换热管在热泵热水器外盘水箱中的成本分析

一引言

家用热泵热水器中的冷凝器水箱结构形式分为内盘管和外盘管两种型式。内盘管就是将盘管换热器置于承压水箱内胆内，其优点是工艺简单、换热效率高，但易结垢、腐蚀，安全性不高。外盘管则是将换热盘管缠绕在承压保温水箱内胆外壁上，其优点是解决了内盘管产品换热盘管泡在水里容易结垢、腐蚀、污染等问题，并日益成为行业发展的主流。但因为需要隔胆传热，外盘管传热效率较低，成本较高，生产工艺也相对复杂[1]。

针对外盘铜管效率低，成本高等的问题，本文选取了一款在性能相当，但采用不同换热管结构的外盘水箱，进行了成本对比分析研究，指出铜管管径减小可能是解决上述问题的方法之一。

二计算模型[2]

家用热泵热水器的外盘水箱结构示意如图1所示。制冷剂在换热管内流动，通过换热管壁、水箱内胆壁，与水箱中的水进行换热。

图1水箱外盘管示意图

水箱整个换热过程的传热热阻主要有五部分组成，依次为：换热管内的相变传热热阻、换热管管壁的导热热阻、换热管和水箱的接触热阻、水箱内胆壁的导热热阻、水箱内水的自然对流热阻。

1)换热管内传热计算公式：

式中：

为管内制冷剂冷凝换热系数，单位W/m2K;

为外盘管管内换热面积，单位m2;

,为管内径，单位m，为管长，单位m;

为制冷剂温度，计算时取制冷剂冷凝温度，单位℃;

为外盘管管内壁温度，单位℃。

2)管壁导热计算公式：

式中：

为外盘管管壁导热系数，单位W/mK;

为管外径，单位m;

为外盘管管外壁温度，单位℃。

3)外盘管与内胆之间换热计算公式：

式中：

R为外盘管与水箱内胆之间的导热热阻，单位K/W;

4)内胆壁导热计算公式：

式中：

为外盘管内胆壁导热系数，单位W/mK;

为水箱内胆内径，单位m，为水箱内胆外径，单位m;

为水箱内胆内壁温度，单位℃;

为水箱内胆外壁温度，单位℃。

5)水箱内水的自然对流计算公式：

式中：

为水侧自然对流换热系数，单位W/m2K;

为外盘管管外壁面积，单位m2;

为水箱内水温，单位℃;

通过以上方程式的组合求解，可以方便地进行外盘水箱的设计及校核计算。

三计算模型与实验数据的对比

本次测试是在上海金龙制冷技术有限公司热泵综合性能试验室进行的。如图1所示，热泵热水器置于环境间，环境间外有空气处理机组，以使环境间温度稳定在国标要求的设定值。水箱盘管的进出口压差由设置在进出口的压力传感器测得，热泵系统消耗功率由功率变送器测量，热泵的制热量按国标GB/T23137-2008计算得到[3]。由于水箱中存在水温分层现象，因此在水箱中至上而下均匀布置了4个温度测点。铂电阻温度传感器精度为±0.1℃，制冷剂压力及压差变送器测量精度为±0.5%，功率变送器测量精度为±0.5%，整个实验室重复性误差<2%。

图2 热泵热水器实验室布置示意图

按照国标要求，一种容量为200升，采用7.94mm内螺纹铜管的外盘水箱在本实验室进行了测试，测试结果如表1所示，水箱实测制热量和计算制热量的最大偏差为0.5%。

表17.94mm内螺纹铜管外盘水箱测试结果

为了验证本模型对采用微通道扁管水箱时计算的准确性，针对一种同样容量为200L,25mm微通道扁管外盘水箱进行了实验测试，测试结果如表1所示，水箱实验制热量和计算制热量的最大偏差为2.1%。

表225mm微通道扁管外盘水箱实验测试结果

综上测试结果表明，无论对圆管还是微通道扁管，本模型计算的外盘水箱的制热量与实验测试值之间的偏差最大为2.1%，具有较高的精度。可以利用该模型来进行外盘水箱的设计和校核计算。

四采用不同换热管外盘管水箱的设计及成本对比分析

基于上述数学模型，在性能相当的情况下，采用外径为9.52mm铜光管，9.52mm内螺纹铜管，9.52mm304L不锈钢管以及5mm内螺纹铜管,4mm内螺纹铜管,16mm微通道铝扁管分别进行外盘管水箱的设计和成本对比分析，计算结果见表3所示.

表3外盘管换热器中不同材质管材的设计结果和成本核算

表3列出了6种不同材质或管径的管材在外盘管换热器中换热性能和材料成本。从表中可知，不锈钢外盘管成本相比9.52铜管材料价格上有优势，但如采用4/5mm铜内螺纹管，9.52mm系列的铜管及不锈 钢管均没有优势。六种管材的比较中，铝管扁管水箱材料成本最低。

表4各种材质管材制作成外盘管换热器总价

表4列出了各种管材考虑加工费及换热器加工成本后盘管的价格对比。结果表明：4/5mm内螺纹铜管水箱在各种管材外盘中优势明显，微通道扁管水箱虽然材料成本低，考虑到其加工成本非常高，整体成本并不具有优势。

五结论

本文建立了热泵热水器外盘水箱的数学模型，并与实验测试结果进行了对比，证明该模型是切实有效的。运用该模型在保持换热性能相同的情况下，设计了采用不同换热管(9.52mm铜管，9.52mm不锈钢管，9.52mm304L不锈钢管，5mm铜管，4mm铜管，微通道扁管)的水箱，并进行了成本对比分析研究，结果表明：

(1)针对目前市场上采用的9.52mm管材外盘水箱来说，不锈钢管材具有优势;

(2)小管径铜管(管径为4/5mm),微通道扁管水箱相对于其它换热管水箱材料成本优势明显;

(3)考虑加工费及换热器加工成本后，小管径铜管水箱在各种管材外盘中优势明显，微通道扁管水箱虽然材料成本低，但其加工成本高，整体成本不具有优势。

(4)采用小管径铜，是降低外盘水箱成本，提高其效率的途径和有效解决方法之一。

六参考文献

[1]李凡，赵恒谊，唐壁奎.空气源热泵热水器[M].重庆:重庆大学出版社,2010

[2]杨世铭，陶文铨.传热学(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998

[3]《商业或工业用及类似用途的热泵热水器》，GB/T21362-2008。