铝管在家用热泵热水器的采暖应用分析

【摘要】本文设计实验是：以0.7mm铝管替代市场上最常用的家用热泵热水器蒸发器0.6mm铜管，对其换热性能进行对比分析。采用现有的蒸发器计算模型设计了性能相当的两款蒸发器（0.6mm铜管蒸发器和0.7mm铝管蒸发器）并进行了对比研究，实验结果为：0.7mm铝管应用于家用热泵热水器蒸发器完全能够满足0.6mm铜管蒸发器的换热性能，但是0.7mm铝管蒸发器所需管材相较而言更少，成本更低，重量更轻。热泵热水器蒸发器采用铝管，能够减轻重量、降低成本、提升热泵热水器市场竞争力。

【关键词】铝管；铝代铜；探讨

引言：进入新世纪以来，我国人民的生活质量在经济市场化的催动下持续改善，寒冷的冬天到来之际，人们在温暖的小屋里已经离不开热水器。热水器的历史并非现在才开始，早在几十年前，已经有几种传统的热水器问世，并受到了人们的普遍接受，比如电热水器、太阳能热水器。然而近些年来随着科技的发展，这些热水器一统天下的局面开始被打破，一种新型的热水器也逐渐被人们所喜爱，并在短时间内占了相当可观的家用热水器市场。在能源日趋紧张的今天，人们更注重绿色环保，节能的观念可以说已经深入人心，在这个时候，人们选择家电用品的时候，可能会不自觉地选择更绿色的一种，热泵热水器就是这样，其显著的环保、节能、安全等特点，已经一石激起千层浪，引起了用户的注意。笔者家中的热泵热水器使用的蒸发器是翅片式换热器，由翅片和换热管构成。Wang教授等科研人员通过大量的实验得出了百叶窗翅片换热器的传热和流动阻力关系式，Lee教授等研究了换热在结霜工况下受翅片管式蒸发器结构参数的影响，另外少数学者对微通道换热器、椭圆管在蒸发器的应用中的作用研究了其性能。然而要搞清楚热泵热水器的应用原理和节能原理，必须从从蒸发器成本和换热性能两个方面综合考虑，对这两方面作对比研究，目前几乎没有这样的成果出现。因此本文将致力于这一方面的研究。翅片管式蒸发器是由铝翅片和换热管组成，其中整个蒸发器原材料成本主要来源于换热管成本。实验证明，降低管材的成本能够降低整个家用热泵热水器成本，当然，前提是保证蒸发器的性能。本文将采用0.7mm内螺纹铝管替代目前空气源热泵热水器广泛应用的0.6mm内螺纹铜管的蒸发器，以达到减小翅片管式蒸发器的重量、体积和耗材的目的，这样才能降低整个热泵热水器的成本。

1、蒸发器的计算模型

翅片管式蒸发器主要由铝翅片和铜管构成，蒸发器的管内不断流动着制冷剂，管外环盘着翅片。蒸发器工作的时候，热量通过外掠翅片传递到铝翅片，而铜管的热量则通过铝翅片传递，最后热量将通过铜管管壁传递到管内流动的的制冷剂。一般采用的计算模型是分布参数模型，将换热器沿制冷剂流动方向划分为若干单元，每个单元需要分别进行换热计算。采用REPROP8.0计算制冷剂物性，计算过程中有些步骤需要采用Wangetal提出的传热、压降关联式；金龙制冷技术有限公司开发的实验关联式可以用来计算内螺纹铜管管内换热系数以及压降；西安交通大学传热教研室提供了物性程序可以用来计算湿空气物性。

2、成本分析

3、特点

热泵热水器之所以能在市场竞争如此激烈的条件下脱颖而出，与其一些优良的特性密不可分，笔者查阅资料总结了热泵热水器的主要区别于其他类别的热水器的特性，如下：

3.1 节能

首先，热泵热水器消耗电能很少，而与此同时，它能够广泛吸收空气中大量的热量，这是其他类型的热水器所不能企及的一点。所以热泵热水器的热效率一般在40%以上，与其他类型的相比，约是电热水器的三倍，燃气热水器的四倍。其次，热泵热水器可以移峰填谷帮助用户管理使用电能，避开峰谷段，可以享受分时电价，运行费用低廉。

3.2 环保

其他类型的热水器虽然也打着环保的牌子，然而却名不副实，但热泵热水器是真正做到了环保，其工作过程中不产生废渣、废水、废热、废气排放，就理论而言，对环境和大气的污染几乎为零，据相关机构对使用热泵热水器的几家用户进行跟踪调查，其使用过程中也并未实际产生有害物质。其内部原因，是因为系统中采用了环保工质（常用的有CO

2、R134a、R417a等），对大气臭氧层无任何破坏作用，也不会造成温室效应，而这两点都是如今人类面临的严峻环境问题。

3.3 安全

燃气热水器在使用过程中由于燃气的易燃性以及环境条件的多变性往往会发生一些难以预料的危险，跟使用煤气灶的家庭一样，在家中使用燃气热水器实在是无奈之举，无形中给家庭安全造成了潜在的危险。而热泵热水器工作过程中完全没有上述燃气热水器的缺点存在。电热水器固然比燃气热水器安全，存在漏电、触电的危险。

4、工艺性分析

在热泵热水器蒸发器中改用铝管主要存在两点技术难题，即腐蚀、铜铝或铝铝之间的连接。

连接问题：可以用机械挤压连接和焊接的方法对铜铝或铝铝之间进行连接。一般情况下，焊接工艺与应用更广泛然而对工人的操作水平要求比较高；德国VULKANLOKRING公司的洛克环管路连接技术是进行机械挤压连接的主要可行性技术。相较于焊接技术，机械挤压连接技术操作流程更简便可靠，但是其成本和投入更高。笔者经过仔细研究认为，如果考虑到可靠性，建议使用机械挤压连接技术，毕竟焊接技术应付不了更高条件要求的环境。