本文我們將探討下5mm換熱器管間距對換熱效果的影響。
1 換熱器性能優化的3種方式
換熱器作為製冷系統的重要組成部分，是熱量傳遞的核心設備。圓管管翅式換熱器因具有傳熱高效、結構緊湊、易於加工等優點，廣泛用於空調系統中。翅側工質多為空氣，管內側為水或者製冷劑，空氣側熱阻占換熱器總熱阻的 70% 以上，因此翅側空氣換熱能力的強弱是衡量換熱器效率高低的標準。
對於翅片式換熱器性能優化的研究，一般來說有以下 3 種方式：
（1）提高換熱器的換熱係數K；
（2）增加對流換熱面積 A；
（3）加大翅側和管內流體的傳熱溫差。
在設計使用換熱器時，需要考慮換熱器使用的場所、消耗的材料資金等情況，無法對換熱面積和溫差進行無限制增大，因此目前對換熱器性能研究的主流方向是通過不同的手段，減低材料成本的同時，提升換熱效率。
2、推導分析
2.1 換熱面積對比
換熱器由管路與翅片組成，如圖 1 所示。
換熱面積由兩部分組成，翅片換熱面積和銅管表面換熱面積。銅管外徑 D，翅片間距 Sf，翅片厚度δf，翅片寬度 lf，銅管水平間距（管間距）S1，銅管豎直間距 S2（暫取單排，無 S2），管束數為 n，行程（脹高）為 m。
2.2 結構對比
2.3 壓降對比
因冷凝器管為直段加 U 彎組成，局部阻力為 U 彎出產生。彎管內流體質點受到離心力作用，在彎管前半段，外側壓強沿程增大，內側壓強沿程減小；而流速是外側減小，內側增大。因此，彎管前半段沿外壁是減速增壓的，可能出現漩渦區；在彎管的後半段，由於慣性作用，內側也會產生渦旋。當管間距變小，即 U 彎曲率減小，局部阻力係數增大。
2.4 換熱係數對比
徑，v 為運動粘度，μ 為粘度，cp為定壓比熱容，a 為熱擴散率。當管距減小，系統壓力上升，製冷劑流速上升，雷諾數值變大，故管內側對流傳熱係數變大，換熱效果增強。
（2）管的壁厚δ 為常量，管材的導熱係數 λ 變化可忽略，故δ/λ可近似看作不變。
（3）當管間距減小（19.5mm → 19.05mm），空氣流動擾動更劇烈，同時風速 u 可近似表述為
，其中 Q為風量（近似不變），S 為換熱面積。風速升高，空氣側傳熱係數 h2增大。故 換 熱 系 數 k 增 加，即單位面積換熱效果有所提升。
2.5 換熱量計算
因換熱面積減小，但換熱係數增加，因素相互抵消，整體對換熱量的影響不大，對總換熱結果進行試驗驗證。
3、實驗驗證
測試樣機：3200W 的定頻單冷空調；
實驗室：國家標準焓差實驗室。
3.1 試驗方法
在同一實驗室前後對比測試，在整個測試過程，僅更換不同管間距冷凝器，其他參數不變，對比製冷量、43℃高溫製冷與最大運行製冷。
3.2 試驗數據與分析
測試數據如表 1 所示，由測試數據可得。
（1）額定製冷量機組1額定製冷能力提高0.05%，能效下降0.63%，機組2額定製冷能力 提高 0.89%，能效下降0.33%，平均能力提高 0.42%，平均能效下降 0.65%。壓力上升，導致流速變快，沿程以及局部阻力變大，壓降大占主要部分，所以功率高。
（2）高溫製冷量機組1 高溫製冷能力提高 1.45%，能效下降1.27%；機組 2 高溫製冷能力提高 0.34%，43 ℃製冷能力下降 0.86%；平均能力提高 0.9%；平均能效下降1.06%，能力能效提升。此時，外側溫度上升，換熱溫差減小，風速增加以及擾動劇烈產生的換熱效果提升更明顯，換熱面積下降導致的換熱變差比重小，故能力能效上升。
（3）最大運行製冷最大運行製冷外側溫度與高溫製冷相似，故換熱效果變好，回氣溫度下降，壓降減小。以上僅分析數據，未考慮測試偏差。
4、結論
綜上可述，得出如下結論。
4.1 管間距對換熱效果的影響
由理論分析可知，當管間距適當減小時，空氣流動擾動增加，湍流度增加，可增強換熱；當管間距過小時，流動阻力增加，且不能充分沖刷翅片表面影響換熱。故管間距對換熱效果的影響與雷諾數、普朗特數、S1/D 等有關，管間距 19.5mm→19.05mm 對性能基本無影響。
4.2 管間距變化（19.5mm → 19.05mm）可行
（1）從本次測試數據來看，額定製冷能力變化不超過2%，在考慮測試偏差的情況下，19.05mm冷凝器能力不比19.5mm 冷凝器差，高溫製冷能力還有所提升。
（2）本次冷凝器翅片面積減少2.3%，銅管U彎直徑變小，說明19.05mm 管距的冷凝器成本更低，經濟性好。若在可改變換熱器尺寸的情況下，將19.5mm與19.05mm 冷凝器高度一致，相信 19.05mm 冷凝器換熱效果優勢更明顯。後期建議在使用5mm冷凝器時，採用 19.05mm管距，成本與性能優。
技術：自動售冷飲機結構優化設計
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