强制对流空气冷却式空调冷凝器的设计

【摘要】本文介绍了强制对流空气冷却式空调冷凝器的结构及特点，并详细论述了其设计过程，最后联系实践，制作出用于指导生产的工序指导卡。

【关键词】空调冷凝器、设计、工序指导卡

引言：换热器是制冷空调系统中最重要的部件之一,其性能的好坏直接影响着整个系统的性能。因此,换热器的研究一直是制冷空调领域中一个非常活跃的研究方向。本文以冷凝器为例，对强制对流空气冷却式空调换热器的设计进行了初步探讨。

一、概述

冷凝器的功能是把由压缩机排出的高温高压制冷剂气体冷凝成液体，把制冷剂在蒸发器中吸收的热量（即制冷量）与压缩机耗功率相当的热量之和排入周围环境中。因此，冷凝器是制冷装置的放热设备，其传热能力将直接影响到整台制冷设备的性能和运行的经济性。

冷凝器按其冷却介质可分为水冷式、空冷式和水/空气混合式。由于空冷式冷凝器使用方便，尤其适合于缺水地区，在小型制冷装置（特别是家用空调）中得到广泛应用。

空冷式冷凝器可分为强制对流式和自然对流式两种。自然对流式冷凝器传热效果差，只用在电冰箱或微型制冷机中。下面仅讨论强制对流式冷凝器。

二、强制对流空气冷却式冷凝器的结构及特点

强制对流空气冷却式冷凝器都采用铜管穿整体铝片的结构（因此又称管翅式冷凝器）。其结构组成主要为——U形弯传热管、翅片、小弯头、分叉管、进（出）口管以及端板等（如图1），其加工工艺流程如图2。

下面简要介绍一下各主要部分：

1、U形弯传热管U形弯传热管俗称大U弯，其材料一般为紫铜。为了减少金属材料消耗量及减少冷凝器重量，在强度允许的条件下，应尽量避免使用厚壁铜管。

U形弯传热管有光管和内螺纹管两种。由于内螺纹管重量轻、成本不高，并且其内表面传热系数较光管要增加2~3倍【1】。因此，现在光管已基本上被内螺纹管代替了。

2、翅片

除非客户特别要求，否则翅片的材料一般为铝。它有平片、波纹片和冲缝片三种形式，并且这三种形式的表面传热系数也相差较大。对使用波纹片和冲缝片的管簇，其空气侧表面传热系数目前尚无简单准确的计算式。实践表明，采用波纹片和冲缝片时，空气侧表面传热系数较一般平翅片分别大20%和60%以上【2】。由于空气通过叉排管簇时的扰动程度大于顺排，空气通过叉排管簇时的表面传热系数较顺排管簇高10%以上，因而，空冷式冷凝器的管簇排列以叉排为好。为了使弯头的规格统一，一般管簇都按等边三角形排列。为了使翅片有较高的翅片效率，保证弯头的加工工艺要求，管中心矩应是传热管外径的2.5倍。按等边三角形叉排布置的翅片管簇，对每根而言，其翅片相当于正六角形（如图3）

为了有效利用空冷式冷凝器的传热面积，并且保证焊接工艺要求，沿空气流动方向的管排数一般为1~4排【3】。

为了增加铜管与翅片的接触面积，进而增加整个冷凝器的换热面积，一般将翅片孔外沿翻边。翅片的翻边保证了翅片的间距，同时也保证了胀管工艺。图4为翅片翻边示意图。

为了提高换热器的传热效果，必须避免或减小翅片与管面之间的接触热阻，使翅片与管面间保证良好接触，因此一般会采用机械胀管方法，其胀紧量一般为0.08~0.15㎜【4】。

三、冷凝器的设计计算

1、设定有关参数【5】

取当地大气压强P=98.07kpa，冷凝温度,蒸发温度，进口空气干球温度，进出口空气温差，则出口空气干球温度，制冷量，选用R22作为冷媒。

翅片采用冲缝普通铝片，管簇排列形式为正三角形叉排，铝片厚度δ=0.105㎜，翻边高度㎜,传热管采用Φ7×0.25×0.1内螺纹紫铜管【6】，则孔中心距㎜。

假定迎面风速，有效单管长即两端板距㎜。

2、设计计算

（1）平均温度及对数平均温差

（2）冷凝热负荷查R22冷凝负荷系数图【7】，当、时，其冷凝负荷系数，因此冷凝热负荷

（3）肋化系数

每米管长翅片侧面面积

【8】

㎡/m

每米管长翅片间管面面积（即翻边面积）

=0.0212㎡/m

则每米管长总外表面积

= 0.2805 + 0.0212 = 0.3017㎡/m

每米管长总内表面积

㎡/m

所以肋化系数

（4）迎风面积

查干空气物理性质表，在大气压力P=98.07kpa、空气平均温度tm＝39o C条件下，其性质如下：

在进风温度ta1＝35o C 条件下，

则冷凝器所需空气的体积流量

所以迎风面积

（5）迎风面高度（即翅片长度）

（6）迎风面上管排数

（7）最窄截面风速

（8）冷凝器的总传热系数目前，对冷凝器的总传热系数的计算主要有三种方法：（1）

通过公式

来求；（2）直接取经验值（比如有的书上直接取 K=35W/(㎡.k)）；（3）通过经验公

式来求。

第一种方法计算精确，但过于复杂，不适合工程应用；第二种方法简单有效，但必须有在同一厂家较长的工作经验；第三种方法适用范围广并且比较简单，适合工程应用。下面将利用第三种方法来求K值。但由于该公式没有考虑冲缝翅片和内螺纹管对K值的影响，因此我针对此问题进行了粗略的研究比较，即利用计算K值的理论公式

，当τ=15并且忽略其分母的中间三项，分别让αo和αi 一步步增加，以此得出它们对K值的影响。其结果如图5和图6。

图5表明了在肋化系数τ=15时管外传热系数αo对K值的影响。数据显示，开始时，αo每增加10%，K值可增加7%以上，但随着αo的继续增加，K值的增加逐步呈下降趋势。但在αo的增加不超过100%情况下，αo每增加10%，K值平均增加6%左右。

图6表明了在肋化系数τ=15时管内传热系数αi对K值的影响。数据显示，开始时，αi每增加10%，K值可增加2%以上。和管外传热系数对K值的影响一样，随着αi的继续增加，K值的增加呈下降趋势。当αi的增加达到250%时，αi每增加10%，K值只增加0.5%左右。在αi的增加超过200%但不超过300%情况下，αi每增加10%，K值平均增加0.8%左右。