分析對比換熱盤管內(nèi)置與外置性能

摘要:空氣源熱泵熱水器根據(jù)盤管結(jié)構(gòu)的不同，可分為內(nèi)置盤管熱泵熱水器、外置盤管熱泵熱水器。本文就一種應(yīng)用于內(nèi)置盤管熱泵熱水器的不銹鋼水箱技術(shù)進行介紹。 　　0前言 　　儲水箱作為空氣源熱泵熱水器的主要部件，對熱水器性能起到重要作用，主要體現(xiàn)在水箱的換熱性能（內(nèi)置冷凝器）、保溫性能、熱水輸出率和內(nèi)膽的防腐性能。 　　1盤管內(nèi)置、外置性能比較分析 　　1. 換熱效率 　　換熱效率是換熱水箱的一個重要指標(biāo)，它影響著空氣源熱泵熱水器的性能系數(shù)與能效比（即COP值）。 　　目前空氣源熱泵熱水器家用機中，水箱換熱器以盤管式結(jié)構(gòu)為主。從盤管材質(zhì)上分為：銅盤管、鋁制盤管和不銹鋼盤管；從盤管結(jié)構(gòu)上分為外置盤管和內(nèi)置盤管。其中空氣源外置盤管熱泵熱水器，由于盤管是盤繞在內(nèi)膽外壁，水箱換熱時盤管中的熱量必須經(jīng)內(nèi)膽壁才能傳遞給水，所以，降低了傳熱效率。 　　特別是對于搪瓷內(nèi)膽水箱，盤管中的熱量經(jīng)內(nèi)膽壁、搪瓷層兩次熱傳導(dǎo)，每次熱傳導(dǎo)都有熱阻，且搪瓷層屬于非金屬材料，其傳熱系數(shù)遠小于金屬材料，所以外置盤管搪瓷熱泵水箱傳熱效率遠低于內(nèi)置不銹鋼盤管熱泵水箱。 　　另在熱泵系統(tǒng)的設(shè)計中，冷凝器（盤管）的大小，是根據(jù)壓縮機匹配進行選型，冷凝器（盤管）面積過大導(dǎo)致壓縮機潤滑油難以返回，燒壞壓縮機；反之，壓縮機易出現(xiàn)跳機，縮短了壓縮機的使用壽命。故外置盤管熱泵水箱要想達到內(nèi)置盤管熱泵水箱相同的換熱量，即使增大盤管換熱面積也不可能達到內(nèi)置盤管熱泵水箱的換熱效率和能效比（COP值）。 　　從銅盤管外盤纏繞在內(nèi)膽上的方式，可分為傳統(tǒng)圓管外盤管、D型外盤管和凹槽型外盤管。傳統(tǒng)圓管外盤管，水箱內(nèi)膽與盤管線面接觸，有效換熱面積非常??；D型外盤管，水箱內(nèi)膽與盤管面面接觸好于線面接觸，但有效換熱面積依然較小，熱量傳遞速度慢，能效比很低，且銅管不斷地?zé)崦浝淇s，導(dǎo)致外盤管與水箱內(nèi)膽的接觸緊密度也隨之產(chǎn)生變化，換熱效果逐年下降，且D型管的兩個邊角因受力不均在長期熱脹冷縮作用下易破裂；凹槽型外盤管，需將水箱內(nèi)膽壓成波浪型，銅管盤在凹槽內(nèi)，比D型管的接觸面積有所提高，但最大接觸面積也只有50%，還是隔著水箱內(nèi)膽換熱，能效比還是不理想，且因水箱內(nèi)膽壓槽工藝的需要，內(nèi)膽變薄了，影響焊接口的質(zhì)量及水箱內(nèi)膽的壽命。 　　在制作過程中，銅盤管外盤內(nèi)膽方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，不僅要求盤管與水箱內(nèi)膽緊貼，還要注意管間距大小，管間距太大則冷凝換熱面積不夠，為了增強薄壁管與內(nèi)膽水箱的換熱，需提高單根盤繞密度，結(jié)果造成冷凝器系統(tǒng)過長，內(nèi)側(cè)流動阻力較大，從而導(dǎo)致制冷介質(zhì)在薄壁銅管中的流速較低，降低了換熱效果。 　　而內(nèi)置盤管空氣源熱泵熱水器，是將盤管（即冷凝管）直接放置于水箱內(nèi)膽中，熱交換管整體與水接觸，管壁完全參與換熱，傳熱溫差較小，冷凝側(cè)壓力相對較低，不會影響壓縮機的使用壽命，相同管長的換熱管有效換熱面積高，換熱效率較好，且盤管外管壁完全與水接觸，傳熱效率均比較高。 　　下面是外置盤管熱阻與內(nèi)置盤管熱阻性能比較計算： 　　對內(nèi)置盤管式空氣源熱泵熱水器，以管外側(cè)面積為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)計算式為： 　　計算式中，k 為總的傳熱系數(shù)，d0，d1分別為盤管的外徑和內(nèi)徑，姿為盤管材料的導(dǎo)熱系數(shù)，h0，h1分別為外表面和內(nèi)表面的傳熱系數(shù)，A0，A1分別為外表面和內(nèi)表面面積，l為盤管長度。其中， 　　計算式中，R為盤管螺旋的曲率半徑，Nu為努賽爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，ρ為流體密度，u1為管內(nèi)流速，μ為運動粘度。 　　計算式中，是水的導(dǎo)熱率，Gr為格拉曉夫數(shù)，g為重力加速度，琢為流體的體積膨脹率，△t為溫差。 　　對于外置盤管式熱泵熱水器，傳熱系數(shù)計算式為: 　　計算式中，d2，d3分別為內(nèi)膽的外徑和內(nèi)徑，為內(nèi)膽的導(dǎo)熱系數(shù)，h3為內(nèi)膽內(nèi)表面的傳熱系數(shù)，A3為內(nèi)膽的表面面積。 　　內(nèi)置盤管空氣源熱泵熱水器和外置盤管空氣源熱泵熱水器的熱阻比較： 　　2. 對壓縮機使用壽命的影響 　　壓縮機在熱泵系統(tǒng)中起著決定性因素，它直接影響整個系統(tǒng)的COP 值。而外置盤管熱泵水箱因其自身因素，傳熱效果不好，且盤管被水箱中保溫層包圍，系統(tǒng)運行過程中盤管中的冷媒長期處于高溫狀態(tài)，導(dǎo)致壓縮機吸、排氣溫度較高，嚴(yán)重縮短了壓縮機的壽命。 　　而大部分熱泵生產(chǎn)廠家解決此現(xiàn)象的辦法就是將壓縮機使用的冷媒充注量減小，經(jīng)過研究與分析發(fā)現(xiàn)，這種方法會導(dǎo)致熱泵機組中的蒸發(fā)器吸熱量小，延長了系統(tǒng)的加熱時間。而對壓縮機來說，當(dāng)制冷劑沖入量少時，其流量也會隨之減小，而蒸發(fā)器的過熱度大，使吸氣溫度升高，吸入蒸氣比熱容增大；吸氣溫度升高，吸入蒸氣比熱容增大又會引起壓縮熱增大，致使排氣溫度升高，從而導(dǎo)致壓縮機發(fā)熱，引起壓縮功能增大，耗電量增大，既不利于系統(tǒng)壽命，也不利于節(jié)能，還會影響熱泵機組的COP 值。 　　綜上所述，我們會發(fā)現(xiàn)內(nèi)置換熱器的換熱效果比外置換熱器的效果好得多。（黃石東貝機電集團太陽能有限公司技術(shù)開發(fā)部/甘華趙知　清華大學(xué)/劉鑫）