：小管径翅片管换热器研究进展

换热器使用小管径铜管以后，管内流动阻力增大，使得换热器需要更多的流路数目。这就带来了一个新的问题：蒸发器前制冷剂多路分配均匀性难以保证。为此需要有性能良好的分配器。目前提升分配器性能的方法主要有两种：（1）试验研究空调常用分配器的分配性能的影响因素，使分配器工作在最佳运行条件下；（2）设计新类型的分配器结构，实现均匀对称的两相流型，从而保证分配的均匀性。

空调器中常用的分配器形式包括圆锥式分配器、插孔式分配器和反射式分配器，如图5所示。影响空调器常用的分配器性能的因素主要有两个：冷媒的物性和安装的角度。

图5 目前主流分配器中可优化的结构参数

对气液相密度比大的制冷剂工质（R32、R410A），在垂直安装条件下，插孔式分配器分配效果最好，在倾斜安装条件下，圆锥式分配器分配效果最好^[16]。气液两相密度比增大会使得气液两相流速减小以及出口压力增大。插孔式分配器在垂直安装时受压力波动影响较小；倾斜安装时，对倾斜安装角敏感度大，因此其分配效果差；而圆锥式分配器的混合腔道相比于插孔式和反射式来说最小，并且出口有一定的倾斜角度（30°），根据质量守恒公式，两相流经过圆锥式分配器混合腔时的流速大于其他分配器，较易形成雾状流。对气液相密度比小的制冷剂工质（R22、R290），圆锥式分配器分配效果均为最好。气液两相密度比减小会导致气液两相流速增大以及出口压力减小。流速的影响大于压力波动的影响，而圆锥式分配器混合腔的流速大于其他两种分配器，更易形成雾状流。因此在垂直和倾斜安装时圆锥式分配器均有较好的分流效果。

在垂直安装时，插孔式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变差^[17]。圆锥式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变好。反射式分配器在额定制冷工况下，随着流量的增加，性能变差；在额定制热工况下，随着流量的增加，性能变好。在倾斜15°安装时，插孔式分配器在额定制冷工况下，随着流量的增加，性能变好；在额定制热工况下，随着流量的增加，性能变差。圆锥式分配器在额定制冷和额定制热工况下，随着流量的增加，性能均变好；反射式分配器在额定制冷工况和额定制热工况下下，随着流量的增加，性能均变差。插孔式分配器的不均匀度随着安装角度的增加而大幅增加；圆锥式分配器的不均匀随着安装角度的增加先减小后增加，在安装角度为30°时，不均匀度最小；反射式分配器的不均匀度随着安装角度的增加平缓地增加。

图6示出了一种新型的分配器结构，能够在分配器内部实现稳定对称的环状流，具有更高的分配均匀性^[18]。这种新型分配器在任意安装角下均具有良好的分配性能。新型分配器的设计思路是在分配器的进口管中构建环状流并通过出口管实现均匀的分配环状流。在传统圆锥式分配器中，分配器的进口管内是不规则的泡状流，导致一部分出口管中液体很多，另一部分出口管中气体很多，如图7（a）、7（b）所示。在新型的分配器中，分配器的进口管内是对称分布的环状流，其中液相均匀地分布在进口管的管壁上，气相位于液相中心，如图7（c）所示。当出口管也对称地布置在进口管的壁面上时，对称分布的制冷剂会均匀地分配到所有的出口管内，如图7（d）所示。因此新型分配器通过形成环状流可在任意安装角度下实现均匀分配。

图6 基于环状流流型整流的新型分配器

图7 分配器进出口管的不同连接形式对比

均匀分配环状流的实现方法是使进出口管采用新型的T型连接代替传统圆锥式分配器的Y型连接。T型连接结构中的出口管对称地安装在进口管的壁面上；而Y型连接的出口管则安装在进口管中心。在T型连接结构中，分配器的出口管对称地布置在进口管壁上，保证了每个出口管的进口状态都是相同的。

直接在空调换热器中应用小管径铜管替代大管径铜管存在着一些应用的技术难题，这里给出了解决这些问题的方案，具体如表2所示。

（1）小管径翅片管换热器能够提高换热系数，降低换热器成本和制冷剂充注量。采用5mm铜管替代原9.52mm铜管，换热系数提升10%左右，成本降低50%以上，充注量降低25%左右。

（2）小管径对空调器整机的影响为：使得换热器的换热面积减少，但换热系数增加；换热量在一定工况下也有相应的增加；摩阻系数增大，制冷剂流动阻力加大，压降上升；蒸发器内蒸发温度下降，冷凝器内冷凝温度上升，进而影响系统效率。

（3）小管径翅片管换热器的生产需要采用新的铜管盘拉工艺，新的铜管轧制工艺，和新的胀管工艺。小管径翅片管换热器导致换热器的翅片面积减少以及流路数目增多，因此需要与新型高效的换热翅片，新型的均匀分流的分配器配合使用。 

参考文献

[1] 任滔, 丁国良, 韩维哲, 高屹峰，郑永新, 宋吉. 空调器中采用小管径的影响分析及研发思路[J]. 制冷技术, 2012(1): 50-67.

[2] 王婷婷, 任滔, 丁国良, 宋吉, 高屹峰, 郑永新. 小管径空调器的优化设计[J]. 制冷技术, 2012(4): 1-4.

[3] 杨丁丁, 柳建华, 宋吉, 申隽, 方进林. 小管径内螺纹铜管在空调换热器上的应用分析[J]. 有色金属材料与工程, 2017(6): 334-338.

[4] 郭明恩, 刘瑞, 孙祖莉. 锡磷青铜合金水平连铸工艺参数的优化[J]. 铸造技术, 2005(7): 591-593.

[5] 王智斌, 张习刚. 一种轧制铜及铜合金管材的三辊行星轧机轧辊: 中国，02237667.4 [P]. 2002-06-24.

[6] 刘劲松, 陈大勇, 张士宏. 基于数值模拟的TP2铜管三联拉工艺优化[J]. 中国有色金属学报, 2015, 25(2): 458-465.

[7] 龙晓斌. 一种强制式胀管机: 中国, 200810218474.8 [P]. 2011-04-27.

[8] 龙晓斌, 黄留平, 陈湘毅, 龙川. 一种胀杆装置: 中国, 201410223183.3 [P]. 2015-11-18.

[9] 龙晓斌. 一种U型管锁紧装置: 中国, 200810029888.6 [P]. 2011-04-27.

[10] 龙晓斌, 肖世文, 古杰仪. 一种可同时锁紧多根U管的组合式U型管锁紧装置: 中国, 201120400915.3 [P]. 2012-07-04.

[11] 任滔，吴国明，丁国良，郑永新，高屹峰，宋吉. 基于房间空调器全年性能系数的室外机翅片设计[J]. 制冷技术, 2016(6): 1-4.

[12] 于博, 吴国明, 任滔, 丁国良. 提升热泵空调器制热性能的镂空翅片开发及性能分析[J]. 制冷技术, 2018(2): 51-55.

[13] 何雅玲, 楚攀, 谢涛. 纵向涡发生器在管翅式换热器中的应用及优化[J]. 化工学报, 2013(3): 746-760.

[14] Wang W , Bao Y , Wang Y . Numerical investigation of a finned-tube heat exchanger with novel longitudinal vortex generators[J]. Applied Thermal Engineering, 2015. 86: 27-34.

[15] Lin Z M , Liu C P , Lin M , Wang L B. Numerical study of flow and heat transfer enhancement of circular tube bank fin heat exchanger with curved delta-winglet vortex generators [J]. Applied Thermal Engineering, 2015. 88: 198-210.

[16] 高扬, 翁晓敏, 丁国良, et al. 不同制冷工质在分配器中的分配特性分析及结构优化设计[J]. 制冷技术, 2015. 35(3): 28-33.

[17] 高晶丹, 丁国良, 胡海涛, et al. 不同结构分流器的分流性能比较[J]. 制冷技术, 2013(3): 24-26.

[18] Wu G M, Ren T, Ding G L, Yu B. Design and visualized validation of a distributor with uniform refrigerant distribution by forming annular flow [J]. International Journal of Refrigeration, 2018: 1-31. 

..........