平行流换热器在江水源热泵中的应用研究
摘要：基于已在汽车空调中广泛使用的平行流换热器，对其采用水冷方式以应用于长江上游地区热泵系 统。实验结果表明，水冷对平行流换热器的传热特性影响很大，制冷系统COP值为4.2，水温的 降低和水流速的增加都可以进一步缩小换热器体积和重量。本试验研究是长江上游地区地表水水 源热泵系列研究之一，可供平行流换热器在水冷式热泵空调上的进一步研究、设计和制造及应用作参考。
0 引言
铝质平行流换热器由集流管，数支平行排列的多孔扁管，波纹翅片和分隔板组成。制冷剂在多孔扁管中流动，空气垂直流过波纹翅片进行换热。由于平行排列的多孔扁管中的各个波纹翅片上往往还有各种形式的百叶窗隙缝，每段波纹百叶翅片均从中心向两侧相向开缝，利用场协同原理，即减小 速度场与温度场的夹角，可有效强化空气侧传热。平行流换热器具有较高的比表面积和换热效率，作为紧凑型换热器在汽车空调中得到广泛使用，同时，与其他换热器相比，其制冷系统所需的制冷剂 充注量大大减少，空气侧压降也降低不少。目前国内外对平行流换热器的微管内部的单相流动、两相流动、压降、传热系数进行了大量的研究 [1-4] ，同时，也有不少学者对平行流换热器空气侧的翅片结构进行分析和优化设计[ 4-8]。空冷平行流换热器的换热性能已得到充分提高，要想在现有的基础上再提高换热性能将花费巨大的技术投资，增加产品成本。汽车空调运行工况、环境都比集中空调恶劣得多，若是在长江上游地区地表水水源热泵的两器上使用水冷却平行流换热器，无疑将给以铝代铜、降低热泵成本都带来极大的效益。
1 试验材料和方法
1.1冷凝器样件参数
冷凝器为重庆南方英特空调公司生产的平行流换热器，见图1。图2为平行流蒸发器,其具体结构参数参见表1。
1.2测试仪器
所用设备包括大连三洋生产的型号为 SB453H8A涡旋压缩机、气液分离器、平行流冷凝器、平行流蒸发器、毛细管、阀门、冷水箱、热水箱、真空泵、R22储液罐、潜水泵、手动调节阀。所用的测试仪器与仪表：上海华脉有限公司的金属转子流量计（精度：）、压力表（精度）、T型热电 偶（精度）、浮子流量计,制冷工质选用R22。
1.3平行流换热器水冷试验系统
试验系统由涡旋式压缩机、毛细管、流量计、R22储液罐、冷凝器、蒸发器、热水箱、冷水箱、 流量计、流量计、水泵、水泵;＃1:＃9－调节阀， 试验系统设计见图3。
为了节省科研经费以及能充分实现比较好的换热效果，水冷试验系统中的的水循环全部结构采用PVC塑料，其耐压达到要求。外层包一层泡沫型 保温棉。压缩机采用自然对流风冷，整体的实物图 如图4所示。其中换热器的水箱中的布置如图5所 示，换热器的两侧用喇叭口结构起到均流的作用， 让水平缓流过平行流换热器。
2 试验结果分析
平行流冷凝器在水槽内水冷时，水温分别保持 16℃，30℃，38℃，冷凝器出口过冷度随着水速的变化见图6所示。随着水流的增加，过冷度逐渐增加，当水流速大于0.033m/s时，过冷度的增加幅 度变小，冷凝器的出口温度和水槽中的水温非常接近。当水温为16℃的时候，过冷度 为30℃，所以 缩小冷凝器的体积还有很大的空间。同时也可以看出冷却水的水温对冷凝器出口的过冷度影响很大，水温为16℃比水温30℃时的过冷度提高了一倍。但是水温为38℃同样满足制冷系统过冷度的要求，也缩小了传热温差。水温和水的流速综合起来考 虑，不但可以进一步提高过冷度，也减少水泵的功耗和水流对换热器的冲击力。
从图7可见，随着水流速度增加，冷凝器制冷 剂侧的换热量也增加，总水平还是在12－15kW左 右。从图中可以看出，冷凝器制冷剂侧的换热量随 着水流速度的变化很平缓。但是水温对冷凝器的换 热有很大的影响，冷却水增加1℃，将提高换热量 0.0835kW。0.032m/s的水流速度已经充分体现水冷 的最佳效果。
从图8可见，随着水流速度的变化，制冷系统 的COP值是逐渐增加的,当水流速度为0.035m/s， 水温是16℃时，系统的COP值达到4.2了，满足 水源热泵应用要求。
图9分别为采用涡旋式压缩机，水流速度分别 为0.028 m/s，0.032m/s和0.035m/s制冷剂工质为R22的制冷系统循环图。通过试验数据在压焓图上 的表现可以看出，本次试验所使用的平行流冷凝器的体积是R134a试验平行流冷凝器体积的46.8％，但是在压缩机出口过热度为60℃左右情况下，同样获得15℃左右过冷度，制冷系统的制冷系数 COP高达4.2。
从图10、11中可以看出，在相同传热量条件 下,普通的波纹翅片平行流冷凝器随着水流速度变 化，从图中可以看出，通过提高水流速度和降低冷 却水水温可以进一步减少换热器的体积和重量。如 16℃水温，水流速为0.035m/s的水冷的单位换热 量换热器体积和重量是38℃水温,水流速为 0.028m/s的水冷的2倍多，从而可见,普通的波纹 翅片平行流冷凝器在重量和体积能满足换热要求， 并且结构非常紧凑。
平行流换热器的布置方式：在钢板焊成内空为 矩形的流道中，把铝质平行流换热器按并联方式在 流道中布置，如图12所示。这种方式相比壳管式 换热器在安装及维护方面相对方便。
采用铝质平行流换热器的江水源热泵系统图 如图13所示。江水从置于江心的江水取水口1被&nbs p;抽水泵2吸入，并送入连续自动括刷反冲洗器3内， 经两层滤网过滤后的清水由热泵提水泵4送往铝 质冷凝器5和铝质蒸发器6中。江水在冷凝器5中 被加热至50℃以上后送到制热板换中将生活热水 加热到45℃，而流入蒸发器的江水被降温到0℃左 右进入制冷板换，将制冷用水降温到5℃。从制热 板换和制冷板换流出的江水混合后流进连续自动 括刷反冲洗器的反冲洗管接口对各滤网进行清洗后排至江中。
3 结论
通过以上试验可得出如下结论：
（1）冷却水的水温和流速会影响到换热器的 体积和重量。比如16℃水温，水流速为0.035m/s 的水冷的单位换热量换热器体积和重量是38℃水 温,水流速为0.028m/s的水冷的2倍多。无疑将对 以铝代铜、降低热泵成本、节能环保等都会带来极 大的效益；
（2）平行流换热器采用水冷比采用风冷效果 更好，无论是换热量、传热系数、还是整体系统 COP都远远高于风冷的换热方式；
（3）普通波纹翅片的平行流换热器具有较高 的传热效率,并且投资比较小,在质量、体积和能量 消耗上都具有明显的优势。从而其初期投资较小, 其各项指标均优于其它形式的换热器,可作为工程 企业换热设备的首选形式。
参考文献：
[1]S G Kandlikar，Garimella Srinivas，Li Dongqing，et al. Heat Transfer and fluid flow in Minichannels and Microchannels[J].Elsevier Science&Technology (Netherlands),2005.
[2]M M Shah.A general correlation of heat transfer during film condensation[J]. Int J Heat Mass Transfer,1978, (22):547-556.
[3]Nino,Victor German.Characterization of two-phase flow in microchannels[J]. Dissertation Abstracts International, 2002:63.
[4]C Y Yang,R L Webb.Condensation of R12 in small hydraulic diameter extruded aluminum tubes with and without microfins[J].Internationa1 Journa1 of Heat MassTransfer,1996,(39):793-798．
[5]张兴群,袁秀玲,黄东,等.平行流式冷凝器的热力性能 研究[J].流体机械,2005,33(12):65-68.
[6]包涛,董玉军,周翔,等.平流式冷凝器传热流动性能理 论研究[J].制冷与空调,2004,4(5):28-31.
[7]陈雨田,刑惠娟.全铝平流式冷凝器性能的试验研究[J]. 流体机械,1995,17:56-60.
[8]张林颖,吴裕远.三种汽车空调冷凝器性能的试验对比 分析[J].制冷与空调,2007,7(4):42-47.
