商用空調(diào)室外機(jī)冷凝器的布局和設(shè)計(jì)分析

楊德貞

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

換熱器是空調(diào)實(shí)現(xiàn)制冷制熱功能的重要零部件，冷媒在其中通過(guò)吸收或放出熱量，實(shí)現(xiàn)與周圍介質(zhì)，例如空氣、水等，進(jìn)行熱交換的功能。在室內(nèi)機(jī)中，通常被稱作蒸發(fā)器，在室外機(jī)中，通常被稱作冷凝器。室外機(jī)的類型多種多樣，按使用場(chǎng)所可分為家用、商用、特種等；按出風(fēng)方式又可分為頂出風(fēng)、側(cè)出風(fēng)等。針對(duì)不同的室外機(jī)類型，冷凝器的布局和設(shè)計(jì)也不同。本文重點(diǎn)分析商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)中冷凝器的布局和設(shè)計(jì)。

1 冷凝器的分類

冷凝器根據(jù)周圍換熱介質(zhì)的不同可分為風(fēng)冷式冷凝器和水冷式冷凝器。風(fēng)冷式冷凝器通過(guò)環(huán)境空氣流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱?？諝庠诶淠髦車牧鲃?dòng)方式不同，有自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種形式。水冷式冷凝器是通過(guò)水來(lái)進(jìn)行換熱，按結(jié)構(gòu)形式不同可分為套管式和殼管式兩種。

常見(jiàn)的冷凝器類型如下:

1.1 翅片管式冷凝器（見(jiàn)圖1）

圖1 翅片管式冷凝器結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：因翅片輕薄且密集布置，可實(shí)現(xiàn)同等體積下?lián)Q熱面積更大、換熱效率更高、重量更輕的效果。

缺點(diǎn)：同樣因翅片輕薄且密集布置，導(dǎo)致易積灰堵塞、倒片損傷，不易清潔，生產(chǎn)成本較高，工藝較復(fù)雜。翅片間距小，易堵塞，清洗困難，制造工藝復(fù)雜，成本高。

1.2 殼管水冷式冷凝器（見(jiàn)圖2）

圖2 殼管水冷式冷凝器結(jié)構(gòu)[1]

優(yōu)點(diǎn)：與輕薄的翅片結(jié)構(gòu)相比，更穩(wěn)定堅(jiān)固，內(nèi)部易清潔，可適用于更大范圍的壓力和溫度下。

缺點(diǎn)：體積較大，重量較重，傳熱效率不如翅片管式冷凝器。

1.3 套管水冷式冷凝器（見(jiàn)圖3）

圖3 套管水冷式冷凝器結(jié)構(gòu)[1]

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用標(biāo)準(zhǔn)管件進(jìn)行生產(chǎn)，可在壓力和溫度較高的情況下?lián)Q熱，傳熱面積可靈活調(diào)整。

缺點(diǎn)：同等換熱面積的金屬消耗量較大，成本較高，檢修困難。

2 翅片管式冷凝器的介紹

商用空調(diào)室外機(jī)常用的為翅片管式冷凝器。 翅片管為它的基本傳熱單元，翅片管包括基管和翅片。

翅片管式冷凝器傳熱計(jì)算的基本方程式[2]與其他管式換熱器一樣，是：

式中：

Q —傳熱量，W；

Ki—以基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

K0—以翅片側(cè)外表面?zhèn)鳠崦娣e為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

Fi—基管內(nèi)表面?zhèn)鳠崦娣e，m2；

F0—翅片側(cè)外表面?zhèn)鳠崦娣e，m2；

△tm—對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

化簡(jiǎn)上式可得

3 商用空調(diào)室外機(jī)中翅片管式冷凝器的組成和結(jié)構(gòu)

3.1 組成

商用空調(diào)室外機(jī)中的翅片管式冷凝器由翅片、長(zhǎng)U管、邊板、彎頭組成。

3.2 形狀

冷凝器可根據(jù)需要彎折成各種形狀，考慮到工藝可實(shí)現(xiàn)性及加工成本，常見(jiàn)的形狀有I形、L形、C形、G形等。

3.3 排數(shù)

冷凝器排數(shù)可根據(jù)需要設(shè)定，單排和多排均可，多排之間可通過(guò)邊板、夾塊或連接片連接。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)組能力需求越大，排數(shù)越多。但排數(shù)并不是越多越好，隨著空氣逐排穿過(guò)冷凝器，換熱溫差逐排縮小，換熱能力也逐排下降。且風(fēng)速受風(fēng)阻影響也逐排減小，所以換熱效率也越來(lái)越差，因此對(duì)于風(fēng)速較小的機(jī)組，更不能選擇排數(shù)較多的冷凝器。

3.4 翅片

翅片是增加在換熱管周圍的金屬片，有內(nèi)置和外置之分，用于增大換熱管的表面積（外表面積或內(nèi)表面積），從而達(dá)到提高換熱效率的目的。

商用空調(diào)室外機(jī)冷凝器翅片材料為鋁箔，有親水鋁箔和非親水鋁箔之分，非親水鋁箔僅由鋁層和鋁組成，成本較低，但熱交換性能較差。親水鋁箔是對(duì)非親水鋁箔進(jìn)行親水處理，具體是在鋁箔表面覆一層導(dǎo)水膜，使冷凝水充分延展，避免其凝結(jié)成水珠，加快水的汽化，從而提高換熱性能。另外，還可以避免冷凝水積聚引起的風(fēng)阻增大，及空氣受其阻礙產(chǎn)生的噪音，減弱冷凝水對(duì)鋁箔的腐蝕，還可減少霉菌和灰塵的凝結(jié)，減輕空調(diào)出風(fēng)的異味。有研究表明，如果換熱器選用親水鋁箔，能使制冷效率提高5 %。

商用空調(diào)室外機(jī)冷凝器常見(jiàn)的翅片類型有平直翅片、波紋翅片、百葉窗翅片。

平直翅片的特點(diǎn)：因表面無(wú)突起，同樣間距下平直翅片的風(fēng)阻最小，但換熱性能不如另外兩種翅片。剛性比百葉窗翅片強(qiáng)，但比波紋翅片差。平直翅片的結(jié)霜周期較長(zhǎng)，化霜效果較好。

波紋翅片的特點(diǎn)：波紋翅片的風(fēng)阻和換熱性能均介于平直翅片和百葉窗翅片之間，剛性最優(yōu)。

百葉窗翅片的特點(diǎn)：百葉窗翅片的換熱性能最好但風(fēng)阻比另外兩種翅片大，所以該翅片不適用于排數(shù)較多的冷凝器。因表面有開(kāi)窗，導(dǎo)致翅片剛性減弱，加工和安裝過(guò)程中容易出現(xiàn)倒片損傷的現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)要點(diǎn):為了保證換熱能力，減小空氣穿過(guò)冷凝器的風(fēng)阻，對(duì)于單排換熱器可設(shè)計(jì)較小的片距，多排換熱器設(shè)計(jì)較大的片距。冷凝水和冰霜會(huì)堵塞翅片縫隙，增加風(fēng)阻，對(duì)于使用環(huán)境中冷凝水和冰霜較多的冷凝器，需選用排水效果較好且不易堵塞的波紋翅片和平直翅片，且應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾悠唷０偃~窗翅片結(jié)霜周期較短，易積灰堵塞，應(yīng)選用較大的片距。

3.5 長(zhǎng)U管

冷凝器翅片中的穿管為長(zhǎng)U管，即折彎角為180°長(zhǎng)條銅管，該銅管的管材有內(nèi)螺紋銅管和光銅管。

內(nèi)螺紋銅管又稱非平滑管，是指外表面光滑，內(nèi)表面具有一定數(shù)量，一定規(guī)則螺紋的銅管。作用是對(duì)管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)進(jìn)行干擾，從而破壞制冷劑與銅管內(nèi)壁面的粘附層，以加強(qiáng)制冷劑與銅管的熱交換。且由于內(nèi)螺紋銅管內(nèi)表面積的增加，所以它的導(dǎo)熱性能要比光銅管提高 20～30 %[3]。

光銅管是管內(nèi)壁光滑的銅管。光銅管中制冷劑的熱交換能力不如內(nèi)螺紋銅管。

3.6 邊板

邊板為冷凝器兩端用于固定銅管和翅片的金屬板，常見(jiàn)的材料有熱鍍鋅板，鍍鋁鋅板及不銹鋼板。后兩種材料防腐性能更好，適用于對(duì)防腐要求高的環(huán)境。厚度根據(jù)需要選擇，一般來(lái)說(shuō)，越大型的機(jī)組，冷凝器尺寸越大，應(yīng)相應(yīng)選擇較厚的板材。

3.7 彎頭

彎頭是一種連接用管件，用于管道拐彎處的連接，在商用空調(diào)室外機(jī)冷凝器中通常選用180 °的彎頭，焊接于穿管完成后的長(zhǎng)U管管口處，用于連接和密閉長(zhǎng)U管。規(guī)格根據(jù)長(zhǎng)U管內(nèi)徑進(jìn)行匹配選擇。

4 商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和冷凝器布局

商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)的結(jié)構(gòu)通常為：風(fēng)機(jī)部件位于機(jī)組頂部，風(fēng)葉為軸流風(fēng)葉；電器盒位于風(fēng)機(jī)部件和底盤之間，靠近機(jī)組前側(cè)，面板打開(kāi)即可看到電器盒，以方便機(jī)組調(diào)試和電路檢修；壓縮機(jī)、汽液分離器、油分離器等罐體位于機(jī)組下側(cè)，固定于底盤上；冷凝器位于風(fēng)機(jī)部件和底盤之間，環(huán)繞罐體，放置于底盤上，四周盡可能的貼近底盤邊緣，以盡量增加換熱面積。這樣一種布局使風(fēng)場(chǎng)走向?yàn)閺臋C(jī)組側(cè)面進(jìn)風(fēng)，通過(guò)冷凝器后從機(jī)組頂部出風(fēng)。從圖4、圖5可以看出，冷凝器并非完全環(huán)繞一周，前側(cè)空出，理論上冷凝器的面積越大，換熱效果越好，之所以前側(cè)留空，是為了方便機(jī)組內(nèi)零部件的檢修、更換。

5 商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)冷凝器的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案

結(jié)合機(jī)組性能、成本和工藝，商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)冷凝器的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案如下：

1）翅片選用波紋翅片，既保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又保證換熱性能，鋁箔選用親水鋁箔。

2）長(zhǎng)U管選用內(nèi)螺紋銅管，以實(shí)現(xiàn)更好的換熱性能。

3）排數(shù)根據(jù)機(jī)組性能需求選用2排和3排。

4）結(jié)構(gòu)型式在單風(fēng)機(jī)機(jī)組中為C形（如圖4所示），在雙風(fēng)機(jī)機(jī)組中為G形（如圖5所示）。單風(fēng)機(jī)是指風(fēng)葉為一個(gè)的機(jī)組，雙風(fēng)機(jī)是指風(fēng)葉為2個(gè)的機(jī)組，通常雙風(fēng)機(jī)機(jī)組的寬度較寬，G型兩器雖部分遮擋機(jī)組的正前方，但留下的空間足夠正常操作和檢修。且雙風(fēng)機(jī)機(jī)組的能力需求更大，性能要求更高，G形兩器可以實(shí)現(xiàn)更大的換熱面積，提高機(jī)組的換熱能力。

圖4 單風(fēng)機(jī)冷凝器布局

圖5 雙風(fēng)機(jī)冷凝器布局

5）因商用空調(diào)機(jī)組與家用相比，體積更大，冷凝器的尺寸也相對(duì)較大，所以邊板厚度通常選用較厚的板厚，材料可根據(jù)使用環(huán)境自由選擇。

6）彎頭規(guī)格根據(jù)長(zhǎng)U管內(nèi)徑進(jìn)行匹配選擇。

6 結(jié)論

本文根據(jù)商用頂出風(fēng)空調(diào)室外機(jī)的組成和零部件布局，及其常用的翅片管式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析說(shuō)明了進(jìn)行機(jī)組開(kāi)發(fā)時(shí)，關(guān)于冷凝器部件的設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合成本及性能考量，給出了優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案，工程師可將此作為設(shè)計(jì)時(shí)的參考。