微通道换热器在搪瓷外盘水箱上的应用分析

陆平、童炜、旷文琦

摘要：目前分析市场上主流厂家销售的热泵热水器数据，得出大部分的厂家正在使用微通道搪瓷外盘水箱，而且大部分属于高能效产品，仅有极少数厂家使用铜管外盘水箱。本文通过测试对比铜管外盘水箱和微通道水箱，得出微通道水箱在能效、制热量方面要优于铜管外盘水箱，而且能够减少一定的冷媒充注量，有助于提升制热量，提升能效，功率略升，最终有效提升了热水产量；理论上基于多孔微通道换热扁管与水箱的接触为平面与平面之间的接触，传统外盘铜管与水箱外壁线接触，很明显微通道的接触面大，更有利于水箱与水发生热交换，有助于提高能效。

关键词：热泵热水器；微通道换热器；搪瓷外盘水箱；

Application Analysis of Microchannel Heat Exchanger On Enamel Outer-coil

Heat Pump Water Heater

Lu Ping, Tong Wei, Kuang Wenqi

Gd TCL intelligent heating and ventilating equipment co., ltd

NO.59 Nantou Road West,Nantou Town,Zhongshan City,Guangdong 528427,China

Abstract: At present, by analyzing the data of heat pump water heaters sold by mainstream manufacturers in the market, it is concluded that most manufacturers are using microchannel enamel outer- coil water tanks, and most of them are high energy-efficient products, and only a few manufacturers are using copper outer-coil water tanks. In this paper, by testing and comparing the copper tube outer-coil water tank and the microchannel enamel outer-coil water tank, it is concluded that the microchannel enamel outer- coil water tank is better than the copper tube outer-coil water tank in terms of energy efficiency and heating capacity, and reduce a certain amount of refrigerant charge, which helps to improve heating capacity, improve energy efficiency, slightly increase power, and finally improve the hot water production effectively. In the theory, the contact between the microchannel flat tube and the water tank is plane to plane contact, the traditional copper tube outer-coil contact area with the out wall of the tank is very small, it is obvious that the contact area of the microchannel is large, which is benefit to the heat exchange between the water and the water tank, and also enhance the energy efficiency.

Keywords: Heat pump water heater, Microchannel heat exchanger, Enamel outer-coil water tank

引 言

空气源热泵热水器是继锅炉、电热水器、燃气热水器和太阳能热水器之后的新一代制取热水的装置与设备。在全球能源供应紧张的前提下，热泵热水器的高效、节能、环保、安全、舒适等特性， 逐渐得到了消费者的认可，并发展成为一个节能环保的新型产业。空气源热泵系统在应用过程中， 沉浸式冷凝器由于表面容易产生结垢、腐蚀、生物粘泥等问题，现阶段欧洲等发达国家都不允许热泵热水器水箱使用内盘式结构，而使用外盘式结构[1]。

针对高能效使用微通道水箱的产品，一般微通道分为多个流路，制冷剂在扁管里面的流通的长度小，冷凝器压降小，铜管外盘冷凝器管路长，冷凝器压降较大，由于铝管重量轻，良好的耐压性、铝原材料价格低，是替换外盘铜管的最佳材质。从节约成本来说，微通道铝扁管包含加工成本，比铜管外盘降低约 38.6%，微通道铝扁管同样具有成本优势[2]。

本文将对铜管外盘换热效率低、成本高等问题，通过采用微通道的铝扁管外盘水箱和铜管外盘水箱的实际测试对比进行分析研究。

1、 实验系统和实验方案

1.1实验平台

为本公司 6HP 低温焓差水系统实验室，实验室室内侧温度范围为 0～60℃，湿度：30～95%，室外侧温度：-30～65℃，湿度 30～95%，实验室水流量可调范围从 0.2～10.0m³/h。热泵热水器放置温湿度可调节环境房间，以使环境温度满足国标设定值范围内，所测系统压力为压缩机排回气管路绝对压力，工具为实验室压力传感器。测试方法和计算制热量方法均按照GB/T23137-2020，选定测试水箱容量为铜管外盘 150L 和微通道外盘 150L。

1.2热水器样机

实验所选用热水器为家用分体式热泵热水器，外机部分主要零部件为压缩机、节流毛细管、蒸发器、室外风叶、室外电机和电器部分，室内机为承压式水箱；整体的系统原理图如下图所示，室外机与室内机用铜连接管连接，内外机共同组成一个完整的热泵系统；水箱部分设计有进出水管口， 与市政供水和用户用水管路构成一个完整的水路系统。

2. 压缩机，2-四通阀，3-翅片式冷凝器，4-毛细管，5-过滤器，6-水箱出水管，7-水箱进水管，8-换热水箱

图 1 热泵热水器系统原理图

1.3实验用冷凝水箱 1

冷凝水箱为铜管外盘搪瓷水箱，水箱换热管为φ7*0.3mm*50M 的光铜管，双路并排缠绕，铜管的 D 面为 5±1mm，总共缠绕圈数为 21 圈，铜管和水箱外壁接触面打导热硅脂增强换热。实称水箱注水容积 142.2L。

图 2 铜管外盘水箱实物图

1.4实验用冷凝水箱 2

冷凝水箱为微通道外盘水箱，微通道平行流冷凝器主体是由多根微通道扁管组成的，换热管两端分别设置了联箱，联箱里的相应位置会设置组隔板，将换热器分隔成若干个流程。该微通道单根长 1160mm，管间距 35mm，铝扁管宽度 25mm，总管程数为 25 根，管程结构为 10-7-5-3。实称水箱注水容积 142.6L。

图 3 微通道外盘水箱实物图

1.5实验用外机

两种不同材质绕管的水箱所配外机相同，在配两种水箱测试时，外机的冷媒充注量和毛细管会有微小差异，具体在节流部件和制冷剂充注量的差异，对比结果在表 1。本实验在根据国家标准GB23137-2020 家用和类似用途热泵热水器中所定义的名义工况（环境干球温度 20℃，湿球温度 15℃，初始水温 15±0.5℃（需要混水，终止水温 55℃）下进行，首先向水箱灌满 15℃±0.5℃的被加热水，然后开机运行，运行到机组 55℃达温停机，停机后对水箱进行混水，保证水箱温度的均匀性， 记录测试过程中机组的系统功耗、水温、运行时间、压力等参数。同一台外机配两台不同水箱进行测试，主要是用于测试分析两个水箱的额定制热量差异、额定制热时系统功率的差异、压力的差异、烧水时间的差异。

2、 实验数据对比与分析

2.1制热量对比

图 4 所示被加热水的时间微通道水箱的时间较长，两台水箱达温停机后用水泵装置对水箱温度进行混合搅拌，实验最终微通道水箱混水温度为 52.6℃，铜管外盘水箱混水后的温度为 51℃，由此

可见微通道水箱在停机后，从初始水温 15±0.5℃开始计算的进出水温差更大。

制热量计算公式为Q=C U(T -T )/3600[3]，（1）式中C 为平均进出水温度下水的比热［kJ（/kg·℃）］；U 为制热水能力（L/h）；T2 为水箱出水温度;T1 为水箱出水温度；

根据公式（1）计算出铜管外盘水箱和微通道水箱的制热量如下图。

图 4 水箱温度随时间的变化情况 图 5 两种水箱制热量测试结果对比

图 4 结果显示，水箱加热时间差异不大，图 5 结果制热量和能效差异较大，根据实测结果对比， 微通道外盘制热量高于铜管外盘约 3%，能效高于铜管外盘约 2.7%，功率高于铜管外盘约 0.2%。

2.2制冷剂充注量对比

表 1 所示的数据，两种水箱所配外机采用相同的节流装置，不同的制冷剂充注量，微通道水箱制冷剂充足量比铜管外盘水箱制冷剂充注量少约 21.8%，从测试数据来看微通道水箱测试的制热量明显优于铜管外盘水箱，微通道水箱对水的加热时间较铜管外盘水箱时间长约 1.6%，但是微通道水箱加热结束后混水温度更高，吸收的热量更大。根据相关测试表明，在 名义工况下外盘微通道冷凝器的压降比铜管外盘水箱压降小 78%，这是因为微通道扁管采用了集流管设计，制冷剂流通长度大大减少，微通道冷凝器的冷凝压力较低，单位流量下系统能效比更高；另外在名义工况下，微通道冷凝器的㶲效率比外盘铜管冷凝器的㶲效率高 20%，冷凝器㶲效率之差随着环境温度的降低而增大， 微通道扁管的水力直径远大于铜管，换热系数与水力直径呈反比关系，故微通道外盘冷凝器的换热效率由于外盘铜管冷凝器的，其能量利用率更高[4]。

表 1 制冷剂充注量和毛细管配置

水箱	毛细管/mm	制冷剂充注量/g
微通道外盘水箱	1.4*1000	750
铜管外盘水箱	1.4*1000	960

2.3系统压力对比

两种水箱根据实测的压力数据对照表来看，从 15℃到 55℃的加热过程中，铜管外盘水箱和微通道水箱压力差异较小，但混水后的微通道的水箱平均水温比铜管外盘的水箱平均水温要高，可以得出在相同平均水箱温度下，微通道水箱的高压压力低于铜管外盘水箱的高压压力，微通道水箱的低压压力略高于铜管外盘水箱的低压压力，相同水箱温度下，微通道水箱的整机功率更低。

表 3 铜管外盘水箱和微通道水箱压力和换热温差对比

水箱水温/℃	铜管外盘高压 压力/MPa	铜管外盘低压压 力/Mpa	换热温差/℃	微通道外盘高压 压力/Mpa	微通道外盘低压 压力/Mpa	换热温差/℃
15	1.263	0.513	17.23	0.927	0.347	5.95
20	1.413	0.583	16.66	1.49	0.598	18.81
25	1.573	0.613	16.03	1.613	0.62	17.06
30	1.721	0.619	14.79	1.753	0.63	15.57
35	1.893	0.624	13.86	1.894	0.639	11.4
40	2.079	0.635	12.98	2.076	0.648	9.7
45	2.277	0.645	12.06	2.238	0.663	10.3
50	2.498	0.658	11.32	2.444	0.677	10.31
55	2.688	0.671	10.66	2.642	0.687	9.75

从上表换热温差数据，在低水温阶段微通道外盘水箱的换热温差大于铜管外盘水箱，主要是由于在低水温阶段，微通道水箱系统压力高于铜管外盘水箱，微通道水箱的冷凝压力较高，所以导致微通道水箱的换热温差大，换热效果较好；在高水温阶段微通道水箱的高压压力低于铜管外盘水箱，

此时换热温差小于铜管外盘水箱，换热效果要低于铜管外盘水箱，但是微通道外盘水箱的优点在于高水温时低压压力高、高压压力低，此时有助于提升系统的能效比。

3、 结束语

通过使用铜管外盘水箱和微通道外盘水箱的匹配调试，内外机的状态点在额定工况时都是处于较好的匹配状态，整机合理的制冷剂充注量、较为理想的毛细管长度，在测试中发现并总结了以下三点结论，但不是唯一的参考标准。如果在实际铜管外盘水箱和微通道外盘水箱的切换时，还是需要进行实际的实验验证。

（1）在使用微通道水箱替换铜管外盘水箱时，在一个合理的系统状态点时，机组配微通道水箱制热量提高约 3%，能效比提高约 2.7%，消耗功率略高 0.2%。

（2）在使用热泵热水器相同外机的情况下，微通道水箱比铜管外盘水箱的制冷剂充注量减少约21.8%。

（3）由于微通道水箱在低水温时换热温差更大，高水温时换热温差小的特性，符合热水器低水温时能效高、高水温时能效低的特性，有助于高水温降系统压力，减小压缩机功率，保证稳定性与安全性，提升能效比。

空气能热水器使用微通道水箱的方案，需要进一步的研究其稳定性、耐腐蚀性，需要综合微通道材质的特性和长期运行试验来综合分析，例如微通道水箱长期安装在较潮湿的环境下，水分子是否能够通过水箱底部的接口渗入到内部，引起微通道水箱底部的扁管的腐蚀等等。笔者通过两种水箱的匹配测试数据进行了对比分析，为微通道水箱替换铜管水箱，在外机配置方面提供了数据基础， 如何将微通道盘管的优势最大化，微通道怎么样分流最优，需要进行水箱内部温度场的分析和大量测试。

参考文献

[1]游少芳 空气源热泵热水器外盘微通道冷凝与蓄热除霜集成系统研究 [D].广州：华南理工大学，2012（学位论文）

[2]苟秋平，吴杨，朱伯勇,等.采用不同换热管的热泵热水器外盘管水箱的成本分析 [J] 制冷技术，2013，33（2）： 42-44.

[3]国家家用电器标准化技术委员会.家用和类似用途热泵热水器：GB/T23137.马德军等，2020：22-23

[4]巫江虹热泵热水器外盘微通道冷凝与外盘铜管冷凝器铜管特性比较 [J] 兵工学报，2015，36（第 6 期）：1150.