Amesim 软件在空调换热器优化中的应用
玉格，魏忠梅，林伟雪，匡细细
珠海格力电器股份有限公司，广东省珠海市香洲区金鸡路 789 号，590007.
摘 要: 为寻求特定空调室内机壳体能够发挥的最大换热能力，该文以某品牌的风管机作为研究对象，以使用 R410a 冷媒 的管翅式换热器为例，使用 Amesim 软件，通过计算机模拟仿真的方法，以冷媒流量、空气流速、换热管管径、换热管排数、
翅片片距为优化参数，以蒸发换热量及冷凝换热量为优化目标对十种不同规格的换热器进行了寻优。最终发现不管是哪种规格 的换热器，当冷媒流量不变时，随着空气流速的增加，所有换热器的换热量会逐步增加，当空气流速达到一定值时，随着空气 流速的增加，所有换热器的换热量将趋于稳定，但不同换热器的换热量稳定在不一样的值。当空气流速不变时，随着冷媒流量 的增加，换热量先是增加，当冷媒流量达到一定值时，蒸发换热器量开始下降，但冷凝换热量依然持续增加。这一结论为空调 换热器的设计提供了参考。
关 键 词:制冷仿真；管翅式换热器；优化
1 壳体概况
本文用于研究的风管机的长度是 1300mm，
宽度是 474mm，高度是 220mm，出风方式为吹 风式，额定制冷量为 7.5kW。外观三视图如图 1 所示。
图 1 风管机外观三视图
2 换热器设计
本次研究根据壳体内部可利用空间的情况，设 计了 5mm、7mm、8mm 和 9mm 四种管径的换 热器，采用不同的换热管排数或者翅片片距，总共 设计了十种换热器，每一种换热器的规格参数如表 1 所示。
表 1 各换热器的规格参数
换热器代号 HRQ1 HRQ2 HRQ3 HRQ4 HRQ5 HRQ6 管径/mm 5 5 5 7 7 7
排数 2 3 4 2 3 3 片距/mm 1.5 1.3 1.3 1.4 1.4 1.6
片形 开窗片 开窗片 开窗片 开窗片 开窗片 开窗片 单排管数 12 12 12 12 12 12
续表 1
换热器代号 HRQ7 HRQ8 HRQ9 HRQ10 HRQ11 管径/mm 7 8 8 9 9
排数 4 2 3 2 3
片距/mm 1.6 1.6 1.6 1.6 1.8 片形 开窗片 开窗片 开窗片 开窗片 开窗片 单排管数 12 12 10 8 8
3 模型搭建
3.1 材料定义
管翅式换热器的换热管为铜材，翅片为铝材，
因此换热器的换热系统中参与热交换的物质有四 种，铜、铝、冷媒以及湿空气，因此模型需要定义 的材料有铜、铝、冷媒以及湿空气。铜和铝的材料 元件从热库中调取，冷媒材料远近从两相库中调 取，湿空气在湿空气元件中可以定义因此不需要单 独定义。图 2 中从左到右依次为铜、铝、冷媒的 图标。
图 2 铜、铝和冷媒的材料图标
3.2 换热器管侧建模
建立铜管和翅片这个物理模型的换热模型需要 用到三个元件，管道元件、热容元件和翅片元件。
管道元件、翅片元件从两相库中调取，热容元件从 热库中调取。图 3 中从左到右依次为管道元件、
热容元件和翅片元件的图标。
图 3 管道元件、翅片元件及热容元件图标
3.3 换热器空气侧建模
空气侧建模需要一个空气源元件和两个单位转 换元件，由于空气源元件的输出单位是 kg/s，而 翅片元件能接收的单位是 kg/s/m**2，因此来自 湿空气元件的风量数据需要转换一下单位才能被翅 片元件使用。湿空气元件以及单位转换元件的图标 如图 4 所示。
图 4 湿空气元件及单位转换元件图标
3.4 换热器分液毛细管建模
毛细管建模使用了两相库中的毛细管元件，图 标如图 5 所示。
图 5 毛细管元件图标
3.5 边界条件建模
以计算蒸发换热量的模型的边界条件为例，一 共需要设置三个条件，冷媒流量、冷媒压力和冷媒 干度。所使用的元件为通用热力学状态变压器元 件、调制质量及焓流速元件和恒定压力及比焓元 件，图 6 中从左到右依次是通用热力学状态变压 器元件、调制质量及焓流速元件和恒定压力及比焓 元件。
图 6 边界条件元件
3.6 换热系统模型
以 HRQ5 的模型为例，HRQ5 共有 3 排，每 排有 12 根管，最终建好的换热仿真模型如图 7 所 示。
图 7 HRQ5 模型示例
4 仿真结果及其分析
4.1 额定工况仿真
根据工程经验，额定制冷量为 7.5kW 的风管 机在制冷工况下，冷媒流量为 0.0485kg/h，蒸发 入口压力为 9.94bar，入口干度为 0.3，蒸发出口 压力为 9.14bar。在额定工况下各个换热器的制冷 量如图 8 所示，制热量如图 9 所示。
图 8 各换热器制冷量
由图 8 可知，φ5 换热器的制冷量比较低，其 次是φ9 换热器，制冷量最高的是 2 排φ8 片距为 1.6mm 的换热器。
图 9 各换热器制热量
由图 9 可知，排数对制热量的影响比较大，2 排的换热器的制热量均小于 3 排及 4 排的换热 器，制热量最高的是 3 排φ5 片距为 1.3mm 的换 热器。
4.2 变风量仿真
图 10 额定冷媒流量下不同空气流速对应的制冷量
图 11 额定冷媒流量下不同空气流速对应的制热量 由图 10 和图 11 可知，当冷媒流量不变时，
随着空气流速的增加，所有换热器的换热量会逐步 增加，当空气流速达到一定值时，随着空气流速的 增加，所有换热器的换热量将趋于稳定，但不同换 热器的换热量稳定在不一样的值。制冷量能达到最 高的是 3 排φ7 片距为 1.4mm 的换热器，制热量
能达到最高的是 4 排φ5 片距为 1.3mm 的换热 器。
4.3 变冷媒流量仿真
图 12 额定空气流速下不同冷媒流量对应的制冷量
图 13 额定空气流速下不同冷媒流量对应的制热量 由图 12 及图 13 可知，当空气流速不变时，
随着冷媒流量的增加，换热量先是增加，当冷媒流 量达到一定值时，蒸发换热器量开始下降，但冷凝 换热量依然持续增加。
5 结论
最终发现不管是哪种规格的换热器，当冷媒 流速不变时，随着空气流速的增加，所有换热器的 换热量会逐步增加，当空气流速达到一定值时，随 着空气流速的增加，所有换热器的换热量将趋于稳 定，但不同换热器的换热量稳定在不一样的值。当 空气流速不变时，随着冷媒流速的增加，换热量先 是增加，当冷媒流量达到一定值时，蒸发换热器量 开始下降，但冷凝换热量依然持续增加。这一结论 为空调换热器的设计提供了参考。
