安徽科技学院学报，２０１３，２７（２）：５４—５８ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 空调两排管风机盘管机组的设计 李文萱 （滁州职业技术学院机电工程系，安徽滁州２３９０００） 摘要：风机盘管是空调末端设备中应用最广、产量最大的产品，由于具有易、便于安装、造价低 等优点，其应用领域不断扩展，产品类型也在不断增加。本文以传统的三排管风机盘管为基础，分析了风 机盘管改进的方向，提出了两排管斜置结构风机盘管的设计。 关键词：两排管风机盘管；斜置结构；设计 中图分类号：ＴＵ８３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—８７７２（２０１３）０２—００５４—０５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｗｏ Ｐｉｐｅ Ｆａｎ Ｃｏｉｌ Ｕｎｉｔｓ ｏｆ Ｃｅｎｔｒａｌ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ＬＩ Ｗｅｎ—．ｘｕａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｕｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｕｚｈｏｕ ２３９１３１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｎ ｃｏｉｌ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｅｎｔｒａｌ ａｉｒ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｃｏｓｔ．Ｉｔ＇ｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅａ ｅｘｐａｎｄｓ ｗｉｄｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ｔｙｐｅｓ ａｒｅ ｏｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｔｈｒｅｅ ｐｉｐｅ ｆａｎ ｃｏｉｌ ｕｎｉｔｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｎ—ｃｏｉｌ ｉｓ ａｎａ— ｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｗｏ—ｐｉｐｅ ｓｌａｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆａｎ ｃｏｉｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｔｗｏ—ｐｉｐｅ ｆａｎ ｃｏｉｌ；Ｓｌａｎｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｄｅｓｉｇｎ 我国是全球风机盘管产量最大的国家。目前行业基本现状是：生产厂家很多，市场竞争非常激烈，但产 品品质层次不齐，总体技术水平不高。随着科技的进步和人们生活水平的提高，对空调的舒适性要求也 不断提高，消费者对风机盘管在实际使用时的静压、焓降、风量、外形尺寸、成本、运行费用、安装是否方便等 多方面的要求越来越高，也越来越细致。而传统的三排管（３排×８列）风机盘管，已不足以满足上要求。 １产品现状分析 近些年有少数厂家推出了两排管、多档转速风机盘管的设计，主要特点如下…： （１）低风量大尺寸设计：加大机组长度使二排管表冷器的传热面积与三排管相当，但没有很好地对表 冷器及相关参数进行专门的设计与匹配，结果是：尽管噪声较，但换热能力差，外形尺寸过大，不便安装，且 成本过高。 （２）大风量小尺寸设计：增大风量以弥补排数减少、焓差降低而带来的冷量下降，结果是：成本虽然降 低，但噪声增大、除湿能力下降。 （３）多档转速电机设计：多转速风机盘管，从工程应用的角度来看，一定程度的缓解了产品在静压、风量 等方面的部分适应性问题，但不能很好地从热／湿负荷的根本上解决产品的适用性问题，有相当的局限陛。 从以上的几种产品的资料、数据、实物以及实际应用等情况看来，还有很大的改进空间。针对产品的 适用性，成本与性能之间的关系，寻求一种最优或接近最优的设计方法，以二排管表冷器配以合适的风量 达到或接近三排管大焓降的性能，克服通常二排管表冷器风机盘管存在的除湿能力不够的问题，同时，又 能大幅度降低产品成本，有着重要的实际意义。 收稿日期：２０１２—１２—２１ 作者简介：李文萱（１９８２一），男，安徽省天长市人，学士，助理讲师，主要从事机电设计研究。 第２７卷第２期 李文萱 空调两排管风机盘管机组的设计 ５５ ２两排管设计过程分析 ２．１ 进／出风焓降的确定 在一定工况条件下，机组供冷量Ｑ与风量Ｖａ、焓降△ｈ之间的数学关系由下式确定： Ｑ＝Ｖａ×Ａｈ （１） 若Ａｈ（进／出风焓降）过大，则Ｖａ（送风量）就偏小。按此设计的空调，实际使用时的特征是：除湿能 力强，但换气次数少，舒适性就较差；反之，若△ｈ过小，则Ｖａ就偏大，实际使用时表现为：除湿能力差，降 温幅度小、速度慢，风机功耗大，噪音高。此外，若机组的焓降过大，则表冷器材料消耗量大，成本也高；若 机组的焓降过低，虽然表冷器成本较低，但功耗大、噪音高，除湿量减小、升降温幅度受限 。由此可见， 焓降与风量之间的关系，不仅与实际使用时的热湿负荷及舒适性有关，还与升降温速度与幅度、成本、噪 声、功耗有关，所以确定两排管风机盘管的焓降是一个十分复杂的问题¨ Ｊ。对于二排管风机盘管，要达 到与三排管相当的焓降且综合性能全部优于现行国标，并尽可能不增加或少增加产品尺寸，还需大幅降低 成本的设计目标，技术难度大，可以通过改变风量进行了大量试验，找出合理的风量范围。 ２．２管内水侧和管外空气侧传热的强化 表冷器的传热系数主要与以下几方面有关：管内水侧的放热系数、管外空气侧的放热系数、导热热阻、 污垢热阻及接触热阻，其中导热热阻和接触热阻，实质由工艺、设备、材料保证，管内及管外污垢热阻相对 于其它热阻，数值很小。管内水侧和管外空气侧的放热系数是影响表冷器传热系数的两大主要因素，是最 有可能大幅提高表冷器传热系数的两条重要途径。 ２．３优化管组连接方式，提高管内水侧放热系数 （１）管内单相介质对流换热的理论研究有很多，著名的关联式有： Ａ、Ｄｉｔｔｕｓ—Ｂｏｅｌｔｅｒ关联式 Ｎｕｆ＝Ｏ．０２３Ｒｅｆ￣一Ｐｒｆ （２） 式中：ｎ＝０．４——加热液体、冷却气体；ｎ＝０．３——冷却液体、加热气体 Ｂ、Ｇｎｉｅｌｉｎｓｋｉ关联式 ＝ ［・＋（ ］ｃ ㈤ ｆ＝（１．８２１ｇＲｅ一１．６４） （ｉｌｆｏｎｅｎｋｏ公式） 注：式（２）适用于Ｒｅ＝１０ ～１．２ ｘ １０ 的旺盛紊流区；式（３）适用于Ｒｅ＝２２００—１０ 的过渡区。水在表 冷器传热管内的流速较低，流态处于紊流区或过渡区，上述两公式分别用于不同流态下对Ｎｕ的计算，是 公认的有着较高精度的表达式。 （２）管内水侧对流换热系数 ｉ与Ｎｕ关系：ｃｔｉ＝Ｎｕ×ｋ／ｄｉ （４） 从以上三式不难看出，不论管内水的流态处于过渡区还是紊流区，其对流换热系数都随水速的增大而 增大，所不同的是，过渡区尤为明显，如图１所示。 表１ 额定供冷量下二排管三排管表冷器数据对比 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒａｔｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｗｏ ｒｏｗ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｒｏｗ ｔｕｂｅ ｃｏｏｌｅｒ ｄａｔａ 可见，传统的三排八列设计采用三进三出管组连接方式的ＦＰ３４、ＦＰ５１表冷器，其管内水流速明显偏 小，导致表冷器的传热能力不能得到充分的发挥，所以，要提高这两个规格表冷器传热性能，首先需提高管 内侧水流速。但从关联式来看，当管内水流速小于ｌｍ／ｓ时，管内侧放热系数几乎与水流速成线性比例增 长；而当管内水流速大于ｌｍ／ｓ后，随着水流速的继续增大，其管内侧放热系数的增大也越来越趋于平缓， ５６ 安徽科技学院学报 ２０１３矩 因此，水速不宜过度提高，否则，会导致水阻过大。 图２是ＦＰ一３４两排管两流程在流程长度不变时水阻力与水流速的关系图。 ＾ 时 ｚ ３６ 司２ ｌ 苌 ￥２４ １２ ｌ ｇ） ｍ／ｓ） 图１水侧放热系数与水流速关系实验曲线 Ｆｉｇ．１ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗａｔｅｒ ｓｉｄｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄｔｈｅ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｆｌｏｗ 图２两排管两流程水阻力与水流速关系图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｕｂｅ ｒｏｗｓ ｔｗｏ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｖｅｌｏｃｉｔｙ 表２为额定供冷量下的水流量两排管与三排管水阻力测试数据，可以看出两排管水阻力比三排管有所 增加，但还远小于国标规定的３０ ｋＰａ。但如果过度增加水流速来提高水侧高传热系数，即把两排管ＦＰ３４设 计为一个流程，则管内水流速在１．３８ｍ／ｓ左右，图二中虚线的交点即为一进一出时半个流程（因一进一出单 个流程长度为二进二出的两倍）的状态点，一个流程的水阻力则很有可能接近或超过国标规定值。 表２额定供冷量下的水流量两排管与三排管水阻力测试数据 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｅｓｔ ｄａｔａ ｏｆ ｎｏｍｉｎａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅａｐａｅｉ￣ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｌｏｗ ｏｆｆ ｔｗｏ ｒｏｗｓ ｏｆｔｕｂｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｔｕｂｅ ｒｏｗｓ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 数据表明，对小规格表冷器ＦＰ３４、ＦＰ５１的水路，如果设计为１路偏长，虽然换热系数会提高，但水阻 力会偏大；如果设计成３路，则又过短，换热性能差，所以２路最优。 ２．４合理提高空气侧的放热系数 翅片管换热器空气侧的放热系数除了与排数、管间距、片型、片距、传热管形状与排列方式等结构参数 有关外，还与空气流态、析湿系数、翅片效率等诸多因素有关，关系十分复杂。因此，保证一定迎面风速的 同时，选择合适的片距来提高最窄截面流速，以增大管外空气侧的放热系数。但如果过度减小翅片片距， 会引起风阻增大、电机功率增加、热流密度减少，引起噪音增大，通过多次反复试验，对比分析，ＦＰ３４、ＦＰ５１ 最终片距定为１．６３ｍｍ较为合适。 ２．５ 优化风系统结构，使表冷器迎面风速均匀 风机盘管的风系统结构主要是有底板、左固定板、右固定板、后背板、顶盖板、电机以及风机组成。为 了确保换热器受风均匀，同时又要换热器面积得到充分利用。设计时尽可能让风机吹出的风均匀的流过 换热器表面，并减少阻力损失。基于以上思路主要从以下几点着手： ２．５．１ 合理确定底板倾斜角度通过对ＦＰ３４的三块不同倾斜角度仪 ＝１４８。，Ｏｔ２＝１４０。， ３＝１２５。的底板 做对比实验。面对换热器出风表面，将换热器分成网格状，测出每个网格的出风风速。 第２７卷第２期 李文萱空调两排管风机盘管机组的设计 ５７ 图３风机盘管底板倾斜角度示意图 图４换热器等效网格状示意图 Ｆｉｇ．３ ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｆａｎ ｃｏｉｌ ｐｌａｔｅ ｔｉｌｔ ａｎｓｌｃ Ｆｉｇ．４ Ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｄ ｄｉａｇｒａｍ ①当倾角为１４８。和１２５。时，换热器竖直方向风速不均匀，靠近下部几排管风速较小，也就是说下部几 排管得不到很好的换热。 ②当倾斜角度为１４０。时，换热器竖直方向风速分布比较均匀，有利于提高换热效率。 结论：底板倾斜角度设置为１４０。比较合理。 ２．５．２风机数量以及风机与表冷器相对位置关系 ①风机的数量 如果仅仅从换热器受风角度考虑，是希望换热器迎风面所接受的风机出风口投影面越大越好，但实际 上还要兼顾到换热器的尺寸所能容下的风机数量。不同型号的空调其换热器长度尺寸不一样，同时要考 虑电机的安装，能容下的风机数量不一样。 ②确定风机与电机相对位置 在风机数量确定后（如果为两风机），接下来就是确定摆放风机与电机的位置：如果风机靠近两侧，通 过实验可知风机出风口风速沿中间位置衰减幅度较大，使得换热器迎风面两边风速较大，而越靠近中间， 风速越小，不利于换热器换热。在实际工程安装时若装上回风箱，风机的最左侧和最右侧回风受阻；如果 风机靠近中间，由于两风机与电机靠的太近，电机挡住了左右风机的回风口使得中间部分回风受阻。如果 换热器尺寸较长时，风机出风口风速沿两边位置衰减幅度较大即越靠近两边风速越小，也不利于换热器换 热。因此风机与电机相对位置既要避免风机的回风受阻，又要使得换热器水平方向受风均匀，保证换热效 率高才可以。 ２．６改进管组连接方式，提高传热温差 由热平衡方程可知，除了提高传热系数，增大面积可以获得高传热量外，平均传热温差也是很重要的 因素。由传热学的原理可知，风机盘管两种传热介质水与空气的流动属于一种介质混合、另一种介质不混 合的一次交叉流，其平均传热温差介于逆流与顺流之间，而传统的３排ｘ ８列风机盘管的管组连接方式为 三路，每排构成一个通路，从下到上，互不交叉，背风侧流程的传热弱化，新设计两排表冷器减少了排数，改 变了管组连接方式，使水在两排间交叉流动，使空气与水的流动接近于逆流，从而提高传热温差增大传热 量。如图５所示。 ５８ 安徽科技学院学报 ２０１３正 ② 出水 出水＠ 避风 匕：； 进风 ｃ＝＞ 出水① 匀 ９上 ≥＿＿∈Ｔ＿∈Ｔ ● ＿＿∈ｖ 进水①０ 不好 进水① 图５ 三排管与两排管管组连接方式对比图 Ｆｉｇ．５ Ｃｏｌｌａｔｉｏｎ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｒｏｗｓ ｏｆ ｔｕｂｅｓ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｒｏｗｓ ｏｆ ｔｕｂｅ ｓｅｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ２．７ 采用斜置结构形式。尽可能不增加或少增加外形尺寸 对于大规格风机盘管，表冷器由三排改为两排后，将导致表冷器和整机长度都增加，不利于降低成本， 也不利于用户安装。风机盘管产品有多种规格，但由于水不可压缩，表冷器的路数必须为正整数，这使得 两排八列表冷器的水路无法设计成三路，为此设计了两排九列斜置的表冷器结构，如图６所示：水路流程 可均分三路（２×９÷３＝６，即每路６根传热管），可以获得合适的管内侧放热系数与水阻力。尽管表冷器 的高度尺寸加大，但由于表冷器倾斜放置，机组的高度并未增大，同时也使得长度方向的尺寸得以缩短，采 取该方法设计的大规格产品，其外形尺寸就有明显的优势，同时还便于安装，节省材料，易于运行。 １ ０ ０ ０ ｎ 出术三 囊 －＼ ８ ／甍 与度不变 ｏ ｏ ０ 图６表冷器斜置结构示意图 Ｆｉｇ．６ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ａｉｒ ｃｏｏｌｅｒ ３ 结语 从上述可看出两排管风机盘管机组的设计合理确定了焓降和风量，强化了传热，提高了产品性能，同 时节省了材料，提高了工效，加上独特的结构，简化了制造工艺，最终使大规格两排管风机盘管产品具有明 显的优势。 随着技术进步和市场需求的不断变化，风机盘管也会不断改进和完善。虽然风机盘管的结构比较简 单，但可以改进及深入研究的地方依然很多，比如：传热管形状、排列方式、片型等对传热的影响，不同水路 流程的对比研究，多抽头电动机的应用以及叶轮的改进（如塑料叶轮、加长叶轮的运用）等等。 参考文献： ［１］邓斌．空调换热器管路流程布置的数值模拟及实验研究［Ｄ］．西安：西安交通大学，２００５． ［２］毕明华．影响风机盘管换热器传热性能的因素分析［Ｊ］．低温与超导，２００９，３７（６）：５３—５６． ［３］徐勇．风机盘管空调系统节能技术的研究［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２００５． （责任编辑：窦鹏）
