空調(diào)用微通道換熱器的可靠性研究進(jìn)展

何國(guó)軍

(珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

1 引言

微通道換熱器是一種基于微通道技術(shù)發(fā)展起來(lái)的高效緊湊式換熱器，最早應(yīng)用于電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，微通道具有尺度效應(yīng)[1]，面積體積比大，表面作用較強(qiáng)，傳熱效率較高，這些良好的性能使其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。目前，微通道換熱器在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在汽車空調(diào)方面，同傳統(tǒng)的銅管-鋁翅片換熱器相比，微通道換熱器[2]采用全鋁結(jié)構(gòu)，具有體積小、成本低、換熱效率高等優(yōu)勢(shì)，符合低成本高能效空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)需求，得到空調(diào)行業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注。盡管微通道換熱器具有眾多優(yōu)勢(shì)，但在家用和商用空調(diào)上的推廣進(jìn)度緩慢，只能用于需求量較少的單冷機(jī)組，結(jié)霜化霜及排水困難等可靠性問(wèn)題使其很難應(yīng)用于需求量大的熱泵機(jī)組。如圖1所示，微通道換熱器特殊的扁管結(jié)構(gòu)增大了冷凝水與換熱器的接觸面和接觸角，造成排水不暢，且扁管和翅片焊接處的表面粗糙度較大，排水不暢及粗糙表面為結(jié)霜?jiǎng)?chuàng)造了條件，而其緊湊的結(jié)構(gòu)形式和較差的排水能力又使得化霜困難，性能衰減嚴(yán)重，同時(shí)易出現(xiàn)壓縮機(jī)回液等問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性降低。此外，鋁的腐蝕、焊接等影響微通道換熱器可靠性及使用壽命的問(wèn)題仍未得到有效解決。

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

為擴(kuò)大微通道換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，加快其推廣進(jìn)度，除了對(duì)微通道的傳熱機(jī)理和換熱性能進(jìn)行深入研究外，微通道換熱器的應(yīng)用可靠性也成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的可靠性研究可以分為系統(tǒng)可靠性研究、長(zhǎng)期可靠性研究和工藝可靠性研究，主要集中在冷凝水排除、結(jié)霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面，本文將對(duì)這些方面的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析。

2 系統(tǒng)可靠性研究

系統(tǒng)可靠性一般用于評(píng)價(jià)空調(diào)在使用環(huán)境中能否正常運(yùn)行，如在高溫工況是否出現(xiàn)高壓保護(hù)，低溫工況是否出現(xiàn)液擊等。微通道換熱器應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，如果不能針對(duì)其特殊的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)就會(huì)產(chǎn)生某些可靠性問(wèn)題，其中冷凝水排除和結(jié)霜化霜就成為兩大應(yīng)用難點(diǎn)。微通道換熱器作為空調(diào)的蒸發(fā)器使用時(shí)會(huì)有冷凝水產(chǎn)生，使得空氣側(cè)的熱阻和風(fēng)阻增大，并為低溫條件下的結(jié)霜?jiǎng)?chuàng)造了條件。在低溫制冷時(shí)，室內(nèi)機(jī)換熱器排水不暢，風(fēng)量降低，換熱效果下降，蒸發(fā)壓力降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0℃時(shí)，換熱器表面出現(xiàn)結(jié)霜，化霜困難又加劇了系統(tǒng)參數(shù)惡化，制冷劑蒸發(fā)不完全，使得壓縮機(jī)回液，出現(xiàn)液擊或潤(rùn)滑油稀釋而加劇壓縮機(jī)的磨損。在低溫制熱時(shí)，室外環(huán)境溫度低于0℃，同樣會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜惡化等問(wèn)題。影響排水及化霜的主要因素有進(jìn)風(fēng)狀態(tài)、換熱器結(jié)構(gòu)及制冷劑分配。

Song[3]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)風(fēng)濕度和換熱器傾角對(duì)微通道換熱器空氣側(cè)熱濕特性的影響，研究表明，當(dāng)傾角大于45度時(shí)，傾角會(huì)對(duì)換熱系數(shù)產(chǎn)生較大影響；濕工況的壓降比干工況增大3%～14%；翅片間距較大時(shí)，進(jìn)風(fēng)濕度對(duì)換熱系數(shù)和壓降的影響較??；適當(dāng)?shù)膬A角有利于排水，在某些情況下(如低風(fēng)速)開窗片間的冷凝水形成液橋，此時(shí)即使增大風(fēng)速，液橋依然存在。Zhang[4]等對(duì)帶有平行翅片的微通道換熱器的結(jié)霜特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，同傳統(tǒng)的折彎翅片相比，平行翅片的排水能力更強(qiáng)，更有助于改善結(jié)霜。Xia[5]等對(duì)三種不同開窗片的微通道換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)霜使得開窗片出現(xiàn)霜橋，開窗片的縫隙被堵塞，空氣流動(dòng)形式由開窗片間的交叉流動(dòng)變?yōu)橥ǖ朗降牧鲃?dòng)，這也是影響換熱的主要因素。Kim[6]等通過(guò)對(duì)兩種不同翅片間距和扁管傾角的微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，認(rèn)為優(yōu)化排水和集流管的制冷劑分配可以達(dá)到更好的除霜效果。陳小康[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了微通道蒸發(fā)器的結(jié)霜過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，霜通常在溫度最低的靠近波紋式翅片表面的扁管開始形成；微通道蒸發(fā)器的制冷劑分配不均勻使得表面溫度分布不均勻，并引起結(jié)霜不均勻；環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，部分管內(nèi)的制冷劑不完全蒸發(fā)是微通道蒸發(fā)器容易結(jié)霜的重要因素，并建議通過(guò)提高制冷劑分配的均勻性來(lái)改善結(jié)霜。

水的附著力通常被認(rèn)為是引起微通道換熱器快速結(jié)霜的主要因素之一，而Moallem[7]等的研究表明，影響結(jié)霜的主要因素并非水的附著力，盡管其對(duì)空氣側(cè)壓降產(chǎn)生影響，但引起霜形成和生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素是翅片表面溫度和翅片幾何形狀。他們[8]進(jìn)而對(duì)7種不同寬度、高度和間距的翅片進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究，提出能夠預(yù)測(cè)霜層厚度和風(fēng)速衰減的關(guān)聯(lián)式，并在翅片溫度為-11～-5℃時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，其中霜層厚度誤差為±17.6%，風(fēng)速衰減誤差為±7.7%；該關(guān)聯(lián)式能夠用于計(jì)算結(jié)霜時(shí)的瞬時(shí)雷諾數(shù)，有助于預(yù)測(cè)準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)霜條件下微通道換熱器的傳熱系數(shù)。Padhmanabhan[9]等對(duì)微通道換熱器和翅片管換熱器的結(jié)霜除霜特性進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示，微通道換熱器的結(jié)霜時(shí)間比翅片管換熱器縮短50%以上，平均制熱能力和系統(tǒng)性能下降；結(jié)霜首先發(fā)生在翅片和扁管焊接處，除霜后的殘存水使得結(jié)霜速率加快，使用氮?dú)鈱埓嫠懦蟮慕Y(jié)霜周期增加4%；干表面時(shí)的結(jié)霜周期比濕表面延長(zhǎng)約60%。Padhmanabhan[10]等還建立了微通道換熱器的結(jié)霜模型，該模型考慮了結(jié)霜不均勻所引起的風(fēng)量重新分布，能夠預(yù)測(cè)霜層厚度和結(jié)霜量，通過(guò)對(duì)不同進(jìn)液溫度條件下微通道換熱器的結(jié)霜特性進(jìn)行模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，霜層厚度的模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，而忽略風(fēng)量重新分布的模擬結(jié)果將產(chǎn)生較大誤差；研究結(jié)果還表明，表面溫度越低結(jié)霜越快，換熱器結(jié)霜時(shí)的性能幾乎呈線性衰減，且表面溫度越低，衰減速率越大。

由此可見，改善排水和除霜可從風(fēng)速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可借助可視化、仿真等技術(shù)進(jìn)行輔助優(yōu)化。

3 長(zhǎng)期可靠性研究

長(zhǎng)期可靠性一般用于評(píng)價(jià)空調(diào)的使用壽命，空調(diào)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，惡劣的環(huán)境除了會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生影響外，也會(huì)降低空調(diào)各部件的性能和壽命，如出現(xiàn)磨損、腐蝕等。換熱器作為關(guān)鍵部件之一，其長(zhǎng)期可靠性對(duì)整機(jī)壽命有重要影響。微通道換熱器采用全鋁結(jié)構(gòu)，所面臨的鋁腐蝕問(wèn)題成為制約其應(yīng)用推廣的重要原因之一，緊湊的結(jié)構(gòu)形式容易積灰且不易清洗，除對(duì)空調(diào)性能產(chǎn)生影響外，還為細(xì)菌滋生及腐蝕提供條件，同時(shí)加劇了售后保養(yǎng)維護(hù)的困難程度，故微通道換熱器的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題也引起行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

丁漢新[11]等采用微通道換熱器和銅管-鋁翅片換熱器進(jìn)行了腐蝕實(shí)驗(yàn)，前者的實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為7000h，后者的實(shí)驗(yàn)時(shí)間約為1000h，通過(guò)對(duì)比兩種換熱器的腐蝕情況發(fā)現(xiàn)，相比銅鋁翅片換熱器，微通道換熱器具有良好的抗電化學(xué)腐蝕的性能，微通道換熱器中集流管、扁管及翅片采用鋁合金及配合一定的涂層,極大地降低了電位腐蝕的速率。何國(guó)軍[12]在對(duì)平行流換熱器進(jìn)行1200h單體腐蝕實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，換熱器的翅片與扁管焊接處出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，但氦檢并未泄漏，可以應(yīng)用于普通空調(diào)產(chǎn)品，但同時(shí)指出，在海鹽離子濃度較高的環(huán)境中，仍存在翅片腐蝕粉化的現(xiàn)象，有必要對(duì)換熱器進(jìn)行整體防腐處理。Bell[13]等對(duì)比研究了ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵和Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵對(duì)微通道換熱器空氣側(cè)壓降和傳熱性能的影響，結(jié)果表明，ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生較大影響，1612.5g/m2的粉塵會(huì)使壓降增大200%；而Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵并未使壓降增大，但卻使傳熱量降低10%；此外，在粉塵結(jié)垢過(guò)程中，開窗片的翅片間距小于2.0 mm時(shí)更易積灰。

目前，針對(duì)微通道換熱器腐蝕及積灰等長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行的研究資料還比較少，鋁合金材料對(duì)扁管基材耐腐蝕性的影響，換熱器整體噴涂處理對(duì)換熱性能的影響，翅片結(jié)構(gòu)對(duì)積灰的影響等問(wèn)題仍是值得深入研究的內(nèi)容。

4 工藝可靠性研究

傳統(tǒng)的翅片管換熱器加工方便，工藝成熟，而微通道換熱器的結(jié)構(gòu)完全不同于翅片管換熱器，生產(chǎn)設(shè)備和加工工藝都發(fā)生很大變化?，F(xiàn)階段，空調(diào)用微通道換熱器的生產(chǎn)加工仍不成熟，因焊點(diǎn)承壓能力差產(chǎn)生的爆破泄漏或因焊接破壞表面涂層引起的腐蝕泄漏等現(xiàn)象普遍存在，為加快微通道換熱器的推廣進(jìn)度，其工藝可靠性問(wèn)題亟待解決。

Zhao[14]等對(duì)微通道換熱器的焊接進(jìn)行了較全面的研究，認(rèn)為焊接條件的控制和焊接位置的設(shè)計(jì)是換熱器加工的關(guān)鍵。他們[15]還對(duì)微通道換熱器焊接過(guò)程中的焊料熔化流動(dòng)及成型現(xiàn)象進(jìn)行可視化研究，觀察發(fā)現(xiàn)，在扁管和集流管的焊接過(guò)程中，熔化的金屬液體很可能會(huì)在表面張力的作用下流入微通道，從而堵塞制冷劑通道；此外，還討論了液態(tài)金屬流動(dòng)的理論模型，認(rèn)為利用現(xiàn)代仿真技術(shù)能夠很好的輔助焊接設(shè)計(jì)和選擇焊接材料。包振球[16]等對(duì)平行流換熱器最容易出現(xiàn)疲勞斷裂的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部壓力和熱應(yīng)力會(huì)造成疲勞破壞，指出在設(shè)計(jì)平行流換熱器的集氣管時(shí)，應(yīng)盡量增加壁厚，選用小管徑可以減小圓周應(yīng)力；支架與集氣管間的接觸部位應(yīng)留有足夠的接觸面積以改善該部位的散熱能力和熱應(yīng)力，為防止應(yīng)力集中，支架和集氣管間應(yīng)采用圓角過(guò)度。郭艷[17]對(duì)多元平行流式冷凝器爐中釬焊工藝進(jìn)行了仿真建模和實(shí)驗(yàn)研究，分析發(fā)現(xiàn)，冷凝器在爐中釬焊過(guò)程中，扁管與翅片升溫速率和降溫速率均大于集流管與扁管；加熱階段，扁管與翅片的釬焊峰值溫度和保溫時(shí)間均高于集流管與扁管，集流管與扁管的釬焊接頭是冷凝器爐中釬焊的薄弱環(huán)節(jié)；研究認(rèn)為采用有限元軟件進(jìn)行工藝指導(dǎo)不僅是可行的，還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

以上研究指出微通道扁管與集流管的焊接工藝是需要重點(diǎn)關(guān)注的地方，操作不當(dāng)可能會(huì)造成微通道焊堵，影響制冷劑的分流，而該問(wèn)題是隱蔽性的，除了采用破壞性的解剖，否則很難被發(fā)現(xiàn)，該位置的焊接質(zhì)量還可能引起腐蝕泄漏，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對(duì)此進(jìn)行可靠控制。

5 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)微通道換熱器應(yīng)用于空調(diào)時(shí)的系統(tǒng)可靠性、長(zhǎng)期可靠性和工藝可靠性的研究成果進(jìn)行分析，總結(jié)了冷凝水排除、結(jié)霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面存在的主要問(wèn)題和研究進(jìn)展，這對(duì)提高微通道換熱器的可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。為進(jìn)一步加快微通道換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，今后的可靠性研究方向包括：

(1)除了從風(fēng)速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面來(lái)改善排水和除霜外，還可從控制邏輯方面進(jìn)行優(yōu)化，特別是對(duì)于變頻空調(diào)，在低溫工況下適當(dāng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率、電子膨脹閥開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，以提高蒸發(fā)溫度，減少凝露和結(jié)霜。

(2)盡管微通道換熱器抗電化學(xué)腐蝕的能力優(yōu)于銅管-鋁翅片換熱器，但基材選擇不當(dāng)、焊接破壞涂層等問(wèn)題使得腐蝕失效依然存在，故需對(duì)此進(jìn)行深入研究。此外，耐腐蝕性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定、除塵清洗工藝的改進(jìn)等也將有助于微通道換熱器的應(yīng)用推廣。

(3)微通道換熱器扁管和集流管的焊堵、焊漏問(wèn)題已得到關(guān)注，但為了提供耐腐蝕性，扁管一般都噴有保護(hù)涂層，如電弧噴鋅等，此時(shí)焊接扁管和翅片時(shí)會(huì)引起焊點(diǎn)周圍的鋅濃度分布發(fā)生變化，從而降低扁管的耐腐蝕性，這種因焊接造成腐蝕泄漏也普遍存在，故同樣需要對(duì)扁管和翅片的焊接工藝進(jìn)行研究。

(4)借助理論模型和仿真技術(shù)可以對(duì)微通道換熱器的制冷劑分配、結(jié)霜、焊接等問(wèn)題進(jìn)行輔助指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并能夠提高換熱器質(zhì)量,模擬仿真技術(shù)通用化也是非常必要的研究?jī)?nèi)容之一。

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