采用小管径铜管空冷换热器的性能成本分析研究

采用小管径铜管空冷换热器的性能成本研究 2010年第2期 制冷技术19 吴 扬*,李长生,邓 斌 (上海金龙制冷技术有限公司上海200135) =摘 要> 铝管替代铜管和采用更小管径的铜管是当前降低空调器成本的两大热门方向。本文从小管径铜管替代的角度对59.52mm内螺纹铜管和55mm内螺纹铜管这两种管型以及采用这两种管型的换热器进行了性能比较和成本分析。研究结果表明:在相同实验条件及同样的体积流量下,55mm内螺纹铜管管内换热系数比59.52mm内螺纹铜管管内换热系数提高15%左右。在相同的测试工况和同样的迎风面尺寸条件下,55mm铜管换热器在取得与59.52mm铜管换热器接近换热量的同时,可以节约铜管材料41.8%,铝箔材料50%。 =关键词> 小管径内螺纹铜管 翅片管换热器 传热性能 成本分析 Researchonsubstituteofsmallerdiametercoppertube infin-and-tubeheatexchanger WuYang*,LiChangsheng,DengBin (ShanghaiGoldenDragonRefrigerationTechnologyCo.,Ltd.,Shangha,i20013 5,China) =Abstract> ——————————————————————————————————————————————— SubstitutingAluminumtubeforcoppertubeandapplyingevensmaller-diametercoppertubearethetopopularmethodstoreducethecostofair-conditionercurrentlyw.Inthispapertheheattransferperformanceandcostofthetwofin-and-tubeheatexchangersusingthe59.52mmdiameterinner-groovedcoppertubeand55mmdiameterinner-groovedcoppertubearecompared.Theresearchresultsshowthatunderthesametestcondition,theheattransfercoefficientof55mminner-grooveddiametercoppertubeis15%higherthanthatof59.52mmdiameterinner-groovedcoppertube.Underthesametestconditionanddimension,theheatexchangersusingthetwocoppertubescangetthesimilarheattransferperformancebyadjustingthetubenumberandtube'sspacing.Meanwhile,comparingto59.52mmcoppertubeheatexchanger,55mmcoppertubeheatexchangercansave41.8%oftheweightofcoppertubeand50%oftheweightofaluminumfin. =keywords> smaller-diameterinner-groovedcoppertube; performance;costanalysis 0 前言 铜是空调器的重要原材料之一,虽然中国铜储量 占世界第七,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。国内企业每年所需要的铜原 料,4/5都来自进口。铜价的居高不下,给各空调企 业成本竞争带来巨大压力。铝管代替铜管和采用更 小管径铜管是当下空调企业降低成本的两大热门方 ——————————————————————————————————————————————— 向。由于采用更小管径铜管不需要在设备和方 *finandtubeheatexchanger;heattransfer面进行较大改进,因而成为目前空调企业降低成本的首选。本文首先从单管的角度来说明55mm内螺纹铜管相对于59.52mm内螺纹铜管在换热性能和米克重上的优势,然后建立换热器模型,针对两种管径的换热器进行性能和成本比较,以此说明55mm铜管换热器在替代59.52mm铜管换热器的过程中需要采取的改进以及由此带来的成本优势。吴扬(1981-),男,工学硕士,上海金龙制冷技术有限公司研发项目经理。联系地址:上海浦东新区民生路1518号金鹰大厦B座1203室,:::l@live. 20 1 两种内螺纹铜管的性能成本比较 制冷技术 2010年第2期 内螺纹管作为一种高效换热元件,由于它具有普通光管(2~3)倍的换热能力而受到广泛关注。内螺纹管的高效性带动并促进了空调系统节能高效和小型化的发展。 典型的内螺纹管齿形参数如图1所示,其中d为外径,D为管壁厚,h为齿高,B为螺旋角,C为齿顶角,N为齿数。表1中显示的是59.52mm和55mm内螺纹铜管常用的齿型参数和米克重。可以看出,55mm内螺纹管与59.52mm内螺纹管相比米克重 大幅度降低。 图2 59.52和55铜管在不同干度下的局部换热系数 图3表示两种内螺纹铜管管内平均换热系数随 ——————————————————————————————————————————————— 制冷剂体积流量的变化情况。从图中可以看出:随着制冷剂体积流量的增加,制冷剂在整个两相区的平均换热系数也呈上升趋势。在整个流量变化范围内,和59.52mm内螺纹铜管相比,55mm内螺纹铜管管内平均换热系数也相应提高了(10~15)% 。 图1 内螺纹管结构示意图表1 两种内螺纹铜管参数 外径 /mm9.525 底壁厚/mm0.280.2 齿高 /mm0.150.14 齿顶角 /b3040 螺旋角/b1818 齿数6540 米克重/g/m8333 图3 59.52和55铜管在不同体积流量下的平均换热系数 2 换热器模型的建立和校核 本节以有限容积法为基础,对翅片管换热器芯体模型进行了节点的划分,建立了一维稳态分布参数模[1] 型。控制方程如下: 质量守恒方程(Qu)=0dz ——————————————————————————————————————————————— 动量守恒方程d2dpSws(Qu)=-dzdzAr能量守恒方程 dPD(Quh)=-()qwdzAr (2)(1) 采用金龙铜管集团的单管相变换热测试实验台,我们测试整理出59.52mm和55mm铜管在不同干 度情况下管内局部换热系数的变化和不同体积流量下管内平均换热系数的变化,测试工质均为R22,冷凝温度均为45e,所采用的内螺纹管齿型参数与表1相同。 图2表示两种内螺纹铜管管内局部换热系数随制冷剂干度的变化情况。从图中可以看出:随着制冷剂干度的提高,制冷剂在管内的局部换热系数呈现上升趋势。在整个干度变化范围内,和59.52mm内螺纹铜管相比,55mm内螺纹铜管管内局部换热系数提高了(10~15)% 。 (3) 2010年第2期 制冷技术 上式中Ar、Ss和qw分别为管子通道截面积、w、切应力、管子内表面换热面积和热流量。 [2] 管内计算关联式来自文献,空气侧关联式来自文献 [3] 21 。 需要说明的是:本模型中换热量的计算采用了效能-单元数法,由——————————————————————————————————————————————— 于制冷剂从入口到出口要流经过热区,两相区,过冷区,因此必须分为单相区和两相区两种情况来计算。空气侧自始至处于干工况,以单相模型来计算。 本模型的光管换热器计算以马里兰大学开发的CoilDesigner软件进行了校核,内螺纹管换热器模型也与金龙集团换热器实验室的测试结果进行了对比,换热误差均在5%以内,证明目前的模型是切实有效的。 3 换热器的性能和成本比较 下面以两款59.52mm和55mm内螺纹铜管换热器为例来说明在换热性能接近的情况下,小管径换热器所具有的成本优势。 计算中59.52mm内螺纹铜管和55mm内螺纹铜管两种换热器采用相同的入口参数来计算,见表2,59.52mm内螺纹铜管换热器结构参数见表3,55mm内螺纹铜管换热器结构参数见表4,各自流程布置如图4所示。 表2 换热器计算工况参数 参 数 空气进口干球温度空气进口湿球温度空气进口风速大气压力制冷剂种类 制冷剂进口流量制冷剂进口温度制冷剂进口压力 /e/e/m/s/kPa-/kg/s/e/kPa 数值35241.5101.3R220.022752530 图4 59.52mm和55mm内螺纹铜管换热器流程图 ——————————————————————————————————————————————— 计算结果表明,经过调整管子数目以及管子间距,包括横向间距和纵向间距,55mm内螺纹铜管换热器可以达到和59.52mm内螺纹铜管换热器几乎同样的换热性能:59.52mm内螺纹铜管换热器换热量为3670W,过冷度10e;55mm内螺纹铜管换热器换热量为3637W,过冷度7e。 从成本分析的角度来看,59.52mm铜管换热器用了12根铜管和6根U管,总计质量为537.7g。55mm铜管换热器用了18根铜管和9根U管,总计质量为312.9g,铜材用量减少了41.8%。55mm铜管换热器换热管的横向间距为59.52mm铜管换热器换热管横向间距的一半,而两款换热器的长和高都相同,所以55mm铜管换热器的铝箔的用量减少了一半。4 结论 本文首先对59.52mm和55mm两种内螺纹铜管单管性能及成本进行了研究,然后建立了管翅式换热器的稳态分布参数模型,研究了采用以上两种管径内螺纹铜管的管翅式换热器性能及成本,得出的结论如下: (1)同样的测试条件下,55mm内螺纹铜管管内换热系数比59.52mm内螺纹铜管高15%左右,而材料成本大大降低; (2)同样的尺寸,同样的工况下,55mm内螺纹铜管换热器可以达到59.52mm内螺纹铜管换热器 (下转) 表3 59.52mm换热器结构参数 参数换热器长度L换热器高度H ——————————————————————————————————————————————— 换热管横向间距S1换热管纵向间距S2翅片类型翅片厚度Df翅片间距Ft /mm/mm/mm/mm-/mm/mm 数值5003062225.4百叶窗0.1051.2 表4 55mm换热器结构参数 参数 换热器长度L换热器高度H 换热管横向间距S1换热管纵向间距S2翅片类型翅片厚度Df/mm/mm/mm/mm-/mm数值5003061117百叶窗0.105 2010年第2期 制冷技术 表2 采用两种铜管的换热器应用于R22系统中能力测试数 据 检测项目 制冷量/W 制冷消耗功率/W能效比/W/W循环风量/m3/h灌注量/g 普通57管蒸发器 24958283.01490.9650 采用新型翅片的55管蒸发器 25298313.04518.7590 25 4 结论 (1)采用新型5mm内螺纹管的蒸发器,与传统的7mm内螺纹铜管——————————————————————————————————————————————— 蒸发器相比,在降低耗材提高性能方面具有明显的优势,使产品的市场竞争能力得到大幅度提升。 (2)实验证明,5mm铜管应用于使用R22制冷剂的系统,采用合理的可以降低较高的管内压降,其胀管及焊接等加工问也可以通过工艺的调整解决。 (3)实验证明,5mm铜管应用于使用R410A制冷剂的系统,有更明显的优势。 (4)由于小管径铜管的应用可以显著减少系统灌注量,对于系统经济性及环保性能均十分有利。参考文献 [1]魏文建,胡海涛,丁国良,王凯建.含油制冷剂在小管径换热管内 流动沸腾换热关联式[J].上海交通大学学报,2007,41(3):404-410 [2]魏文建,胡海涛,丁国良,王凯建.含油制冷剂在小管径换热管内 流动沸腾换热特性实验研究[J].上海交通大学学 报,2006,40(2):286-290 [3]姜明健,孙晗.制冷剂在微尺度槽道内的流动与传热研究[J].北 京工业大学学报,1998,24(1):55-59 [4]杜学峰,张晓春,王彦坤,李金伟.ACR铜管在空调换热器中的应 用与[J].平原大学学报,2003,20(4):20-23 [5]王伟成.ACR微细内肋管传热阻力性能分析[J].制冷与空调, 1999,23(2):21-24 3.2 在R410A系统中的应用 根据5蒙特利尔保护臭氧层议定书6和5京都议定书6,R22的淘——————————————————————————————————————————————— 汰已成定局,R410A越来越多的应 用于空调系统。对使用R410A制冷剂的系统应用5mm铜管也进行了一些实验研究,结果见表3。由于R410A工作压力高,流动性能好,系统性能受压降损失的影响不敏感,因此循环时制冷剂流速可以更大。采用小管径铜管,多流路设计,对于R410A系统有更明显的优势。 表3 采用两种铜管的换热器应用于R410A系统中的能力 测试数据 检测项目 制冷量/W制冷消耗功率/W能效比/W/W循环风量/m/h灌注量/g 3 普通57管蒸发器 24878432.954871100 采用新型翅片的55管蒸发器 25368453.0510890 (上接) 几乎相同的的换热性能,而铜材用量可以减少4118%,铝箔成本减小50%左右。 (3)在保证迎风截面尺寸不变的情况下,通过调整制冷剂流路和管间距,翅片间距等结构参数,小管径换热器可以获得和大管径铜管换热器同样的性能。 参考文献 [1]杨世铭、陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高教出版——————————————————————————————————————————————— 社,2006.[2]M.K.Dobson, J.C.Chato,CondensationinSmoothHorizontal Tubes,TransactionsoftheASME[J].JournalofHeatTransfer,1998,120:193-21 3. [3]王启川.热交换器设计[M].台北:五南出版社,2005 第四届上海制冷节定于2010年12月18日举行 ———————————————————————————————————————————————