分析对比换热盘管内置与外置性能

摘要:空气源热泵热水器根据盘管结构的不同，可分为内置盘管热泵热水器、外置盘管热泵热水器。本文就一种应用于内置盘管热泵热水器的不锈钢水箱技术进行介绍。 　　0前言 　　储水箱作为空气源热泵热水器的主要部件，对热水器性能起到重要作用，主要体现在水箱的换热性能（内置冷凝器）、保温性能、热水输出率和内胆的防腐性能。 　　1盘管内置、外置性能比较分析 　　1. 换热效率 　　换热效率是换热水箱的一个重要指标，它影响着空气源热泵热水器的性能系数与能效比（即COP值）。 　　目前空气源热泵热水器家用机中，水箱换热器以盘管式结构为主。从盘管材质上分为：铜盘管、铝制盘管和不锈钢盘管；从盘管结构上分为外置盘管和内置盘管。其中空气源外置盘管热泵热水器，由于盘管是盘绕在内胆外壁，水箱换热时盘管中的热量必须经内胆壁才能传递给水，所以，降低了传热效率。 　　特别是对于搪瓷内胆水箱，盘管中的热量经内胆壁、搪瓷层两次热传导，每次热传导都有热阻，且搪瓷层属于非金属材料，其传热系数远小于金属材料，所以外置盘管搪瓷热泵水箱传热效率远低于内置不锈钢盘管热泵水箱。 　　另在热泵系统的设计中，冷凝器（盘管）的大小，是根据压缩机匹配进行选型，冷凝器（盘管）面积过大导致压缩机润滑油难以返回，烧坏压缩机；反之，压缩机易出现跳机，缩短了压缩机的使用寿命。故外置盘管热泵水箱要想达到内置盘管热泵水箱相同的换热量，即使增大盘管换热面积也不可能达到内置盘管热泵水箱的换热效率和能效比（COP值）。 　　从铜盘管外盘缠绕在内胆上的方式，可分为传统圆管外盘管、D型外盘管和凹槽型外盘管。传统圆管外盘管，水箱内胆与盘管线面接触，有效换热面积非常小；D型外盘管，水箱内胆与盘管面面接触好于线面接触，但有效换热面积依然较小，热量传递速度慢，能效比很低，且铜管不断地热胀冷缩，导致外盘管与水箱内胆的接触紧密度也随之产生变化，换热效果逐年下降，且D型管的两个边角因受力不均在长期热胀冷缩作用下易破裂；凹槽型外盘管，需将水箱内胆压成波浪型，铜管盘在凹槽内，比D型管的接触面积有所提高，但最大接触面积也只有50%，还是隔着水箱内胆换热，能效比还是不理想，且因水箱内胆压槽工艺的需要，内胆变薄了，影响焊接口的质量及水箱内胆的寿命。 　　在制作过程中，铜盘管外盘内胆方式的结构设计要求高，不仅要求盘管与水箱内胆紧贴，还要注意管间距大小，管间距太大则冷凝换热面积不够，为了增强薄壁管与内胆水箱的换热，需提高单根盘绕密度，结果造成冷凝器系统过长，内侧流动阻力较大，从而导致制冷介质在薄壁铜管中的流速较低，降低了换热效果。 　　而内置盘管空气源热泵热水器，是将盘管（即冷凝管）直接放置于水箱内胆中，热交换管整体与水接触，管壁完全参与换热，传热温差较小，冷凝侧压力相对较低，不会影响压缩机的使用寿命，相同管长的换热管有效换热面积高，换热效率较好，且盘管外管壁完全与水接触，传热效率均比较高。 　　下面是外置盘管热阻与内置盘管热阻性能比较计算： 　　对内置盘管式空气源热泵热水器，以管外侧面积为基准的传热系数计算式为： 　　计算式中，k 为总的传热系数，d0，d1分别为盘管的外径和内径，姿为盘管材料的导热系数，h0，h1分别为外表面和内表面的传热系数，A0，A1分别为外表面和内表面面积，l为盘管长度。其中， 　　计算式中，R为盘管螺旋的曲率半径，Nu为努赛尔数，Re为雷诺数，Pr为普朗特数，ρ为流体密度，u1为管内流速，μ为运动粘度。 　　计算式中，是水的导热率，Gr为格拉晓夫数，g为重力加速度，琢为流体的体积膨胀率，△t为温差。 　　对于外置盘管式热泵热水器，传热系数计算式为: 　　计算式中，d2，d3分别为内胆的外径和内径，为内胆的导热系数，h3为内胆内表面的传热系数，A3为内胆的表面面积。 　　内置盘管空气源热泵热水器和外置盘管空气源热泵热水器的热阻比较： 　　2. 对压缩机使用寿命的影响 　　压缩机在热泵系统中起着决定性因素，它直接影响整个系统的COP 值。而外置盘管热泵水箱因其自身因素，传热效果不好，且盘管被水箱中保温层包围，系统运行过程中盘管中的冷媒长期处于高温状态，导致压缩机吸、排气温度较高，严重缩短了压缩机的寿命。 　　而大部分热泵生产厂家解决此现象的办法就是将压缩机使用的冷媒充注量减小，经过研究与分析发现，这种方法会导致热泵机组中的蒸发器吸热量小，延长了系统的加热时间。而对压缩机来说，当制冷剂冲入量少时，其流量也会随之减小，而蒸发器的过热度大，使吸气温度升高，吸入蒸气比热容增大；吸气温度升高，吸入蒸气比热容增大又会引起压缩热增大，致使排气温度升高，从而导致压缩机发热，引起压缩功能增大，耗电量增大，既不利于系统寿命，也不利于节能，还会影响热泵机组的COP 值。 　　综上所述，我们会发现内置换热器的换热效果比外置换热器的效果好得多。（黄石东贝机电集团太阳能有限公司技术开发部/甘华赵知　清华大学/刘鑫）