為達(dá)到提高空調(diào)的能效比、實(shí)現(xiàn)空調(diào)節(jié)能的目的，***直接的技術(shù)途徑就是提高空調(diào)換熱器（蒸發(fā)器和冷凝器）的傳熱性能。而控制空調(diào)產(chǎn)品的成本，***有效的技術(shù)措施就是研究并運(yùn)用傳熱強(qiáng)化技術(shù)，提高換熱器單位面積的傳熱量，控制其體積和質(zhì)量，節(jié)省材料，提高換熱系數(shù)。

一、首先來看下內(nèi)螺紋管的管徑選擇

換熱器的傳熱效率及空調(diào)性價(jià)比的高低與內(nèi)螺紋管管徑、齒形幾何參數(shù)的正確選擇有著極大的關(guān)系。

一開始的銅管直徑為φ９.５２ｍｍ左右，后來細(xì)化成φ７．０ｍｍ，這種細(xì)管徑的換熱器，由于管與管之間距離縮小，使得肋片效率提高、傳熱有效面積增加、空氣流過時(shí)的流動(dòng)阻力減小，強(qiáng)化傳熱。１９９５年以后，一些家用空調(diào)器管徑進(jìn)一步細(xì)化成φ６ｍｍ，甚至φ５ｍｍ，傳熱效率又進(jìn)一步提高。

內(nèi)螺紋管齒形參數(shù)分析研究

1.內(nèi)螺紋管發(fā)展     

１９８０年初，我國(guó)***早應(yīng)用內(nèi)螺紋管時(shí)的齒型為鋸齒形（或稱山齒形、三角形）；

１９８４年開始應(yīng)用傳熱效率較高的梯形槽內(nèi)螺紋管；

１９９４年出現(xiàn)了深槽即底壁厚較薄的梯形槽內(nèi)螺紋管；

１９９７年，有人開發(fā)了人字齒槽（也叫Ｗ形槽）的內(nèi)螺紋管；

２００２年又開發(fā)出在螺旋齒頂部有二次槽的交叉形內(nèi)螺紋管，即細(xì)微二次槽內(nèi)螺紋管，可簡(jiǎn)稱為交叉齒內(nèi)螺紋管。

二、“普通齒”和“非普通齒”內(nèi)螺紋管 

普通齒主要指：?jiǎn)涡菪尾蹆?nèi)螺紋管、鋸齒形（或稱山齒形、三角形）的內(nèi)螺紋管。

非普通齒主要指：人字齒槽、交叉齒槽的內(nèi)螺紋管。

1、二者應(yīng)用區(qū)別。

通常情況下，人字齒槽、交叉齒槽內(nèi)螺紋管的傳熱效率大于普通的單旋梯形槽內(nèi)螺紋管，尤其是當(dāng)制冷劑為混合工質(zhì)時(shí)，采用人字齒槽、交叉齒槽的內(nèi)螺紋管優(yōu)勢(shì)***為明顯。

2、人字齒槽內(nèi)螺紋管***適合Ｒ４０７Ｃ制冷劑。

這是因?yàn)椋海遥矗埃罚檬怯桑撤N非共沸制冷劑混合而成，在普通單旋槽內(nèi)螺紋管（特別是光管）內(nèi)流動(dòng)時(shí)容易分層，而在人字齒槽（Ｗ形槽）內(nèi)流動(dòng)時(shí)，呈兩方向紊流，使３種混合工質(zhì)得到充分混合，氣液轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行，有效避免因分層所帶來的傳熱效率降低。Ｒ４０７Ｃ雖然在交叉齒槽的內(nèi)螺紋管內(nèi)也能夠得到充分混合，但由于交叉齒槽內(nèi)螺紋管壓降損失較大，故Ｒ４０７Ｃ制冷劑產(chǎn)品應(yīng)用人字齒槽內(nèi)螺紋管較好。

3、交叉齒槽的內(nèi)螺紋管***適合Ｒ４１０Ａ制冷劑。

Ｒ４１０Ａ制冷劑產(chǎn)品由于系統(tǒng)壓力較高，在高流速下可以克服交叉齒槽內(nèi)螺紋管壓降損失增加所帶來的負(fù)面影響，而發(fā)揮交叉齒槽內(nèi)螺紋管內(nèi)表面積比人字齒槽內(nèi)螺紋管大的優(yōu)勢(shì)，故Ｒ４１０Ａ制冷劑產(chǎn)品應(yīng)用交叉齒槽內(nèi)螺紋管較好。

4、非普通齒內(nèi)螺紋管應(yīng)用***因素。

 盡管人字齒槽與交叉齒槽比普通的單旋梯形槽內(nèi)螺紋管具有上述優(yōu)勢(shì)，但因人字齒槽與交叉齒槽內(nèi)螺紋管對(duì)材料要求高，生產(chǎn)成本較高，目前其應(yīng)用沒有普通單旋梯形槽內(nèi)螺紋管普及。對(duì)每一個(gè)不同齒型的內(nèi)螺紋管來說，又有其不同的齒形參數(shù)為之構(gòu)成，而且組合方式較多，所設(shè)計(jì)的齒形及幾何參數(shù)不同對(duì)內(nèi)螺紋管的傳熱性能影響較大。

5、內(nèi)螺紋管設(shè)計(jì)考慮3大因素。

工程師經(jīng)過研究認(rèn)為，內(nèi)螺紋管齒形及幾何參數(shù)的組合與優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)綜合考慮幾何尺寸、換熱效率和加工工藝性３方面的因素，這樣才能使內(nèi)螺紋管的傳熱性能得到充分提高。

內(nèi)螺紋管齒形參數(shù)除直徑（即外徑）Ｄ，內(nèi)徑ｄ和齒形外，還有底壁厚ＴＷ（ｍｍ），齒高Ｈｆ（ｍｍ），齒數(shù)（即螺紋數(shù)）ｎ，螺旋角β，齒頂角α和槽底寬Ｗ等（如下圖所示）=

三、內(nèi)螺紋管齒形8大設(shè)計(jì)因素

１、底壁厚

近２０年來，內(nèi)螺紋管的底壁厚呈不斷減薄趨勢(shì)，目前內(nèi)螺紋管底壁厚一般在０．２５～０．３ｍｍ范圍內(nèi)，底壁厚越薄傳熱效果越好，但底壁厚過薄會(huì)削弱管材的強(qiáng)度以及齒的穩(wěn)定性，不僅不利于后道工序的Ｕ形彎管質(zhì)量與焊接質(zhì)量，而且同樣也會(huì)因齒的穩(wěn)定性差，影響傳熱效果。

２、齒高

齒高是影響傳熱的重要因素，增加齒高會(huì)使內(nèi)表面換熱面積和刺破液膜能力增加，內(nèi)螺紋管傳熱效果增強(qiáng)，但齒高的增大受加工技術(shù)的***。目前內(nèi)螺紋管齒高一般在０．１～０．２５ｍｍ范圍內(nèi)。

３、螺旋角

螺旋角的存在是為了使流體旋轉(zhuǎn)，使管道中流體產(chǎn)生與徑向不同的二次流，增加湍流的強(qiáng)度，從而使對(duì)流換熱得到加強(qiáng)，換熱系數(shù)隨之增加，所以螺旋角增大能增強(qiáng)換熱系數(shù)，但隨著螺旋角的增大，壓力損失也隨之增加，故螺旋角也不是越大越好，而是有一個(gè)合理的范圍。目前內(nèi)螺紋管的螺旋角通常處于１０°～２５°范圍內(nèi)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示：在此范圍內(nèi)，蒸發(fā)管的螺旋角小一些較好，冷凝管的螺旋角大一些較好。另外，螺旋角與外徑之間存在相互制約的關(guān)系，當(dāng)直徑較小時(shí)，制冷劑的流動(dòng)阻力較大，則螺紋角應(yīng)取小值；當(dāng)直徑較大時(shí)，制冷劑的流動(dòng)阻力較小，則螺紋角應(yīng)取大值。

４、齒頂角

齒頂角小，有利于增加內(nèi)表面換熱面積，減薄冷凝傳熱的液膜厚度，增加蒸發(fā)傳熱的汽化核心，但齒頂角過小，則內(nèi)螺紋管齒的抗脹管強(qiáng)度過小，齒高在脹管后被壓低的程度及齒型的變形量增加會(huì)引起傳熱效率減低，因此在保證齒的抗脹管強(qiáng)度的前提下，內(nèi)螺紋管的齒頂角盡可能小些，目前一般在４０°～６０°之間。

５、齒數(shù)

增加齒數(shù)即螺紋條數(shù)能夠增加汽化核心的數(shù)目，有利于沸騰換熱舉措，增加內(nèi)表面換熱面積。但是齒數(shù)增加過多，會(huì)使齒間距過小，反而減弱了管內(nèi)流體的被攪拌強(qiáng)度，且加大了齒間液膜厚度，增大了熱阻，而降低了換熱能力，使得螺紋管的換熱效率趨近于光管，故齒數(shù)應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)為宜。目前內(nèi)螺紋管的齒數(shù)一般在５０～７０條之間，其中：當(dāng)內(nèi)螺紋管用于制作蒸發(fā)器時(shí)，齒數(shù)一般在５０～６０條之間；當(dāng)內(nèi)螺紋管用于制作冷凝器時(shí)，齒數(shù)一般在６０～７０條之間。此外，當(dāng)管徑較小時(shí)，取小值；當(dāng)管徑較大時(shí)，取大值。

６、槽底寬

槽底寬尺寸大有利于傳熱，但槽底寬尺寸過大，脹管后齒高被壓低的程度及齒型的變形量增加，傳熱效率將降低，因此在保證抗脹管強(qiáng)度的前提下，槽底寬大些好。

７、潤(rùn)周長(zhǎng)

增加潤(rùn)周長(zhǎng)可以增加汽化核心數(shù)，使蒸發(fā)傳熱效率顯著提高。因此，對(duì)于蒸發(fā)器用管，管內(nèi)橫截面潤(rùn)周長(zhǎng)越大越好。潤(rùn)周長(zhǎng)的增加，可以通過增加齒高和減少齒頂角來實(shí)現(xiàn)。

８）蓄液面積

對(duì)于冷凝管，增加蓄液面積可顯著增加冷凝傳熱效果，目前蓄液面積不斷向增大方向發(fā)展，蓄液面積增加可通過增加齒高來實(shí)現(xiàn)。以上內(nèi)螺紋管齒形參數(shù)中：直徑、齒形、底壁厚、齒高、齒數(shù)、螺旋角、齒頂角是內(nèi)螺紋管的主要齒形參數(shù)。主要齒形參數(shù)確定了，則槽底寬、潤(rùn)周長(zhǎng)、蓄液面積等參數(shù)也就確定了。

四、關(guān)于內(nèi)螺紋管設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果分析 

為研制出高能效比、低成本的空調(diào)產(chǎn)品，工程師在分析不同齒形參數(shù)內(nèi)螺紋管對(duì)空調(diào)換熱器傳熱性能具有不同影響的基礎(chǔ)上，對(duì)原所用螺紋管的一些齒形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。他在原有所用外徑為φ９ｍｍ的內(nèi)螺紋管Ａ的基礎(chǔ)上，分階段設(shè)計(jì)、制作了外徑相同（φ９ｍｍ），管內(nèi)齒形參數(shù)不同的５種（Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）內(nèi)螺紋管及換熱器，分別替代ＲＦ２８Ｗ空調(diào)機(jī)產(chǎn)品上原有用Ａ型內(nèi)螺紋管制作的換熱器。在相同的試驗(yàn)工況下，逐一進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試，各內(nèi)螺紋管齒形參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果見下表。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1、根據(jù)分析，原來的Ａ型管齒數(shù)７０條偏多，改為６０條后，空調(diào)機(jī)的能效比由原來的２．７７提高到了２．９１，上升了５．１％。

這表明：盡管齒數(shù)多有利于增加內(nèi)表面換熱面積和汽化核心的數(shù)目，有利于沸騰換熱，但如果過多，則會(huì)使齒間距及槽底寬度過小，反而降低了管內(nèi)流體被攪拌的強(qiáng)度，加大了齒間液膜厚度，增大了熱阻，降低了換熱能力，故齒數(shù)應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)為宜。

2、Ｃ型管是在Ｂ型管的基礎(chǔ)上，將螺旋角由１８°增加到２４°，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)能效比并沒有提高，反而在Ｂ型管的基礎(chǔ)上降低了６．９％。

這是因?yàn)槁菪谴箅m然有利于增強(qiáng)換熱系數(shù)，但隨著螺旋角的繼續(xù)增大，會(huì)導(dǎo)致阻力及壓力損失也隨之增加，故螺旋角不是越大越好，而是應(yīng)有一個(gè)合理的值，過大反而會(huì)降低換熱性能。

3、Ｄ型管是在Ｂ型管的基礎(chǔ)上，將齒頂角由５６°降低到５０°，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：其空調(diào)機(jī)的能效比比Ｂ型管提高了３．８％。

這是由于減小齒頂角有助于增加內(nèi)表面換熱面積，減薄冷凝傳熱的液膜厚度，增加蒸發(fā)傳熱的汽化核心及穩(wěn)定性。當(dāng)然齒頂角也不能過小，否則，內(nèi)螺紋管齒的抗脹管強(qiáng)度過小，會(huì)引起螺紋齒的倒齒程度增加。

４、Ｅ型管是在Ｄ型管的基礎(chǔ)上，將齒高由０．１８ｍｍ增加到０．２２ｍｍ。

但經(jīng)裝機(jī)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，增加齒高后，其相應(yīng)的空調(diào)機(jī)能效比并沒有提高，反而降低了－４．３％。這是因?yàn)樵黾育X高后，齒的穩(wěn)定性及抗倒齒能力下降，內(nèi)螺紋管經(jīng)脹管工序后齒的變形嚴(yán)重，換熱效果和能效比降低。

５、Ｆ型管是在Ｅ型管的基礎(chǔ)上，將齒高由０．２２ｍｍ降低到０．１４ｍｍ，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不僅相應(yīng)的空調(diào)機(jī)能效比比原來的Ａ型管增加了１０．８％（比Ｄ型管增加了１．７％）。

而且內(nèi)螺紋管單位長(zhǎng)度質(zhì)量由原先的８８ｇ／ｍ下降到了８１ｇ／ｍ，使得該空調(diào)的內(nèi)螺紋管材料成本下降了近８％。這是因?yàn)辇X高適當(dāng)降低后，齒的穩(wěn)定性提高、倒齒程度降低，抵消了因齒高降低后刺破液膜能力下降所帶來的一些影響。

６、須要說明的是，盡管從理論上講降低底壁厚可以提高傳熱效果、降低內(nèi)螺紋管的材料成本，但考慮到內(nèi)螺紋管Ｕ形彎曲后，其彎曲部位外側(cè)的壁厚將有所減薄，減薄量的大小受諸多因素的影響。

例如：若內(nèi)螺紋管抗拉強(qiáng)度過高及銅管過硬、延伸率過低，則減薄量將增大，其Ｕ形管彎曲部位外側(cè)易產(chǎn)生裂紋；如內(nèi)螺紋銅管抗拉強(qiáng)度偏低及銅管偏軟，若底壁厚較小時(shí)，內(nèi)螺紋管脹管后齒的穩(wěn)定性將會(huì)大大下降，齒的倒齒程度將增加。因此，從確?？照{(diào)機(jī)使用的可靠性、耐久性即產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，暫沒有進(jìn)行底壁厚減薄試驗(yàn)。

五、總結(jié)   

1、通過實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)為增加換熱面積并不會(huì)無限地提高換熱系數(shù)，螺紋銅管內(nèi)表面積在增大到一定程度后，對(duì)換熱系數(shù)的提高就要通過其他參數(shù)的影響予以實(shí)現(xiàn)。

2、合理優(yōu)化齒形參數(shù)比單獨(dú)增大換熱面積對(duì)換熱性能的影響更具有實(shí)際意義。

3、由于蒸發(fā)、冷凝換熱機(jī)制不同，多個(gè)參數(shù)對(duì)換熱系數(shù)的影響和效果是相互制約的，這就須從強(qiáng)化換熱機(jī)制出發(fā)，通過科學(xué)理論的指導(dǎo)與詳細(xì)的試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)管型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從中找到蒸發(fā)、冷凝換熱性能都表現(xiàn)優(yōu)良的管型參數(shù)。

4、通過對(duì)內(nèi)螺紋管齒形參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可大幅度地增加制冷劑的換熱系數(shù)及傳熱管管內(nèi)的傳熱性能，提高空調(diào)整機(jī)的性能及能效比，降低能源消耗，而且可大大減少內(nèi)螺紋管單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，降低空調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

來源：制冷空調(diào)換熱器

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