摘要：本文通过利用仿真模拟和实验测试两种手段对内螺纹铝圆管换热器在某家用VRF热泵机4 HP室外机的可行性应用进行研究，从换热性能和成本两方面提出了确定此类换热器替换原来内螺纹铜圆管换热器的设计原则和改善措施。论文对于铝管换热器在应用，有较好的指导价值。

论文价值的评定意见：

本文通过利用仿真模拟和实验测试两种手段对内螺纹铝圆管换热器在某家用VRF热泵机4 HP室外机的可行性应用进行研究，从换热性能和成本两方面提出了确定此类换热器替换原来内螺纹铜圆管换热器的设计原则和改善措施。论文对于铝管换热器在应用，有较好的指导价值。

孙西辉1 李宁1 刘旭2

1. 广东美的暖通设备有限公司

2. 广东美的制冷设备有限公司

摘要

Abstract

通过利用仿真模拟和实验测试两种手段对内螺纹铝圆管换热器在某家用多联机空调热泵机型4 HP室外机的可行性应用进行了研究。从换热性能和成本两方面考虑，来确定此类换热器替换原来内螺纹铜圆管换热器的设计原则和改善措施。模拟与测试结果表明：相同运行工况条件下，对于管径Φ7 mm铜管换热器，如使用同排数管径Φ7 mm铝圆管换热器进行直接替换（其他结构特征不做改动，如管间距、排间距、翅片间距、流路等），整机制冷能效平均降低了2.2%，制热能效平均降低了1.8%，但可通过增加换热面积，调整流路设计，改良胀管工艺、内螺纹齿形进行改善。

关键词

Keywords

内螺纹铝圆管换热器；性能；成本；家用多联机空调

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2024.04.013

0 引言

在“双碳”目标推动下，空调行业在节能减排等方面呼唤新技术突围的声量日益加大。同时，伴随着空调生产规模的增加以及市场竞争加剧，单一依赖铜金属所带来的制造成本增加、产业链不稳等弊端日益凸显，加快研发替代材料已经势在必行。铝金属在物理性质及化学性质方面与铜金属有很多相似之处，且资源丰富、市场价格相对便宜，作为制造空调产品换热器用的铜金属材料改用铝金属材料来替代，可以降低空调产品生产成本[1-3]。

当前，国外对铝管换热器的应用已经相当普及[4-5]，如欧美厂商如特林、开利有全铝换热器空调产品，日本厂商如松下、日立空调生产企业的全铝换热器也处在产业化阶段。国内各大空调厂家如春兰[4]、格力[6]、美的[7-9]、志高[10]、海信[11]等都已进行了相关应用研究。这些厂家所用的铝管换热器，基本上使用3系牌号铝合金材质，管内有内螺纹齿形结构，用来增强管内换热系数、增加管内换热面积。研究内容主要集中在：焊接、胀管以及换热领域。根据文献整理，获得了各大空调厂家所用Ф7 mm内螺纹铝圆管的大致选取范围：底壁厚为0.45 mm～0.55 mm；齿高为0.15 mm～0.3 mm；槽底宽为0.1 mm～0.3 mm, 齿数为40～55；齿顶角为20～60°；螺纹角为10～25°。

铝圆管换热器集中应用在家用单冷空调、窗机、除湿机、移动空调、小型风管机、展柜等小型空调产品中，但未有数据表明铝管换热器应用在多联机空调产品中。

因此，本文从性能和成本角度进行考虑，通过仿真模拟和实验测试对Ф7 mm内螺纹铝圆管在某家用多联机空调热泵机型4 HP室外机换热器进行应用的可行性研究，通过与铜管换热器进行比较和分析来明确应用该类铝圆管换热器存在的优缺点及相应改善措施。

1 铝管换热器性能仿真与测试

以某家用多联机热泵机型4 HP室外机用的铜管换热器为研究对象，换热管内螺纹特征参数及换热器结构参数如表1、表2，和图1所示；在制冷和制热运行工况条件下，保持空气侧入口温湿度和风量及制冷剂侧进出口状态均相同，如表3所示，利用换热器仿真软件CoilDesigner对铜管换热器和铝管换热器的单体换热性能和材料成本进行计算和分析；随后在整机上进行性能测试，在保证能力相同的前提下，分别比较使用铜管换热器和铝管换热器时的整机能效，再结合先前的计算结果进行分析。

表1 内螺纹铜管与铝管具体的几何参数

表2 铜管换热器与铝管换热器的规格参数

图1 几何参数与流路设计

表3 用于性能仿真的工况运行状态参数

1.1 模拟结果与分析

在相同的制冷工况和制热运行工况下状态参数如表3所示，使用换热器仿真软件CoilDesigner软件分别对铜管换热器与铝管换热器单体换热性能进行稳态仿真计算，所用关联式如表4所示。稳态计算结果如图2、图3和表5所示。对于2排铜管换热器，使用2排铝管换热器进行替换，制冷工况下，换热量稍微增加，对应管内制冷剂压降增大约44.5%；制热工况下，换热量降低8%，对应管内制冷剂压降增大约20%。这里对仿真结果进行分析：在相同几何结构的换热器中，相对于表1中规格为Φ7 mm×0.24 mm×0.18 mm的铜圆管，规格为Φ7 mm×0.47 mm×0.25 mm铝圆管其内径缩小了7.1%。

依据换热公式Q=K×A×ΔT，在相同质量流量下，由于缩小的内径使得管内流速加快，一方面提升总换热系数K；另一方面导致流动压降增大，减小换热温差∆T。整个过程，管外侧换热面积保持不变，因此换热量Q由K和∆T的乘积决定。因此，对于制冷工况，制冷剂压降引起R410a制冷剂冷凝温度沿程变化约为0.1 ℃，K值增加幅度约2.7%，则K×∆T增加约2.7%；对于制热工况，制冷剂压降引起R410a制冷剂进口蒸发温度与入口空气湿度差缩小了0.5 ℃，K值增加幅度约估算2.2%，而K×∆T下降了7.3%。

表4 用于CoilDesigner稳态计算的制冷剂R410A侧传热和压降关联式

图2 制冷工况下，不同换热器间的换热量与压降比较

图3 制热工况下，不同换热器间的换热量与压降比较

表5 不同换热器的单体性能仿真计算结果与比较

从上述稳态计算结果来看，若不改动换热器结构，直接在家用多联机空调热泵型室外机上使用相同结构的铝管换热器进行替换，其制冷性能与铜管换热器相当，但制热性能变差。

对于2排铜管换热器，制冷工况下，使用2.5排铝管换热器替换，其换热量增加约30%，管内制冷剂压降增加约70%；制热工况下，使用2.5排铝管换热器，其换热量增加约13%，管内制冷剂压降增加约27.5%。这主要因为通过增加铝管换热器管排数来增大换热面积A（同时适当调整流路设计，控制制冷剂流动压降），从而弥补了先前2排铝圆管换热器缩小的K×∆T值。

1.2 测试方案

通过对铜管换热器和铝管换热器进行实验测试，来验证上述模拟结果。为了方便调节控制该型号家用多联机空调热泵，尽可能地精确比较被测室外机在匹配不同换热器后的性能，这里使用板式换热器替换室内机与被测室外机进行连接组成测试平台（图4）。

图4 某4 HP室外机与板式换热器（室内机）联机图

整个测试平台运行过程以制冷为例进行描述：从整机室外机的压缩机出口排出的高温高压气体在室外机换热器与空气换热后冷凝相变成为高温高压液体，然后经节流阀膨胀后变成低温低压的气液两相流体流入板式换热器，经过与其内部水换热后，蒸发相变成为带有一定过热度的气体，在经气管流入室外机中压缩机回气口，完成整个循环。在整个制冷或制热过程中，板式换热器制冷剂侧流向与水侧流向均为逆流方式；在测量不同换热器时，板式换热器进水口温度和流量保持不变，在保证板式换热器换热能力基本相同的前提下，通过微调压缩机频率和节流阀开度来达到所需要的吸气压力或是排气压力，系统达到稳定运行后，记录测试数据如表6、表7所示。

表6 测试平台在制冷工况下的测试条件

表7 测试平台在制热工况下的测试条件

1.3 测试结果比较

图5 a)、b) 是测试平台4 HP室外机在制冷工况下分别使用铜管换热器和铝管换热器进行的性能测试结果比较。从中可以看出，在不同的吸气压力Ps（表压）900 kPa～1100 kPa下，相对于2排铜管换热器，直接使用2排铝管换热器，其排气压力Pd均增高，对应的能效平均降低2.2%；而使用2.5排铝管换热器，其排气压力Pd均降低，制冷能效平均提升7.8%。

图5 制冷工况下室外机使用铜管换热器与铝管换热器时的性能比较

图6 a) 、b) 是测试平台4 HP室外机在制热工况下分别使用铜管换热器和铝管换热器进行的性能比较测试。从中可以看出，在不同的排气压力Pd（表压）2600 kPa～2700 kPa下，相对于2排铜管换热器，直接使用2排铝管换热器，其吸气压力Ps均降低，对应的制热能效平均降低1.8%；而使用2.5排铝管换热器对应的吸气压力Ps有所提升，对应的制热能效平均降低0.6%。

图6 制热工况下室外机使用铜管换热器与铝管换热器时的性能比较

1.4 测试结果分析

相对于2排铜管换热器，测试结果显示：制冷工况下，2排铝管换热器能效降低，这与仿真计算结果（图3）不符，首先从换热热阻进行分析，铝材热导率（204 W/(m·K)）比铜材热导率（398 W/(m·K)）低，但其导热热阻在整个换热热阻中占比小于0.5%[12]，因此可忽略材料物性引起的差异。再者由于Ф7 mm铝圆管壁厚比Ф7 mm铜圆管的内径缩小了7.1%（表1），如前所述，冷凝工况下由于流速加快引起的换热系数增强且流动阻力对其换热温差影响较小，使用类似小管径圆管换热器有利于做冷凝工况[13]，而本次测试能效较低的原因，有可能由于在测试铝管换热器在试制过程中，胀接工艺出现一定偏差所引起的。

制热工况下，2排铝管换热器能效降低。这与仿真结果（图5）一致，且与文献[3]测试结果相符，这因为Ф7 mm铝圆管流通内径小，在相同流路结构、蒸发工况下由于流速加快引起的流动阻力对其换热温差影响较大，造成换热性能衰减。

对于2.5排铝管换热器，相同运行测试条件下，制热能效平均低于铜管换热器0.6%这与仿真结果（图6）不相符，这因为使用CoilDesigner软件进行仿真计算时，没有准确的管内侧换热和压降关联系式而使用经验数值进行校正，导致对铝管换热器的管内制冷剂侧压降和换热的计算时，产生了计算偏差，流路设计相对偏少。但依据测试结果其制冷能效平均高于铜管换热器7.8%可以看出，2.5排铝管换热器可以进一步优化流路设计，以达到2排铜管换热器相同的制冷和制热性能。

2 成本分析

表8是对上述2排铜管换热器及2排和2.5排铝管换热器从原材料角度进行的成本分析。从中看出，使用2排铝管换热器其材料成本可以节约58%，2.5排铝管换热器其材料成本也能够节约41.5%。这为降低空调产品成本提供了较大的空间。因此建议，对于某些低能效空调产品，可直接使用同结构参数的铝管换热器替换铜管换热器。

表8 铜管换热器与铝管换热器材料重量比较

3 结论

从性能和成本两方面考虑，通过模拟计算和性能测试对Ф7 mm铝圆管换热器在某家用多联机空调热泵机型4 HP的室外机换热器进行了应用可行性研究，确定了此类换热器替换原来内螺纹铜圆管换热器的设计原则和改善方法。结论如下：

（1）相同测试条件下，对于管径Φ7 mm铜管换热器，如直接使用管径Φ7 mm铝管进行直接替换（即直接将铜管换成铝管，其他结构不做改动），整机制冷能效平均降低2.2%，制热能效平均降低1.8%。

（2）为了解决其管内流通面积而导致铝管换热器换热性能下降的问题，可通过增加铝管换热器管排数来增大换热面积A（同时适当调整流路设计，控制制冷剂流动压降），如本文使用2.5排铝管换热器替换铜管换热器。

（3）可应用新型高效内螺纹换热铝管达到改善性能的目的，如采用多齿数、大螺旋角、增大管内换热面或增加换热系数。

（4）需要对内螺纹铝管换热器的胀接工艺进行研究，如建立胀头尺寸与内螺纹结构特征（齿高、螺旋角、齿数）关系式，保证胀管率的同时，尽可能减小管内内螺纹特征的磨损率。

（5）直接使用原来铜管换热器管内换热及压降关联式对铝管换热器进行仿真设计计算，偏差较大，这里需要对胀管后的铝圆管进行单管性能测试或对铝管换热器进行单体测试，获得较为准确的换热及压降关联式来仿真指导铝管换热器设计及应用。

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作者简介：

孙西辉，男，博士学位。

研究方向：换热技术。

地址：广东省佛山市顺德区北滘镇美的全球创新中心。

E-mail：sunxh13@midea.com。

文章引用 (GB/T 7714—2015格式引文):

[1] 孙西辉, 李宁, 刘旭. 铝圆管换热器在VRF热泵室外机应用可行性分析[J]. 家电科技, 2024(04): 84-88.

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