科普帖连载二空调热泵压缩机和换热器的选型

空调设计有什么要求和原则？本月我们推出关于空调的科普贴，一起来看一看关于空调的基础知识。今天要分享的是换热器和压缩机的选型与设计。

1、压缩机的选型

　　对于压缩机而言，由于结构较为复杂，一般的空调热泵装置的设计中只需根据循环设计中确定的对压缩机容量、能效和调节能力的要求，考虑不同原理压缩机的形式、特征和调控能力，从压缩机样本中选取较为适宜的压缩机型号，最终通过热力学计算的方法筛选出在设计工况表现最优的压缩机型号。中小容量空调热泵系统常用的压缩机类型包括：活塞压缩机、滚动转子压缩机、涡旋压缩机和螺杆压缩机。

2、换热器的选型与设计

2.1换热器选型与设计的一般原则与过程

　　蒸发器与冷凝器的合理选型与设计需要考虑以下几点：

　　1）满足循环设计确定的给定体流量、入口温度、蒸发/冷凝温度情况下的制冷/制热量（或者出口温度）要求；

　　2）合理的并串联管路设计，以保证合理的制冷剂流速，以期同时兼顾较高的制冷剂侧对流换热系数、较低的压降和较好的带油能力；

　　3）注重蒸发器入口汽液两相制冷剂的不同回路的平均分配；

　　4）注意载冷剂侧流体分配的均匀性和低阻型；

　　5）选用高效的载冷剂输配装置（泵或风机）；

　　6）选用表面改性涂层以提高换热器在凝露和结霜状态的性能以及长期的防腐型；

　　7）满足外形尺寸、重量、材料、加工工艺等要求。

　　对于小容量空调热泵机组，由于蒸发器和冷凝器在制冷和制热工况时互换运行，因此，设计中需要按照主运行工况选型与设计，但要校核非主运行工况的性能。

2.2换热器的通用设计方法

　　目前，通用的换热器“设计”流程可概括为以下4个步骤：

　　1）依据经验选择换热器的基本形式和结构。设计设需要根据环境和可利用资源情况确定换热器的形式，比如是采用水冷话呢器、风冷换热器还是蒸发冷换热器。

　　2）依据经验传热系数或者相似换热器比拟，获得换热器的平均换热系数，从而计算获得换热面积。最为简单的方法是根据手册或技术资料中提供的换热器平均换热系数来直接计算换热器的换热面积。对于空调器而言，强制对流（带风机）风冷冷凝器的平均传热系数为23～50W/（m2·K），强制对流（带风机）风冷蒸发器的平均传热系数为30～40W/（m2·K）。设计者一般在此范围内选择一个合理的值，则可进行换热面积的估算，然而，由于这一平均传热系数是在某一特定的换热器结构、运行条件下测试的结果，而且范围宽泛，因此，计算获得的换热器面积准确性往往很差，导致后期的调整和优化工作量巨大。以风冷冷凝器为例，换热器系数采用23W/（m2·K）和50W/（m2·K）计算出来的换热器面积则相差一倍以上。

　　3）依据经验或者计算机模拟方法进行换热器结构的设计或者优化。鉴于对流动阻力、换热器体积等因素的考虑，换热器不可能是一根管走到头的（即不可能采用一个管程），而是采用多个并联和串联的管路连接方式，只有合理的管路串、并联设计，才能保证最大程度地实现换热器性能的优化。较常用的换热器结构优化设计方法多基于实验，譬如风冷换热器中常采用“δ”连管；同时，也有采用计算机模拟方法的换热器管程寻优设计方法。由于换热器直管数较多，采用一般的“遍历算法”很难进行工程领域的连管优化设计，所以现在较多地采用能大幅降低计算量的局部最优化方法，譬如遗传算法。

　　4）基于实验或者模拟仿真结果进行换热器的性能评价。采用实验或计算机模拟的方法验证换热器的实际性能是进行下一步修正和优化设计的基础。

2.3风冷换热器设计

　　风冷蒸发器和冷凝器是中小型空调制冷装置中最为常用的换热器形式，最为主要的原因是其对环境和其他配套的要求少，且安装快速。

　　对于风冷蒸发器和冷凝器，其迎面风速一般应保持在2.0～3.0m/s之间，一方面风速过小官外侧换热能力将快速下降，另一方面风速多高将导致噪声和风机功耗过大的问题。

　　风冷蒸发器和冷凝器常用的管规格包括Φ8mm×0.5mm，Φ10mm×0.5mm，Φ12mm×1.0mm等。翅片的厚度一般为0.15～0.2mm之间。翅片节距可在1.8～3.2mm（即每英寸8～15片）之间调节。

　　在空调制冷换热器中，管簇一般采用叉排方式而非顺排方式，这样换热器的管外换热系数将有所提升。同时，为减小换热器尺寸并有效提升单位面积换热能力，换热器在空气流动方向上的管排数一般为2～4排。特殊情况下，譬如：迎风面积非常有限，才考虑进一步增加管排数。