【HETA】高效空调换热器内螺纹铜管的齿形参数分析研究
为达到提高空调的能效比、实现空调节能的目的，最直接的技术途径就是提高空调换热器（蒸发器和冷凝器）的传热性能。而控制空调产品的成本，最有效的技术措施就是研究并运用传热强化技术，提高换热器单位面积的传热量，控制其体积和质量，节省材料，提高换热系数。
今天，小编就跟大家分享一下高效空调换热器内螺纹铜管的齿形参数分析研究。
换热器的传热效率及空调性价比的高低与内螺纹管管径、齿形几何参数的正确选择有着极大的关系。
一开始的铜管直径为φ９.５２ｍｍ左右，后来细化成φ７．０ｍｍ，这种细管径的换热器，由于管与管之间距离缩小，使得肋片效率提高、传热有效面积增加、空气流过时的流动阻力减小，强化传热。１９９５年以后，一些家用空调器管径进一步细化成φ６ｍｍ，甚至φ５ｍｍ，传热效率又进一步提高。
１９８０年初，我国最早应用内螺纹管时的齿型为锯齿形（或称山齿形、三角形）；
１９８４年开始应用传热效率较高的梯形槽内螺纹管；
１９９４年出现了深槽即底壁厚较薄的梯形槽内螺纹管；
１９９７年，有人开发了人字齿槽（也叫Ｗ形槽）的内螺纹管；
２００２年又开发出在螺旋齿顶部有二次槽的交叉形内螺纹管，即细微二次槽内螺纹管，可简称为交叉齿内螺纹管（如下图所示）。
普通齿主要指：单旋梯形槽内螺纹管、锯齿形（或称山齿形、三角形）的内螺纹管。
非普通齿主要指：人字齿槽、交叉齿槽的内螺纹管。
1、二者应用区别。
通常情况下，人字齿槽、交叉齿槽内螺纹管的传热效率大于普通的单旋梯形槽内螺纹管，尤其是当制冷剂为混合工质时，采用人字齿槽、交叉齿槽的内螺纹管优势最为明显。
2、人字齿槽内螺纹管最适合Ｒ４０７Ｃ制冷剂。
这是因为：Ｒ４０７Ｃ是由３种非共沸制冷剂混合而成，在普通单旋槽内螺纹管（特别是光管）内流动时容易分层，而在人字齿槽（Ｗ形槽）内流动时，呈两方向紊流，使３种混合工质得到充分混合，气液转换同时进行，有效避免因分层所带来的传热效率降低。Ｒ４０７Ｃ虽然在交叉齿槽的内螺纹管内也能够得到充分混合，但由于交叉齿槽内螺纹管压降损失较大，故Ｒ４０７Ｃ制冷剂产品应用人字齿槽内螺纹管较好。
3、交叉齿槽的内螺纹管最适合Ｒ４１０Ａ制冷剂。
Ｒ４１０Ａ制冷剂产品由于系统压力较高，在高流速下可以克服交叉齿槽内螺纹管压降损失增加所带来的负面影响，而发挥交叉齿槽内螺纹管内表面积比人字齿槽内螺纹管大的优势，故Ｒ４１０Ａ制冷剂产品应用交叉齿槽内螺纹管较好。
4、非普通齿内螺纹管应用限制因素。
尽管人字齿槽与交叉齿槽比普通的单旋梯形槽内螺纹管具有上述优势，但因人字齿槽与交叉齿槽内螺纹管对材料要求高，生产成本较高，目前其应用没有普通单旋梯形槽内螺纹管普及。对每一个不同齿型的内螺纹管来说，又有其不同的齿形参数为之构成，而且组合方式较多，所设计的齿形及几何参数不同对内螺纹管的传热性能影响较大。
5、内螺纹管设计考虑3大因素。
工程师经过研究认为，内螺纹管齿形及几何参数的组合与优化设计应当综合考虑几何尺寸、换热效率和加工工艺性３方面的因素，这样才能使内螺纹管的传热性能得到充分提高。
内螺纹管齿形参数除直径（即外径）Ｄ，内径ｄ和齿形外，还有底壁厚ＴＷ（ｍｍ），齿高Ｈｆ（ｍｍ），齿数（即螺纹数）ｎ，螺旋角β，齿顶角α和槽底宽Ｗ等（如下图所示），
１、底壁厚
近２０年来，内螺纹管的底壁厚呈不断减薄趋势，目前内螺纹管底壁厚一般在０．２５～０．３ｍｍ范围内，底壁厚越薄传热效果越好，但底壁厚过薄会削弱管材的强度以及齿的稳定性，不仅不利于后道工序的Ｕ形弯管质量与焊接质量，而且同样也会因齿的稳定性差，影响传热效果。
２、齿高
齿高是影响传热的重要因素，增加齿高会使内表面换热面积和刺破液膜能力增加，内螺纹管传热效果增强，但齿高的增大受加工技术的限制。目前内螺纹管齿高一般在０．１～０．２５ｍｍ范围内。
３、螺旋角
螺旋角的存在是为了使流体旋转，使管道中流体产生与径向不同的二次流，增加湍流的强度，从而使对流换热得到加强，换热系数随之增加，所以螺旋角增大能增强换热系数，但随着螺旋角的增大，压力损失也随之增加，故螺旋角也不是越大越好，而是有一个合理的范围。目前内螺纹管的螺旋角通常处于１０°～２５°范围内。
根据试验结果显示：在此范围内，蒸发管的螺旋角小一些较好，冷凝管的螺旋角大一些较好。另外，螺旋角与外径之间存在相互制约的关系，当直径较小时，制冷剂的流动阻力较大，则螺纹角应取小值；当直径较大时，制冷剂的流动阻力较小，则螺纹角应取大值。
４、齿顶角
齿顶角小，有利于增加内表面换热面积，减薄冷凝传热的液膜厚度，增加蒸发传热的汽化核心，但齿顶角过小，则内螺纹管齿的抗胀管强度过小，齿高在胀管后被压低的程度及齿型的变形量增加会引起传热效率减低，因此在保证齿的抗胀管强度的前提下，内螺纹管的齿顶角尽可能小些，目前一般在４０°～６０°之间。
５、齿数
增加齿数即螺纹条数能够增加汽化核心的数目，有利于沸腾换热举措，增加内表面换热面积。但是齿数增加过多，会使齿间距过小，反而减弱了管内流体的被搅拌强度，且加大了齿间液膜厚度，增大了热阻，而降低了换热能力，使得螺纹管的换热效率趋近于光管，故齿数应控制在一定的范围内为宜。目前内螺纹管的齿数一般在５０～７０条之间，其中：当内螺纹管用于制作蒸发器时，齿数一般在５０～６０条之间；当内螺纹管用于制作冷凝器时，齿数一般在６０～７０条之间。此外，当管径较小时，取小值；当管径较大时，取大值。
６、槽底宽
槽底宽尺寸大有利于传热，但槽底宽尺寸过大，胀管后齿高被压低的程度及齿型的变形量增加，传热效率将降低，因此在保证抗胀管强度的前提下，槽底宽大些好。
７、润周长
增加润周长可以增加汽化核心数，使蒸发传热效率显著提高。因此，对于蒸发器用管，管内横截面润周长越大越好。润周长的增加，可以通过增加齿高和减少齿顶角来实现。
８）蓄液面积
对于冷凝管，增加蓄液面积可显著增加冷凝传热效果，目前蓄液面积不断向增大方向发展，蓄液面积增加可通过增加齿高来实现。以上内螺纹管齿形参数中：直径、齿形、底壁厚、齿高、齿数、螺旋角、齿顶角是内螺纹管的主要齿形参数。主要齿形参数确定了，则槽底宽、润周长、蓄液面积等参数也就确定了。
四、关于内螺纹管设计试验结果分析
为研制出高能效比、低成本的空调产品，工程师在分析不同齿形参数内螺纹管对空调换热器传热性能具有不同影响的基础上，对原所用螺纹管的一些齿形参数进行优化调整试验。他在原有所用外径为φ９ｍｍ的内螺纹管Ａ的基础上，分阶段设计、制作了外径相同（φ９ｍｍ），管内齿形参数不同的５种（Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）内螺纹管及换热器，分别替代ＲＦ２８Ｗ空调机产品上原有用Ａ型内螺纹管制作的换热器。在相同的试验工况下，逐一进行整机性能测试，各内螺纹管齿形参数及试验结果见下表。
实验结果分析如下：
1、根据分析，原来的Ａ型管齿数７０条偏多，改为６０条后，空调机的能效比由原来的２．７７提高到了２．９１，上升了５．１％。
这表明：尽管齿数多有利于增加内表面换热面积和汽化核心的数目，有利于沸腾换热，但如果过多，则会使齿间距及槽底宽度过小，反而降低了管内流体被搅拌的强度，加大了齿间液膜厚度，增大了热阻，降低了换热能力，故齿数应控制在一定的范围内为宜。
2、Ｃ型管是在Ｂ型管的基础上，将螺旋角由１８°增加到２４°，但结果发现能效比并没有提高，反而在Ｂ型管的基础上降低了６．９％。
这是因为螺旋角大虽然有利于增强换热系数，但随着螺旋角的继续增大，会导致阻力及压力损失也随之增加，故螺旋角不是越大越好，而是应有一个合理的值，过大反而会降低换热性能。
3、Ｄ型管是在Ｂ型管的基础上，将齿顶角由５６°降低到５０°，结果发现：其空调机的能效比比Ｂ型管提高了３．８％。
这是由于减小齿顶角有助于增加内表面换热面积，减薄冷凝传热的液膜厚度，增加蒸发传热的汽化核心及稳定性。当然齿顶角也不能过小，否则，内螺纹管齿的抗胀管强度过小，会引起螺纹齿的倒齿程度增加。
４、Ｅ型管是在Ｄ型管的基础上，将齿高由０．１８ｍｍ增加到０．２２ｍｍ。
但经装机测试发现，增加齿高后，其相应的空调机能效比并没有提高，反而降低了－４．３％。这是因为增加齿高后，齿的稳定性及抗倒齿能力下降，内螺纹管经胀管工序后齿的变形严重，换热效果和能效比降低。
５、Ｆ型管是在Ｅ型管的基础上，将齿高由０．２２ｍｍ降低到０．１４ｍｍ，测试结果发现：不仅相应的空调机能效比比原来的Ａ型管增加了１０．８％（比Ｄ型管增加了１．７％）。
而且内螺纹管单位长度质量由原先的８８ｇ／ｍ下降到了８１ｇ／ｍ，使得该空调的内螺纹管材料成本下降了近８％。这是因为齿高适当降低后，齿的稳定性提高、倒齿程度降低，抵消了因齿高降低后刺破液膜能力下降所带来的一些影响。
６、须要说明的是，尽管从理论上讲降低底壁厚可以提高传热效果、降低内螺纹管的材料成本，但考虑到内螺纹管Ｕ形弯曲后，其弯曲部位外侧的壁厚将有所减薄，减薄量的大小受诸多因素的影响。
例如：若内螺纹管抗拉强度过高及铜管过硬、延伸率过低，则减薄量将增大，其Ｕ形管弯曲部位外侧易产生裂纹；如内螺纹铜管抗拉强度偏低及铜管偏软，若底壁厚较小时，内螺纹管胀管后齿的稳定性将会大大下降，齿的倒齿程度将增加。因此，从确保空调机使用的可靠性、耐久性即产品质量角度考虑，暂没有进行底壁厚减薄试验。
1、通过实验，我们认为增加换热面积并不会无限地提高换热系数，螺纹铜管内表面积在增大到一定程度后，对换热系数的提高就要通过其他参数的影响予以实现。
2、合理优化齿形参数比单独增大换热面积对换热性能的影响更具有实际意义。
3、由于蒸发、冷凝换热机制不同，多个参数对换热系数的影响和效果是相互制约的，这就须从强化换热机制出发，通过科学理论的指导与详细的试验验证对管型参数进行优化设计，从中找到蒸发、冷凝换热性能都表现优良的管型参数。
4、通过对内螺纹管齿形参数进行优化设计，不仅可大幅度地增加制冷剂的换热系数及传热管管内的传热性能，提高空调整机的性能及能效比，降低能源消耗，而且可大大减少内螺纹管单位长度的质量，降低空调产品的生产成本。