换热设备设计(【研发必学】家用空调换热器的设计要点)

Posted 2023-05-27

篇首语：古人学问无遗力，少壮工夫老始成。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了换热设备设计(【研发必学】家用空调换热器的设计要点)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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一、蒸发器的设计：

对于家用空调器的开发，只有少数新产品是需要重新开发新模具，设计新的外形结构，而大多数产品开发只是在原有外形尺寸下进行换热器重新设计，这样我们在设计时换热器的结构尺寸基本上没有调节的可能了，当然，如果在给定的结构尺寸下，我们所选定的蒸器不能满足规格的要求，最常用的方法在原有的基础上增加小块翅片，以增加换热面积，若仍不能满足规格要求，我们只有尝试使用具有较大换热面积的室内机。

下面谈谈对于蒸发器几何尺寸一定情况下回路设计的方法。首先我们要确定蒸发器的流路数，然后再依据流路数来考虑每个流路制冷剂的流向。

1．流路数确定。

制冷剂在蒸发器的变化是从饱和的液体（实际上也含有少量节流后闪发的气体）开始吸热后一部分液体气化后变成气体，随着制冷剂的流动，铜管内气体量不断增多，制冷剂的流速随着体积的增大而增大，此时的流动阻力也增大，当所有制冷剂全部变成气体后，若仍继续换热，制冷剂的所进行的就是显热交热，其换热系数很低，因此为了保证蒸发器的利用率较高，我们在系统调试时应尽量使制冷剂在蒸发器内刚刚完全蒸发，当然这个问题与流路数的确定并不相关，在这里就不再讨论。

根据传热学的基本知识，我们知道较高的制冷剂流速可以获得换热系数，从而提高制冷系统的制冷量，但由流体力学的知识我们可以知道，制冷剂的流动阻力随着其流速增大而增加，因此会导致蒸发器内制冷剂的压降增加，从而降低了压缩机的吸入压力，而压缩机的吸气压力对于压缩机的出力有着很明显的影响，因此我们在确定流路数时应折衷考虑这两个方面的影响，从而使得蒸发器的利用率最大。根据一般的经验，蒸发器内气体流速在6~8m/s比较合适，这样我们根据制冷剂气态和液态时比容的比值推算出液体流速：

对于R22和R407C液体流速为0.1~0.15m/s,这样我们可以大致估算出每个流路的换热量约为:

ф9.53mm铜管每个流路换热量为1600~2100W

ф7.94mm铜管每个流路换热量为1000~1400W

ф7.0mm铜管每个流路换热量为800~1000W

对于R410A其液体流速为0.15~0.2m/s,这样我们可以大致估算出每个流路的换热量约为:

ф9.53mm铜管每个流路换热量为2000~2500W

ф7.94mm铜管每个流路换热量为1300~1700W

ф7.0mm铜管每个流路换热量为900~1300W

依据以上的数据我们可以先确定换热器流路数，然后再进行流路设计。

2．流路设计。

当我们根据制冷量定下来流路数后，我们就得考虑如何分配这些铜管，以保证最充分的换热效果，在进行流路设计之前，我们要先确定一个大的方向，即蒸发器是采用顺流还是逆流设计，通常情况下，采用逆流会有利于提高传热温差，达到提高换热量的目的，但如果是热泵型空调，若蒸发器采用逆流设计时在制热时就变成顺流换热形式了，这样会导致制冷剂在后面的换热温差极少，严重影响换热器的利用率，综合考虑，对于热泵型空调我们在蒸发器中通常采用顺流设计。

另一个注意点就是在换热器流路设计时尽量保证液体在下，气体在上。在确定了制冷剂的走向后，我们接下来就是要考虑如何分配每个流路的管程数了，管程的分配一个主要的原则就是换热好的部分分配少一点的管，换热差的多分配一些铜管。对于家用空调机来说，因为受结构的限制，但为了追求较高的能效比或达到较高的能力。

我们对于换热器经常会采取多折叠的设计方式，但是通常我们换热器的弯曲形状却并不能很好的迎合风机流场的分布，也就是说在换热器的每个折叠块所经过的空气流速会相差较多，因此我们在一些风速较低的地方在铜管分配时就可以适当多分配一些，尽量保证每个流路的制冷剂都能够完全蒸发，当然我们还可能通过调节分配器上分液管的长度来调节每个流路制冷剂的流量，从而使得每路的制冷剂能够完全蒸发，但在流路设计时我们应尽量在假设每路流量是一样的情况下进行，这样当实际上每个流路出现一定程度的不平衡时我们才可能通过调节分液毛细管长度来解决，如果我们在设计流路未考虑蒸发器各个部分的差异，当实测时各流路平衡差别太大时，通过调节分液毛细管长度可能不能解决这个问题。

还有一个问题在回路设计时也应注意，就是我们尽量不要将制冷剂的出口集中在一起，这样会导致经过蒸发器各个部分处理后的空气温差相差较大，这样在风道里混合后就会产生凝结水，严重时出风口会有吹水的现象，这样的问题通常在凝露试验会产生。

二、冷凝器的设计：

冷凝器的设计在与蒸发器有着相同的注意点，特别是对于热泵型的空调，冷凝器既要考虑制冷时的换热效果，也要兼顾制热运行时的能力，这方面基本与蒸发器的设计相同，对于室外换热器作为冷凝器来说，换热器内大多数为液态制冷剂，而且在高压状态制冷剂气液两相的比容相差不像低压时那么大，所以制冷剂在冷凝器的液态流速可以比蒸发器高，一般设计时取0.4~0.5m/s，每路的换热量为：

ф9.53mm铜管每个流路换热量为2200~3200W

ф7.94mm铜管每个流路换热量为1500~2200W

ф7.0mm铜管每个流路换热量为1100~1600W

当然冷凝器作为室外工作的换热器，它与蒸发器的设计上还是存在一些不同点的。

1．在制冷系统中，若换热器作为蒸发器工作，其内制冷剂的温度变化不大，因此采用顺流或是逆流对于换热的影响并不是很大，但对于冷凝器来说，其内制冷剂的温度变化很大，若采用顺流设计时制冷剂在换热器未端时传热温差很小，影响换热器换热效量，更不利于形成较大的过冷度，因此冷凝器应采用逆流设计。其实对于蒸发器来说，当制热时它的工作状态也应是逆流，因此对于热泵机型换热器的设计，不管是蒸发器或是冷凝器我们都应使它在作为冷凝器工作时为逆流。

2．翅片间距的选择。冷凝器在室外工作，考虑到空气质量以及化霜时凝结水的排除，翅片间距不应选得太小，以免脏堵或化霜排水不畅。对于开窗翅片，若冷凝器选用单排时间距不应小于1.2mm，两排时不应小于1.6mm，三排是不小于1.8mm（不推荐使用三排冷凝器）。

3．针对除霜时的特殊回路设计。考虑到除霜时盘管最底下受到盘管上面化霜时流下的水的影响，这部分的霜会较难融化，因此我们在进行回路设计时应考虑让温度最高的制冷剂流过这部分铜管，以确保除霜效果，这样我们在进行回路设计时应确保一路的进口在盘管的最下面。

4．对于仅为单冷机型的冷凝器设计因不用考虑制热方面的因素，可以适当减少流路数以增加制冷剂流速，提高换热效果，因为对于冷凝器来说适当的压力损失对于压缩机能力的影响并不是很大，而且冷凝器内的压力降相对于排气压力所占的比例很少，对系统能力影响不如蒸发器压降明显，当然，过大的冷凝压降会额外增加压缩机的功耗，影响能效比。

三、特殊流路的设计

对于制冷系统来说，换热器中通常是气液两相共存的状态，由于气体的比容比液体要大很多，因此当制冷剂在气态时其流速比液态时大很多，相应的其流动阻力也会大很多，因此为了减少气态时的阻力又不降低液态时流速，我们可以采用二叉树型的流路形式来兼顾二者，示意图如下：

采用这样的流路设计可以更好的提高换热器的换热效果，但每个部分所占比例可能不一定相同，需要针对具体情况加以分析，在实际应用中我们并不常采用这种流路，因为这种回路设计比较难调试平衡，特别是室内机换热器，当其每个部分换热效果相差较多时，要在回路设计时保证各流路的平衡比较难，可能需要多次试验才能得到较为理想的回路设计。

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