铝圆管换热器在VRF热泵室外机应用可行性分析

孙西辉  李宁

（广东美的暖通设备有限公司     广东佛山 528000）

摘要：从换热性能和成本两方面考虑，通过模拟计算和实验测试对铝圆管换热器在某家用VRF热泵机4HP的室外机应用进行研究。模拟与测试结果表明：相同条件下，对于管径Φ7mm铜管换热器，如直接使用管径Φ7mm铝管换热器进行直接替换（即直接将铜管换成铝管），整机制冷能效平均降低了2.2%,制热能效平均降低了1.8%,可增加换热面积及流路设计进行改善。

关键词：铝圆管换热器；性能；成本；家用；VRF

引言

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随着行业的竞争及技术进步，空调行业在不断寻求更低成本的空调产品。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，且铝资源丰富、市场价格相对便宜，将作为制造空调产品换热器用的贵重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。

当前，国外对铝管换热器的应用已经相当普及[1,2]，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奥克斯[1]格力[3]，美的[4]等也在进行相关研究。这些产品集中在家用单冷空调、窗机、除湿机、移动空调、小型风管机、展柜等等小型空调产品，但未有数据表明Al管换热器在VRF产品得到应用。因此，本文从性能和成本角度进行考虑，借助模拟和测试手段在家用VRF热泵机型号4HP的室外机对铝管换热器应用进行可行性研究。

1.铝管换热器性能仿真与测试

为了从换热性能和成本两方面分析铝管换热器在VRF空调产品应用的可行性，本文以某家用VRF热泵机型中4HP室外机的铜管换热器为目标，在相同换热器结构参数及相同冷凝及蒸发工况条件下（表1），保持空气侧入口温湿度及风量和制冷剂侧进出口焓差相同，利用Coil-designer软件对铜管换热器和铝管换热器机型的换热性能和材料成本进行定性计算和对比分析；随后分别进行试作换热器样品，并在整机4HP性能进行制冷和制热测试，在保证能力相同的前提下，比较在分别使用铜管换热器和铝管换热器时的能效，从而验证先前的模拟计算。

表1 铜管换热器与铝管换热器参数

		Cu coil	Al coil
管径规格(mm)		Φ7	Φ7
换热器 H x L		840 x 890 (mm)
换热器 排数		2	2 2.5
翅片类型		波纹翅片
翅片规格(mm)		21 x 18.19（Pt x Pl）
翅片密度（FPI）		17
冷凝	空气侧	入口温度：35oC 入口风量：4800m3/hr
	制冷剂侧	入口温度：75oC 入口压力：3000kPa, A 出口温度：45oC
蒸发	空气侧	入口温度/湿度：7oC/6oC 入口风量：4416 m3/hr
	制冷剂侧	入口干度：0.2 出口压力：750kPa,A 出口温度：1oC

1.1模拟结果与分析

图1分别是冷凝工况和蒸发工况下，使用Coil-designer软件，相同运行条件下（见表1），对铜管换热器与铝管换热器进行模拟计算，得出的换热量和管内制冷剂压降的模拟结果。

图 1 冷凝/蒸发工况不同换热器间的换热量与压降的比较

上述图1中可以看出，冷凝工况下，相对于2排铜管换热器，使用2排铝管换热器进行替换，其制冷换热量稍微增加，其对应管内制冷剂压降增大约40%;而使用2.5排铝管换热器，其制冷换热量增加约30%，管内制冷剂压降增加约70%。蒸发工况下，相对于2排铜管换热器，使用2排铝管换热器进行替换，其制热换热量降低8%，其对应管内制冷剂压降增大约20%；而使用2.5排铝管换热器，其

制热换热量增加约13%，管内制冷剂压降增加约27.5%。因此，从上述模拟计算结果来看，不改动换热器结构，直接在热泵VRF空调室外机上使用铝管换热器，其制冷性能与铜管换热器相当，但制热性能变差。需要进行通过增加铝管换热器管排数和重新流路设计来改善制冷和制热性能。接下来通过对铜管换热器和铝管换热器进行试验测试，来验证上述模拟结果。

1.2 测试方案

为了方便调节控制该型号热泵VRF空调系统，且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，将其与被测室外机进行连接组成测试平台。

整个测试平台运行过程以制冷为例进行描述如下：从VRF室外机液管来的高温液体流经节流阀后变成低温低压的气液两相流体，随后进入板式换热器，经过与其内部热水换热后，相变成为带有一定过热度的气体经气管在流入室外机中，完成整个循环。表2 是测试平台的工况测试条件

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，在尽可能保证100%能力的前提下，通过微调压缩机频率和膨胀阀开度来达到所需要的吸气压力或是排气压力，系统达到运行后，记录下测试数据。

表2 测试平台在制冷和制热工况下的测试条件

制冷工况
风机档位	18档
室外机（温度/湿度）oC	35/24
板换制冷剂侧出口过热度oC	3
压缩机频率（Hz）	据100%负荷调节
吸气压力（kPa,G）	900
蒸发工况
风机档位	18档
室外机（温度/湿度）oC	7/6
板换制冷剂侧出口过冷度oC	10
压缩机频率（Hz）	据100%负荷调节
排气压力（kPa,G）	2600

1.3测试结果比较

图2是测试平台分别使用铜管换热器和铝管换热器进行的制冷及制热性能测试结果比较。

（1）制冷工况-相对于2排铜管换热器，直接使用2排铝管换热器，在吸气压力900（kPa,G）下,其排气压力均增高，对应的能效平均降低2.2%；而使用2.5排铝管换热器，在吸气压力900（kPa,G）下,其排气压力均降低，制冷能效平均提升7.8%。

（2）制热工况-相对于2排铜管换热器，用2排及2.5排铝管换热器，在不同的排气压力2600（kPa,G）下，其吸气压力均降低，其中2.5排铝管换热器对应的吸气压力有所提升。使用2排铝管换热器，制热能效平均降低1.8%；而使用2.5排铝管换热器，制热能效平均降低0.6%。

对于2.5排铝管换热器，相同运行测试条件下，其制冷性能能效平均高于铜管换热器7.8%，而制热能效平均低于铜管换热器0.6%，这意味着其对应的流路需要进一步优化，来达到2排铜管换热器同等制冷和制热性能。

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，2,5排铝管换热器能效增加；制热工况下，2排和2.5排铝管换热器能效均降低。这与先前模拟计算结果相比（图1）不完全一致。这是因为在使用Coil-designer软件，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的方法，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。

图2 制冷和制热工况下室外机使用铜管换热器与铝管换热器时的能效比较

从测试结果可以得出，使用2排铝管换热器直接替换2排铜管换热器，在VRF热泵室外机进行使用，其制冷和制热能效均有所降低。其原因分析如下：在相同几何结构参数的换热器情况下，这里使用胀管前的铜管和铝管规格进行粗略估计。相对于规格为Φ7mmx0.24mmx0.18mm的铜管,规格为Φ7mmx0.47mmx0.25mm铝管（表3），铝管内径缩小导致其管内有效流通面积减小约16%，且管内换热面积缩小约10%。因此，在相同流路和工况条件下，特别是制热时的制冷剂侧压降保守估计增加约20%（图1），导致铝管换热器在运行过程中对数平均温差减小，其对应的换热性能下降。

表3 内螺纹铜管与铝管具体的几何参数

No	OD x Bottom wall thickness x Microfin Height x No. of groove x Spiral angle
Cu Tube	Φ7 x 0.24 x 0.18 x 50 x 18
Al Tube	Φ7 x 0.47 x 0.25 x 40 x 18

为了解决其管内流通面积和换热面积减小而导致铝管换热器换热性能下降的问题，本文使用增加铝管换热器管排数（增加其管内换热面积）和增多其流路数（相当于增大其管内流通面积，减小流动阻力）的方法来改善其换热性能，如本文使用2.5排铝管换热器替换铜管换热器。

2成本分析

表4依据2023年原材料估计，其中铜价估计为：70元/千克，铝价估计为20元/千克。对上述2排铜管换热器材料成本为352.5元， 2排铝管换热器材料成本为147.5元，可以节约58%； 2.5排铝管换热器材料成本为206.2元，也能够节约41.5%。这为降低空调产品成本提供了较大的发挥空间。

表4 铜管换热器与铝管换热器材料重量比较

No	2rows cu coil	2rows Al coil	2.5rows Al coil
管重(kg)	3.49	1.96	2.75
翅片重(kg)	5.41	5.41	7.56
管成本 (元)*	244.3	39.2	55
翅片成本 (元)*	108.2	108.2	151.2
总成本(元)	352.5	147.4	206.2
总成本节约	100%	42%	58.50%

注：根据2023年原材料铜价和铝价估计得出，其中

铜价估计为：70元/千克；

铝价估计为20元/千克。

因此，这里建议，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。

3结论

从性能和成本两方面考虑，通过模拟计算和实验测试对铝圆管换热器在某家用VRF热泵机型号4HP的室外机应用进行研究。结论如下：

(1)相同条件下，对于管径Φ7mm铜管换热器，如直接使用管径 Φ7mm铝管换热器进行直接替换（即直接将铜管换成铝管,不对换热器结构做改动），整机制冷能效平均降低2.2%，制热能效平均降低1.8%。

(2)铝管换热器可通过增加其换热面积和改善流路设计两种方式来达到铜管换热器同样的换热性能。

参考文献:

[1]铝换热器生产和应用情况, shanghai Fbetter Consulting. Co.,LTd, 2014

[2]陈剑波，岳畏畏，李静等. 铝管替代铜管空调冷凝器传热特性研究[J]. 制冷学报，2012：40~43

[3]田 云. 铝圆管换热器用于空调的应用研究[J]. 日用电器，2015（08）：22-26

[4]周到，郭芳程，程志明，李军生. 研究铝圆管热交换器关键技术，推动创新技术成果标准化[J].日用电器，2012

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