一种换热器、空调以及换热器设计方法与流程

本发明属于换热器技术领域，具体地说，是涉及一种换热器、空调以及换热器设计方法。

背景技术：

目前的空调，普遍采用管翅式内螺纹铜管换热器。内螺纹铜管是一种内壁加工成螺纹状（内壁具有凸起的齿）的铜管，和内壁光滑的铜管相比，由于铜管内壁加工成螺纹状，一是可以增大换热面积，二是促进了流体边界层湍流度，从而提高了换热效率。

但是内螺纹管齿高过高又会导致冷媒流动阻力增加、功耗增大，如何利用内螺纹管的优点设计换热器，使换热器具有较高的换热效率的同时减小冷媒流动阻力是一个急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种换热器，具有较高的换热效率、且冷媒流动阻力较低。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案予以实现：

一种换热器，包括气管、液管以及连接在两者之间的多个内螺纹管；所述多个内螺纹管分为至少两类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管，所述第一类内螺纹管的齿高小于第二类内螺纹管的齿高；从气管进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管、第二类内螺纹管。

进一步的，所述多个内螺纹管分为两类。

更进一步的，当内螺纹管的总数量N为偶数时，所述第一类内螺纹管的数量为N/2，所述第二类内螺纹管的数量为N/2；当内螺纹管的总数量N为奇数时，所述第一类内螺纹管的数量为（N+1）/2或（N-1）/2，所述第二类内螺纹管的数量为（N-1）/2或（N+1）/2。

再进一步的，所述多个内螺纹管分为三类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管，第一类内螺纹管的齿高＜第二类内螺纹管的齿高＜第三类内螺纹管的齿高；从气管进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管。

优选的，根据压焓图确定第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管的数量，使得冷媒流经第一类内螺纹管时为气态、流经第二类内螺纹管时为气液混合态、流经第三类内螺纹管时为液态。

进一步的，所述内螺纹管均为U形发卡管。

本发明还提出了一种空调，包括所述的换热器，所述换热器包括气管、液管以及连接在两者之间的多个内螺纹管；所述多个内螺纹管分为至少两类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管，所述第一类内螺纹管的齿高小于第二类内螺纹管的齿高；从气管进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管、第二类内螺纹管。

本发明还提出了一种换热器设计方法，所述换热器包括气管、液管以及连接在两者之间的多个内螺纹管；所述多个内螺纹管分为三类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管，第一类内螺纹管的齿高＜第二类内螺纹管的齿高＜第三类内螺纹管的齿高；从气管进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管；

所述方法包括下述步骤：

（1）预设三类内螺纹管的数量；

（2）根据三类内螺管的数量装配换热器；

（3）判断换热器的三类内螺纹管内的冷媒状态是否对应压焓图上的相应区段；

若否，则重新设计三类内螺管的数量，返回步骤（2）。

进一步的，所述判断换热器的三类内螺纹管内的冷媒状态是否对应压焓图上的相应区段，具体包括：

获取所有内螺纹管的外壁温度；

判断第一类内螺纹管的外壁温度是否满足第一设定温度范围、第二类内螺纹管的外壁温度是否满足第二设定温度范围、第三类内螺纹管的外壁温度是否满足第三设定温度范围。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的换热器，将多个内螺纹管分为至少两类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管，第一类内螺纹管的齿高小于第二类内螺纹管的齿高，使得气态冷媒在齿高较小的内螺纹管内流动，液态冷媒在齿高较大的内螺纹管内流动，从而使得换热器具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力；通过在空调中设计所述的换热器，使得空调具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力；本发明的换热器设计方法，设计出具有合适数量的第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管，从而保证冷媒在第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管内流动时，换热器具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其它特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的换热器的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明所提出的换热器的另一个实施例的结构示意图；

图3是本发明所提出的换热器内的冷媒的压焓图；

图4是本发明所提出的换热器设计方法的一个实施例的流程图。

附图标记：

1、气管；2、液管；

A、第一类内螺纹管；B、第二类内螺纹管；C、第三类内螺纹管。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例一、本实施例的换热器，主要包括气管1、液管2以及连接在两者之间的多个内螺纹管，每个内螺纹管的内壁上具有凸起的齿，多个内螺纹管分为至少两类：第一类内螺纹管、第二类内螺纹管，第一类内螺纹管的齿高小于第二类内螺纹管的齿高；从气管1进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管、第二类内螺纹管。

为了便于换热器的加工装配，提高生产效率，易于控制，在本实施例中，换热器的所有内螺纹管分为两类：第一类内螺纹管A和第二类内螺纹管B，第一类内螺纹管A的齿高小于第二类内螺纹管B的齿高，参见图1所示。

当换热器作为冷凝器使用时，冷媒经气管1进入第一类内螺纹管A，经第一类内螺纹管A流入第二类内螺纹管B，然后从液管2流出；即冷媒先流经齿高较小的第一类内螺纹管A，然后再流经齿高较大第二类内螺纹管B。冷媒在刚进入冷凝器时，为气态，流速较高、温度较高，换热系数较大，由于气态冷媒流速较大，齿高对流动阻力的影响较大，即齿高对流动阻力的影响要大于对热交换效率的影响，因此，将第一类内螺纹管A的齿高设计得较小，使得冷媒的流动阻力小，由于冷媒流速较大，换热系数依然较大，所以在减小流动阻力的同时仍能保证较高的换热效率；随着冷媒的流动以及热交换的进行，在冷媒进入第二类内螺纹管B时，冷媒大部分为液态，液态冷媒流速较低，齿高对流动阻力的影响较小，适当增加齿高不会产生较大的流动阻力，即此时齿高对流动阻力的影响小于对热交换效率的影响，因此，将第二类内螺纹管B的齿高设计得较大，保证较高的换热效率。

当换热器作为蒸发器使用时，冷媒经液管2进入第二类内螺纹管B，经第二类内螺纹管B流入第一类内螺纹管A，然后从气管1流出；即冷媒先流经齿高较大第二类内螺纹管B，然后再流经齿高较小的第一类内螺纹管A。冷媒在刚进入蒸发器时，为液态，流速较低、温度较低，换热系数较低，由于液态冷媒流速较小，齿高对流动阻力的影响较小，即齿高对流动阻力的影响要小于对热交换效率的影响，适当增加齿高不会产生较大的流动阻力，因此，将第二类内螺纹管B的齿高设计得较大，保证较高的换热效率；随着冷媒的流动以及热交换的进行，在冷媒进入第一类内螺纹管A时，冷媒大部分为气态，气态冷媒流速较高、温度较高，齿高对流动阻力的影响较大，即齿高对流动阻力的影响要大于对热交换效率的影响，因此，将第一类内螺纹管A的齿高设计得较小，使得冷媒的流动阻力小、但是由于冷媒流速较大，换热系数依然较大，减小流动阻力的同时仍能保证较高的换热效率。

无论是制冷还是制热，本实施例的换热器，都是让气态冷媒在齿高较小的内螺纹管内流动，液态冷媒在齿高较大的内螺纹管内流动，从而起到强化换热、提高换热效率的作用，使得换热器在减小了流动阻力的同时仍具有较高的换热效率。

在本实施例中，第一类内螺纹管A的数量与第二类内螺纹管B的数量基本相同，以进一步便于换热器的加工装配，提高换热器的生产效率，便于控制。

当内螺纹管的总数量N为偶数时，第一类内螺纹管A的数量为N/2，第二类内螺纹管B的数量为N/2；当内螺纹管的总数量N为奇数时，第一类内螺纹管A的数量为（N+1）/2或（N—1）/2，第二类内螺纹管B的数量为（N—1）/2或（N+1）/2；以便于换热器的加工装配，提高换热器的生产效率。

例如，当换热器为单排，采用外径为7mm的内螺纹管时，存在内螺纹齿高为0.18mm和0.10mm的两种齿高形式的内螺纹管时。根据本方案的设计，当总的内螺纹管数量为10根时，0.18mm齿高的内螺纹管（第二类内螺纹管）设计为5根，0.10mm齿高的内螺纹管（第一类内螺纹管）设计为5根；当总的内螺纹管数量为9根时，0.18mm齿高的内螺纹管（第二类内螺纹管）设为4根或5根，对应的，0.10mm齿高的内螺纹管（第一类内螺纹管）设计为5根或4根。以此进行流路设计和优化。

在本实施例中，所有的内螺纹管均采用U形发卡管，便于装配。

基于上述换热器的设计，本实施例还提出了一种空调，包括所述的换热器。

通过在空调中设计所述的换热器，使得空调具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力，具有较好的换热效果，提高了用户的使用体验，提高了空调的市场竞争力。

实施例二、本实施例的换热器，主要包括气管1、液管2以及连接在两者之间的多个内螺纹管，每个内螺纹管的内壁上具有凸起的齿，多个内螺纹管分为三类：第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C，第一类内螺纹管A的齿高＜第二类内螺纹管B的齿高＜第三类内螺纹管C的齿高；从气管1进入的冷媒顺次流经第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C，参见图2所示。

当换热器作为冷凝器使用时，冷媒经气管1进入第一类内螺纹管A，经第一类内螺纹管A流入第二类内螺纹管B，然后流入第三类内螺纹管C，最后从液管2流出；即冷媒先流经齿高最小的第一类内螺纹管A，然后再流经齿高较大第二类内螺纹管B，然后再流经齿高最大的第三类内螺纹管C。冷媒在刚进入冷凝器时，为气态，流速较高、温度较高，换热系数较大，由于气态冷媒流速较大，齿高对流动阻力的影响较大，即齿高对流动阻力的影响要大于对热交换效率的影响，因此，将第一类内螺纹管A的齿高设计得较小，使得冷媒的流动阻力小、但是由于冷媒流速较大，换热系数依然较大，仍能保证较高的换热效率；随着冷媒的流动以及热交换的进行，冷媒由气态逐渐转换为气液混合态，流入第二类内螺纹管B，此时冷媒的流速有所减小、温度有所下降，齿高对流动阻力和热交换效率的影响力相差不大，因此，将第二类内螺纹管B的齿高设计得比第一类内螺纹管A大，从而保证较高的换热效率；随着冷媒的流动以及热交换的进行，在冷媒进入第三类内螺纹管C时，冷媒大部分为液态，液态冷媒流速较低，齿高对流动阻力影响较小，适当增加齿高不会产生较大的流动阻力，即此时齿高对流动阻力的影响小于对热交换效率的影响，因此，将第三类内螺纹管C的齿高设计得最大，保证较高的换热效率。

当换热器作为蒸发器使用时，冷媒经液管2进入第三类内螺纹管C，经第三类内螺纹管C流入第二类内螺纹管B，然后流入第一类内螺纹管A，最后从气管1流出；即冷媒先流经齿高最大第三类内螺纹管C，然后再流经齿高较大的第二类内螺纹管B，然后再流经齿高最小的第一类内螺纹管A。冷媒在刚进入蒸发器时，为液态，流速较低、温度较低，换热系数较低，由于液态冷媒流速较小，齿高对流动阻力的影响较小，即齿高对流动阻力的影响要小于对热交换效率的影响，适当增加齿高不会产生较大的流动阻力，因此，将第三类内螺纹管C的齿高设计得最大，保证较高的换热效率；随着冷媒的流动以及热交换的进行，冷媒由液态逐渐转换为气液混合态，流入第二类内螺纹管B，此时冷媒的流速有所增大，温度有所上升，齿高对流动阻力和热交换效率的影响力相差不大，因此将第二类内螺纹管B的齿高设计得比第三类内螺纹管C小，从而保证较高的换热效率的同时减小了流动阻力；随着冷媒的流动以及热交换的进行，在冷媒进入第一类内螺纹管A时，冷媒大部分为气态，气态冷媒流速较高、温度较高，齿高对流动阻力的影响较大，即齿高对流动阻力的影响要大于对热交换效率的影响，因此，将第一类内螺纹管A的齿高设计得最小，使得冷媒的流动阻力小、仍能保证较高的换热效率和减小流动阻力。

无论是制冷还是制热，本实施例的换热器，都是让气态冷媒在齿高较小的内螺纹管内流动，气液混合态冷媒在齿高较大的内螺纹管内流动，液态冷媒在齿高最大的内螺纹管内流动，从而起到强化换热、提高换热效率的作用，使得换热器具有较高的换热效率。

在本实施例中，根据如图3所示的压焓图确定第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C的数量，使得冷媒流经第一类内螺纹管A时为气态、流经第二类内螺纹管B时为气液混合态、流经第三类内螺纹管C时为液态，从而保证冷媒在第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C内流动时，换热器具有较高的换热效率和较小的冷媒流动阻力。

图3为制冷循环的压焓图，换热器设计按照测试的额定状态作为冷凝器使用时，冷媒处于2-3状态时（冷媒为气态），采用第一类内螺纹管A；冷媒处于3-4状态时（冷媒为气液混合态），采用第二类内螺纹管B；冷媒在4-5状态时（冷媒为液态），采用第三类内螺纹管C。

在本实施例中，所有的内螺纹管均采用U形发卡管，便于装配。

基于上述换热器的设计，本实施例还提出了一种空调，包括所述的换热器。

通过在空调中设计所述的换热器，使得空调具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力，具有较好的换热效果，提高了用户的使用体验，提高了空调的市场竞争力。

基于上述换热器的设计，本实施例还提出了一种换热器设计方法，具体包括下述步骤，参见图4所示。

步骤S1：预设三类内螺纹管的数量。

根据理论经验或者计算仿真等方法对第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C的数量进行预估。

步骤S2：根据三类内螺管的数量装配换热器。

根据上一步骤预估的第一类内螺纹管A、第二类内螺纹管B、第三类内螺纹管C的数量，装配成换热器。

步骤S3：判断换热器的三类内螺纹管内的冷媒状态是否对应压焓图上的相应区段。

在该步骤中，首先获取所有内螺纹管的外壁温度；然后判断第一类内螺纹管的外壁温度是否满足第一设定温度范围、第二类内螺纹管的外壁温度是否满足第二设定温度范围、第三类内螺纹管的外壁温度是否满足第三设定温度范围。

第一设定温度范围、第二设定温度范围、第三设定温度范围需要根据具体的冷媒类型、设计工况和条件进行设定。优选的，选用额定制冷或额定制热的工况和要求进行设计。

在冷媒的流动方向上，对于冷凝器来说，管壁温度呈现先降低，中间保持不变，最后再降低的趋势，这三段温度变化区域分别对应着三种不同的内螺纹管A、B和C。换热器根据要求的工况和测试条件进行测试和设计，优选的选用额定制冷或额定制热的工况和条件。

如果对应，说明第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管的数量合适，达到了预期的设计效果，退出流程。

如果不对应，说明这三类内螺纹管的数量需要进一步优化，执行步骤S4。

例如，参见图3所述的制冷循环压焓图，换热器作为冷凝器使用时，如果第一类内螺纹管A的外壁温度满足第一设定温度范围，则第一类内螺纹管A内的冷媒状态对应压焓图上的2-3区段（冷媒为气态）；如果第二类内螺纹管B的外壁温度满足第二设定温度范围，则第二类内螺纹管B内的冷媒状态对应压焓图上的3-4区段（冷媒为气液混合态）；如果第三类内螺纹管C的外壁温度满足第三设定温度范围，则第三类内螺纹管C内的冷媒状态对应压焓图上的4-5区段（冷媒为液态）。

步骤S4：重新设计三类内螺管的数量。

重新设计第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管的数量，返回步骤S2。

本实施例的换热器设计方法，预设三类内螺纹管的数量，根据三类内螺管的数量装配换热器，判断换热器内的三类内螺纹管内的冷媒状态是否对应压焓图的相应区段，若否，则重新设计三类内螺纹管的数量，重新进行判断，直至换热器内的冷媒状态满足压焓图；因此，本实施例的换热器设计方法，设计出具有合适数量的第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管，从而保证冷媒在第一类内螺纹管、第二类内螺纹管、第三类内螺纹管内流动时，换热器具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力。

例如，当换热器为单排，采用外径为7mm的内螺纹管时，存在内螺纹齿高为0.18mm、0.14mm、 0.10mm的三种齿高形式的内螺纹管时，采用步骤S1至S4，设计出合适数量的三种内螺纹管，使得换热器具有较高的换热效率的同时减小了冷媒流动阻力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。