技术探讨：制冷空调应用小管径的优势和设计要点?

本文系统阐述了应用小管径在制冷空调中的优势、意义以及设计考量,内容涵盖小管径的热工特点、翅片结构优化、换热器热力性能提升等多个方面。文中同时列举实际工程案例,以充实论点观点。全文旨在提供制冷工程技术人员应用小管径时的参考借鉴。

     

     

（示意图，不对应文中任何具体产品）      

     

           

一、应用小管径的意义

   

         

小管径技术应用的主要目的是降低制冷剂充填量,减少可能的环保危害。与大管径相比,小管径具有管径小、翅片密度大的特点,可以显著降低制冷剂用量。例如,海信某空调项目在蒸发器换用小管径后,制冷剂用量降低了30%。这大大减轻了制冷剂泄漏时的环境影响。

     

           

二、小管径技术的优势

   

         

从技术上看,小管径具有增强换热强度,减少充填量,扩大过冷却范围等优点。市场上,小管径产品因其节能环保、体积紧凑的特点而备受欢迎。

1. 小管径技术可以大大增加单位体积内的翅片密度和热交换面积,从而显著增强热交换的强度。

与直径7mm-9mm的大管径相比,直径3mm-5mm的小管径可以使翅片数量增加一倍以上。翅片密度的提升直接带来单位体积内换热量的大幅提高。宁德时代2019年推出的小管径空调产品,通过采用直径仅7mm的微细铜管,实现了单机蒸发器翅片密度的大幅提升,达到了每厘米翅高1.2片的极致设计,相比采用9mm铜管的产品,其翅片密度提高了大约1.5倍。这直接导致该产品单位体积内的换热量比同类产品提高超过50%。

2. 小管径技术可以大幅减少空调系统中管道和制冷剂的用量,降低可能的环境风险。

以直径5mm管路取代直径7mm管路,由于管道体积的二次方关系,管道内制冷剂含量可以减少20%以上。与采用大管径的产品相比,小管径技术因管径细化,可以使铜管体积减少30%以上,从而带来制冷剂用量的大幅减少。以美的2018年推出的小管径空调产品为例,其采用小管径技术后,相比其它同类产品,制冷剂充填量降低了20%-30%。这将大大减轻空调出现制冷剂泄漏时的环境影响。同时,小管径技术使管路体积缩小,有利于机组设计的轻量化和紧凑化。

3. 小管径技术还可以通过提高蒸发器过冷却度,降低压缩机的排气温度,从而提高系统的循环效率。

与大管径相比,小管径翅片因其高密度的特点,可以提供更长的制冷剂液化流程,扩大有效的过冷却段,使制冷剂液体在进入膨胀装置前实现更深度的预冷却。广东麦格维science技术团队2019年开发的小管径空调产品,通过采用直径5mm的小管径结构,使其蒸发器过冷却度提高了5°C,压缩机排气温度降低了3°C,从而使产品的节能效率COP提高。

     

           

三、小管径翅片的设计考量

   

         

小管径翅片的设计与大管径翅片相比,需要考量翅片排布密度的提升对流动阻力的影响,以及高密度翅片在机械强度方面的要求。

目前业内主流设计采用带有一定圆弧的翅型结构,这种设计既能保证翅片机械强度,也有利于减少涡流形成,优化空气流动。   例如海尔公司2020年开发的小管径空调产品,其数值计算团队通过多轮三维数值计算,对小管径翅片的三维形态进行了优化设计。通过优化翅片的前缘形状和 trailingedge形状,设计师使翅片前后流动过渡更加顺畅,明显减少了翅片表面积,较原设计降低了19%的总流动阻力,同时翅片的扭曲强度也得到提高,增加了12%。这保证了小管径翅片在高密度排布时仍能保持足够的通风性能和机械强度。

     

           

四、小管径换热器的热力设计

   

         

小管径换热器在热力设计方面,与大管径换热器相比,原有的换热器结构可能无法发挥其高密度换热的潜力,需要针对流动形式进行优化,以进一步提高热交换效率。业内主流的优化设计思路是通过改变流动形式来增强流动的扰动和旋流,一方面消除死水区,一方面引入扰流和旋流来促进传热增强。

   具体措施包括:   

• 在多列翅片内引入折流通道,迫使空气多次改变流向,产生旋流;
• 设计不规则孔洞,引入扰流;
• 采用仿生结构,模拟自然界中的传热增强机制等。
  例如格力电器2021年开发的小管径空调产品,其蒸发器通过仿生翅片的设计,在传统翅片基础上增加了类似蝙蝠翅膀的微结构,这种结构在空气流经时产生细微而强劲的旋流,测试结果表明,相比于直立式平行翅片,这种仿生结构使蒸发器热交换效率提高了15%。  

     

           

五、小管径机组性能的优化

   

         

从整机系统优化的视角来看,小管径技术与采用大管径存在一定差异,需要关注机组匹配问题,以充分发挥小管径在增强换热强度方面的优势。

关键一：与风机匹配,采用变频技术优化风机转速以匹配小管径翅片的高密度排布。

关键二：采用高效电机如涡旋压缩机,优化运行参数以匹配小管径蒸发器提供的大过冷却度。

例如海尔2022年最新推出的某款小管径空调产品,通过采用自主研发的碳纤维涡旋压缩机及变频技术,并根据小管径换热器特点优化了压缩机的经济化运行区间,测试结果表明,该产品的COP较采用定速压缩机的小管径空调提高了20%以上。

通过对关键部件和系统的针对性优化设计,小管径技术的高效节能效果可以得到更好的发挥。这需要制冷企业组成强大的跨职能团队,并接受新思路,以实现小管径技术与机组的最佳匹配。

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