基于室外温度影响的空调用热管换热器的优化设计分析
摘要：文章对室外温度影响下空调用热管换热器的优化必要性进行了简要阐述，并从管壁厚度、热管尺寸、热管横向间距、热管纵向间距、翅片间距以及翅片厚
度六个角度入手，重点分析了空调用热管变热器优化设计的基础要素。

然后，通
过运算分析，对室外温度影响下空调用热管换热器各要素的约束关系作出了明确。

关键词：室外温度；热管换热器；翅片厚度
引言：
现阶段，空调设备已经成为了人们工作生活中获得舒适体验的重要工具，其制热、制冷
功能可充分满足人们对于室内小气候的变化性需求。

但受到室外大气候尤其是室外温度的影响，空调设备很难维持在最优状态中，进而经常产生效率下降、能耗过高等负面问题。

据此，我们有必要对热管换热器这一空调系统关键构件的优化设计展开探究讨论。

1 基于室外温度影响的空调用热管换热器优化设计的基础分析
外部大气候的构成要素包含室外温度、自然风量、自然风向、自然风速、光照量级、光
照角度等多个方面。

其中，影响空调用热管换热器最大的是室外温度。

一般来讲，额定工况
下空调用热管换热器的最适宜室外温度分别为34℃（夏）与-4℃（冬），即在这两个温度左
右的工作效率最高、节能效果最好。

但从实际情况来看，广东佛山地区的夏季温度经常在37℃左右，最热可达40℃以上。

同时，冬季温度也基本处在10℃与20℃之间。

由此可见，空调
用热管换热器在该地区投用时，往往会处于非标准的工况状态中，故而很难达到最优运行水平。

所以，有必要通过热力分析，对空调用热管换热器的环境适应能力作出考量，并尽量寻
找出性能最高的优化设计方案。

具体来讲，主要从管壁厚度、热管尺寸、横向间距、纵向间距、翅片间距、翅片厚度六个角度入手，对空调用热管换热器换热量及压力损失的受影响情
况进行分析：
1.1管壁厚度
研究发现，在管壁厚度由1mm提升到6mm后，换热量略微下降，具体降幅为1.87kW。

究其原因，主要是管壁厚度在增加后，热管的热阻系数有所提高，进而导致换热量降低。

但
由于壁厚热阻在总热阻中的占比并不大，所以换热量的降幅比较小。

同时，因此管壁厚度变
化不会对热管尺寸、换热器构造产生影响，所以管壁厚度与压力损失的关联度并不高。

所以，在进行空调用热管换热器的优化设计时，可基于换热器的强度需求调整管壁厚度，无需把管
壁厚度视为室外温度影响下的主要变量[1]。

1.2热管尺寸
研究发现，当管道尺寸由φ10mm提升至φ50mm时，换热量明显提高，具体增幅为
28.27kW。

同时，外径参数与换热量呈正向线性关系。

究其原因，主要是管道尺寸提升后，
热管的换热面积实现了显著扩大，进而增强了单位时间内的换热效率。

此外，压力损失也会
随管道尺寸同步增大，当外径参数达到φ50mm时，压力损失量由282Pa提升至425Pa。

所以，在基于室外温度影响的空调用热管换热器优化设计中，应将管道尺寸作为重要变量。

1.3横向间距
研究发现，当换热器横向管的间隔距离由50mm提升至100mm时，换热量有所降低，
具体降幅为10.44kW。

究其原因，主要是热管横向间距增加后，换热器内流动风速的最大值
下降，进而使得热管对流换热的热阻系数同比增加，致使换热效率被削弱。

同时，在热管横
向间隔变大后，空调用热管换热器的压力损失也由282Pa降至119Pa，这主要与空气流在换
热器中的流动间隙增大有关。

综合来看，空调用热管换热器中横向管的布局应越紧凑越好，
即尽可能选取热管横向间距的最低值。

1.4纵向间距
研究发现，当换热器纵向管的间隔距离由40mm提升至90mm时，换热量的变化并不显著。

同时，压力损失由302Pa降至190Pa。

究其原因，主要是在纵向管间隔变大后，空气流
在换热器中的流动性能更好，循环运行更顺畅。

所以，与横向间距相似，在基于室外温度影
响的空调用热管换热器优化设计中，也应对热管纵向间距做紧凑设计。

1.5翅片间距
研究发现，当翅片的间隔距离由1.5mm提升至7mm后，换热量有所降低，具体降幅为19.33kW。

但在翅片间距达到4mm后，换热量的降速明显放缓。

究其原因，主要是随着翅片
间距的持续增大，换热器翅片侧方的传热面积持续变小，进而使得传热效率趋于弱化。

但间
距增至一定程度后，热能传递的状态趋于平衡，换热量降低的现象也随之缓和。

同时，在压
力损失方面，翅片间距影响也呈现出“先线性减少，后趋于水平”的状态，且分界点通常位于
4mm处。

由此，在空调用热管换热器的优化设计中，理论上应将翅片间距控制在4mm左右。

但在实践中，还需根据翅片的材质性能、结构工艺等做具体判断。

1.6翅片厚度
研究发现，当翅片厚度由0.2mm提升至2mm时，换热量略微增加，具体增幅为7.86kW。

在此基础上，在翅片厚度达到1mm后，换热量增幅在2kW以下，远小于曲线前半段。

同时，压力损失与翅片厚度呈正向线性关系，但增幅在100Pa以下。

所以，综合分析下翅片厚度对
热管换热器运行性能的影响并不大，所以在优化设计时，可将保证翅片的材料强度、抗蚀性
能作为前提，将翅片厚度控制在较小范围内。

此外，通过调整翅片位置发现，翅片高度也会
对换热量及压力损失产生较小影响，应把翅片高度设置为热管外径的半数左右。

图1 空调用热管换热器基本结构
2 基于室外温度影响的空调用热管换热器优化设计的运算分析
在空调用热管换热器优化设计的运算分析阶段，可将热管的外径尺寸、管壁厚度、横向
间距、纵向间距、翅片间距、翅片厚度、翅片高度分别设为d0、δw、St、Sl、lf、Sf、δf，单
位均为m。

在此基础上，考虑到不同室外温度影响下空调用热管换热器最佳性能的差异性，
因此将冷流体、热流体的进出口温度分别设为tc（冬季新风进口，夏季排风进口）、th（冬
季排风进口，夏季新风进口）、tc`（冬季新风出口，夏季排风出口）、th`（冬季排风出口，
夏季新风出口）。

基于此，为了保证热管换热器处于优质运行状态，应提出以下运算关系：（1），△t为热管蒸发段的温差，通常在4℃至6℃之间；（2）dmin＜d0＜dmax，热
管外径的最小值dmin、最大值dmax应以具体材料的国标要求为准；（3）δfmin＜δf＜δfmax，lfmin＜lf＜lfmax，翅片厚度、高度的选择应以翅片的防腐性、长寿性、材料强度满足换热器
运行需求为准，并尽量降低翅片厚度，协调翅片高度；（4）Sf＞Sfmin，Sfmin为两个相邻翅
片之间空气流边界层厚度的和，翅片的间距参数在优化设计中必须超过这一数值；（5）
1.05df＜St＜1.5df，0.87df＜St＜1.1df，df为空气流的截面直径[2]。

在遵循上述约束关系进行运算后，可实现空调用热管换热器的有效优化，从新风温度、
排风温度、热管结垢等角度入手，全面提升换热器对室外温度影响的适应能力。

结论：
总而言之，空调用热管换热器的运行质量会受热管间距、热管尺寸、翅片厚度等多种因
素影响。

所以，相关人员在优化设计中，应科学分析各类因素的最佳参数区间，并据此实施
调整措施，以确保空调用热管换热器可在不同室外温度条件下达成稳定、高质的运行效果。

参考文献：
[1]赵磊.暖通空调工程中换热器的运行节能分析[J].科技经济导刊，2020，28（18）：85.
[2]栗庆文，王翌琛，冯春雨.热管热回收装置在空调系统中的应用[J].中国战略新兴产业，2018（12）：199.。