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、空氣流過時的流動阻力減小，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***早應(yīng)用內(nèi)螺紋管時的齒型為鋸齒形（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：單旋梯形槽內(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，采用人字齒槽、交叉齒槽的內(nèi)螺紋管優(yōu)勢***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)流動時容易分層，而在人字齒槽（Ｗ形槽）內(nèi)流動時，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，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，但因人字齒槽與交叉齒槽內(nèi)螺紋管對材料要求高，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。對每一個不同齒型的內(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，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，制冷劑的流動阻力較大，則螺紋角應(yīng)取小值；當(dāng)直徑較大時，制冷劑的流動阻力較小，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，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，齒數(shù)一般在６０～７０條之間。此外，當(dāng)管徑較小時，取小值；當(dāng)管徑較大時，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、潤周長

增加潤周長可以增加汽化核心數(shù)，使蒸發(fā)傳熱效率顯著提高。因此，對于蒸發(fā)器用管，管內(nèi)橫截面潤周長越大越好。潤周長的增加，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、潤周長、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)螺紋管對空調(diào)換熱器傳熱性能具有不同影響的基礎(chǔ)上，對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)有一個合理的值，過大反而會降低換熱性能。

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，內(nèi)螺紋管脹管后齒的穩(wěn)定性將會大大下降，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，多個參數(shù)對換熱系數(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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