平行流微通道換熱技術(shù)在熱泵熱水器上的應(yīng)用分析

閆克江+寇穎舉

摘 要：本文對(duì)平行流微通道換熱技術(shù)應(yīng)用于熱泵熱水器產(chǎn)品進(jìn)行性能分析，通過(guò)微通道流程設(shè)計(jì)和樣機(jī)實(shí)際對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試，分析了熱泵熱水器應(yīng)用微通道換熱技術(shù)對(duì)產(chǎn)品性能提升產(chǎn)生的有益效果。結(jié)果表明，微通道換熱器效率高，換熱性能優(yōu)于常規(guī)換熱器，同時(shí)，微通道換熱器與熱泵熱水器水箱也存在一定的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：熱泵熱水器；性能；平行流；微通道；換熱技術(shù)

0 引言

熱泵熱水器作為新一代的熱水器產(chǎn)品，其運(yùn)行性能及性能系數(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，特別是國(guó)家實(shí)施能效備案和能效領(lǐng)導(dǎo)者制度以來(lái)，各生產(chǎn)廠商著力推出高能效產(chǎn)品，以在熱水器行業(yè)內(nèi)占用更大的市場(chǎng)。而單純依靠提高系統(tǒng)中的零部件性能（如使用高效壓縮機(jī)，高效風(fēng)機(jī)）或增加換熱器的面積以提高產(chǎn)品的性能系數(shù)，勢(shì)必增加了產(chǎn)品的成本，造成大量不可再生資源的浪費(fèi)，同時(shí)也增加了消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的成本。

熱泵熱水器水箱側(cè)冷凝器的換熱性能決定了水加熱能效，也影響著產(chǎn)品的運(yùn)行可靠性。現(xiàn)有熱泵熱水器大多還是采用常規(guī)銅管或鋁管盤(pán)管式換熱器，由于其是圓形管狀結(jié)構(gòu)，與水箱內(nèi)膽的接觸面積較小，換熱性能很難有較大的提升。采用平行流微通道換熱器，可明顯地降低熱水器的制造成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；隨著新型鋁材，新技術(shù)及加工工藝的開(kāi)發(fā)，微通道換熱器正逐步應(yīng)用于家用和商用空調(diào)行業(yè)。

1 熱泵熱水器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

熱泵就是以冷凝器或其他部件放出的熱量來(lái)供熱的制冷系統(tǒng)[1]。熱泵熱水器與周?chē)h(huán)境在能量上的相互作用是從低溫?zé)嵩次鼰幔缓蠓艧嶂粮邷責(zé)嵩?，以冷凝器放出的熱量?lái)加熱生活用水。熱泵的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是用熱泵系數(shù)φ表示熱泵效率[1]。

式中，為熱泵向高溫?zé)嵩吹妮斔蜔崃?，W為熱泵機(jī)組消耗的外功，為制冷系數(shù)。

由上式可見(jiàn)，熱泵系數(shù)永遠(yuǎn)大于1，所以，熱泵從能量利用角度比直接消耗電能或燃料獲取熱量的要節(jié)能[1]。

熱泵系數(shù)就是指熱泵熱水器的性能系數(shù)（COP），熱泵在名義工況和規(guī)定條件下運(yùn)行時(shí)，熱泵制熱量和熱泵制熱消耗功率之比，其值用W/W表示[2]。

性能系數(shù)（COP）按下式計(jì)算：

COP = Q / P

式中：

Q ——熱泵制熱量，單位為千瓦（kW）；

P ——熱泵制熱消耗功率，單位為千瓦（kW）。

熱泵制熱量也是衡量熱泵熱水器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，熱泵制熱量（Q）按下式計(jì)算：

Q = 1.163×V/H×（T2-T1）/1000

式中：

V ——被加熱水體積，單位為升（L）；

H ——加熱時(shí)間，單位為小時(shí)（h）；

T2 ——出水溫度，單位為攝氏度（℃）；

T1 ——進(jìn)水溫度，單位為攝氏度（℃）；

2 平行流微通道換熱器

平行流微通道換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運(yùn)行安全可靠，它在家用空調(diào)、微電子、航空航天、材料科學(xué)以及其它一些對(duì)換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場(chǎng)合中得到了迅速的發(fā)展[3]。

微通道換熱器基材為鋁，該材料具有良好的導(dǎo)熱性能和粘接性能?？諝饽軣崴魇褂玫钠叫辛魑⑼ǖ览淠魇怯啥鄺l多孔扁管組成的，換熱器兩端各連一根集液管，集液管內(nèi)有隔片，將換熱器分隔成扁管數(shù)不同的多個(gè)流程[4]。如圖1所示。

按照制冷劑的流動(dòng)方向，依次減少每個(gè)流程扁管數(shù)的分配布置方式，所得冷凝器的換熱量和制冷劑出口過(guò)冷度相對(duì)最大，壓降相對(duì)最小，冷凝器換熱性能相對(duì)最優(yōu)[4]。

圖1 平行流微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

扁管的寬度及其內(nèi)部微孔的形式和數(shù)目，對(duì)換熱性能和制冷劑的充注量有較大影響。相同規(guī)格的扁管，扁管孔徑較小的微通道換熱器其換熱系數(shù)較大且制冷劑充注量較小，但其制冷劑側(cè)的壓降會(huì)隨著孔徑的減小而增加。

圖2 扁管結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與分析

3.1微通道冷凝器對(duì)熱泵熱水器性能的影響

本實(shí)驗(yàn)研究按現(xiàn)有空氣能熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的微通道冷凝器與機(jī)組原配置的銅管盤(pán)管冷凝器的匹配實(shí)驗(yàn)測(cè)試，從而取得性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

為能對(duì)比微通道冷凝器與銅管盤(pán)管冷凝器的性能差異，我們?cè)囍屏藘膳_(tái)樣機(jī)，一臺(tái)使用新設(shè)計(jì)的微通道冷凝器，一臺(tái)使用原配置的銅管盤(pán)管冷凝器，將兩臺(tái)樣機(jī)在同一熱水器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表1 微通道冷凝器與銅管盤(pán)管冷凝器的性能對(duì)比結(jié)果

3.2 微通道換熱器流程數(shù)對(duì)熱泵熱水器性能的影響

本實(shí)驗(yàn)研究微通道冷凝器設(shè)計(jì)的流程數(shù)對(duì)熱泵熱水器性能的影響。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為兩臺(tái)使用扁管數(shù)相同，流程數(shù)不同的微通道冷凝器，在同一熱水臺(tái)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表2 微通道流程數(shù)對(duì)機(jī)組性能的影響對(duì)比

3.3微通道換熱器與水箱內(nèi)膽的位置關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)研究微通道冷凝器與水箱內(nèi)膽間的位置對(duì)熱泵熱水器性能的影響。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用同一臺(tái)機(jī)組，通過(guò)多次更改微通道換熱器與水箱內(nèi)膽間的位置（距底邊的留空高度），分別測(cè)試各方案下的熱泵熱水器性能，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表3 微通道換熱器不同留空高度的性能對(duì)比結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用水箱內(nèi)膽高度為1400mm、內(nèi)膽直徑為400mm的水箱，通過(guò)公式計(jì)算得出水箱下部留空高度為h=1400×0.28×0.27×0.90=95.256mm，而經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)最終確認(rèn)的留空高度h=90mm；對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，水箱下部留空90mm的方案機(jī)組性能系數(shù)較水箱下部不留空的方案提升0.35，系統(tǒng)運(yùn)行壓力降低0.15MPa。

圖3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，水箱下部留空高度與水箱內(nèi)膽高度和內(nèi)膽直徑有關(guān)系，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行估算得出。計(jì)算參數(shù)如下：內(nèi)膽高度H、內(nèi)膽直徑Ф、高度折算系數(shù)α、直徑折算系數(shù)β、修正系數(shù)γ。

其中，折算系數(shù)α、β及修正系數(shù)γ按下表得出。

水箱下部微通道換熱器留空高度估算公式：

h=H×α×β×γ，其中50≤h≤200mm；

若h

以上計(jì)算公式可以計(jì)算出留空的大概高度，具體性能最優(yōu)的高度值需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步驗(yàn)證確認(rèn)。

3.4 微通道換熱器的換熱特點(diǎn)

微通道換熱器作為冷凝器應(yīng)用于熱泵熱水器，主要是由高溫制冷劑向低溫水傳遞熱量，其傳熱溫差直接影響機(jī)組的制熱量，這也與系統(tǒng)的制冷劑特性有關(guān)。微通道換熱器自身還有很多特點(diǎn)還值得研究，由于微通道換熱器在性能及成本上的優(yōu)勢(shì)，將逐步廣泛應(yīng)用于冷凝器，水盤(pán)管，蒸發(fā)器以及熱泵等制冷系統(tǒng)中。

微通道換熱不同于宏觀（指尺寸>1mm）通道換熱的機(jī)理。受通道形狀、壁面粗糙度、流體品質(zhì)、表面過(guò)熱量、分子平均自由程與通道尺寸之比等眾多因素的影響，微通道換熱呈現(xiàn)出一些特殊的特點(diǎn)[5]。

（1）換熱效率隨熱導(dǎo)率變化。

（2）在一定流量范圍內(nèi)，金屬微通道換熱器可超負(fù)荷運(yùn)行，不宜在亞負(fù)荷狀態(tài)下操作，這點(diǎn)與常規(guī)尺度換熱器系統(tǒng)有明顯的區(qū)別。

（3）微通道換熱器作為冷凝器使用時(shí)可采用熱導(dǎo)率相對(duì)較低的金屬材料（如不銹鋼），但考慮到材料成本，現(xiàn)在微通道換熱器多采用全鋁制作。

（4）制冷劑在微通道冷凝器中冷凝后的流動(dòng)和傳熱主要是周期性的過(guò)冷流動(dòng)沸騰，而一旦達(dá)到臨界熱流密度，微通道中的流動(dòng)和傳熱主要是一個(gè)蒸汽周期性逸出的過(guò)程，影響換熱性能。

（5）入口段效應(yīng)對(duì)工質(zhì)換熱的影響十分顯著。

4 結(jié)論

（1）熱泵熱水器采用平行流微通道冷凝器代替銅管盤(pán)管冷凝器，增大了水箱內(nèi)膽與換熱器間的接觸面積，增強(qiáng)了換熱，使換熱更充分，在一定程度上可以降低系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

（2）微通道換熱器的換熱性能隨著流程數(shù)的增加而增加，但當(dāng)流程達(dá)到一定程度時(shí)，換熱性能不再提高；于此同時(shí)，壓降會(huì)隨著流程數(shù)的增加而迅速增加。

（3）對(duì)于單凸型水箱，盤(pán)繞微通道換熱器時(shí)將水箱下部留空約50～200mm的距離，這樣在加熱過(guò)程中，使留空部分的冷水與上部的熱水產(chǎn)生相互作用，從而對(duì)外繞微通道換熱器的冷凝作用產(chǎn)生過(guò)冷效果，提升機(jī)組性能，而且可以降低系統(tǒng)運(yùn)行壓力，提升機(jī)組可靠性?！?/p>

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭賢德. 制冷原理與裝置. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.11：14～15.

[2] 家用和類似用途熱泵熱水器. GB/T 23137-2008.

[3] 高紅，陳旭，朱企新.微型換熱器研究進(jìn)展[J].化工機(jī)械，2004，4（31）：244-248.

[4] 王榮漢，蔡亮，蔡華林. 扁管分配布置方式對(duì)平流式冷凝器換熱性能影響. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，Vol.29 No.2 Apr. 2010. 37-40.

[5] 蘇尚美，張亞男，成方園. 微通道換熱器的特性分析及應(yīng)用. 區(qū)域供熱. 2007.5期.