微通道光管換熱器的運(yùn)行特性及影響因素

陳尚秋，崔 昊，李 娟

(1.蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州 215011；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210000)

微通道光管換熱器的運(yùn)行特性及影響因素

陳尚秋1，崔 昊2，李 娟1

(1.蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州 215011；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210000)

為了研究微通道光管換熱器的運(yùn)行特性，在R22制冷系統(tǒng)中將其作為冷凝器、在R134a制冷系統(tǒng)中將其同時作為冷凝器和蒸發(fā)器分別進(jìn)行試驗(yàn)研究，并進(jìn)行單根微通道光管外空氣繞流數(shù)值模擬。試驗(yàn)研究表明，微通道光管換熱器具有較高的換熱系數(shù)和單位面積換熱量，且毛細(xì)管長度、制冷劑充注量對于其運(yùn)行性能具有不同程度的影響。外徑為0.7 mm的單根微通道光管外部流場數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，而且與大管徑光管相比，小管徑光管邊界層較薄，對流換熱過程更強(qiáng)烈，換熱效果更明顯。

微通道光管換熱器；毛細(xì)管長度；制冷劑充注量；數(shù)值模擬；運(yùn)行特性

1 前言

微通道換熱器是基于微通道、微制造技術(shù)的一種高效、緊湊式換熱器，其工程背景來源于高密度電子器件的冷卻以及微電子機(jī)械系統(tǒng)的傳熱，具有體積小、質(zhì)量輕、換熱比表面積大、傳熱效率高等特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)、汽車空調(diào)與制冷領(lǐng)域[1～4]。

國內(nèi)外學(xué)者多將微通道換熱器用作冷凝器并將其與傳統(tǒng)尺度的換熱器進(jìn)行對比分析。Kim將微通道和管翅式換熱器分別作為冷凝器應(yīng)用于R22空調(diào)系統(tǒng)[5]。結(jié)果表明，微通道冷凝器的單位體積熱流密度高出14%～33%，而其質(zhì)量、體積和制冷劑充注量分別減少35%、55%和35%。邵世婷等通過實(shí)驗(yàn)研究了R134a在微通道中的相變傳熱特性，并模擬了微通道冷凝器在設(shè)計工況下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程[6]。殷輝等研究了微通道蒸發(fā)器在不同R404A充注量下的運(yùn)行特性。但是，將微通道換熱器同時用作蒸發(fā)器與冷凝器從而研究其運(yùn)行性能的報道卻甚為少見[7]。為此，本文主要研究微通道同時用作蒸發(fā)器與冷凝器時其運(yùn)行特性的影響因素，并通過軟件進(jìn)行數(shù)值模擬和對比分析，從而為優(yōu)化微通道光管換熱器的換熱性能提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 微通道換熱器

微通道換熱器主要由冷媒進(jìn)、出口管和換熱機(jī)構(gòu)組成，換熱機(jī)構(gòu)為純紫銅制微通道，單根光管內(nèi)徑0.33 mm，外徑0.7 mm，長度為60 mm，無翅片，四排，共計4×162=648 根，斷面尺寸368×185 mm2，冷媒自上而下流經(jīng)微通道換熱，具體結(jié)構(gòu)由圖1所示。

圖1 微通道光管換熱器外形結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。試驗(yàn)過程中，首先以微通道換熱器作為冷凝器，以R22作為制冷劑，實(shí)施“單體”換熱試驗(yàn)。然后，以微通道換熱器同時作為冷凝器和蒸發(fā)器，以R134a作為制冷劑，實(shí)施“雙體”換熱試驗(yàn)。試驗(yàn)對象為夏季一間面積8 m2的房間，采用空氣橫掠的方式實(shí)現(xiàn)冷凝器和蒸發(fā)器的換熱過程。圓筒型儲液罐的高度為180 mm，內(nèi)徑為70 mm。毛細(xì)管內(nèi)徑為1.58 mm。

圖2 試驗(yàn)裝置原理示意

壓縮機(jī)采用國產(chǎn)慶安YZG-F41R。蒸發(fā)壓力與冷凝壓力由鴻森數(shù)字雙表閥 HS-350A測量，測量范圍-0.1～4.2 MPa，精度±0.75%。溫度由普源M300數(shù)據(jù)采集儀連接T型熱電偶進(jìn)行采集。蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)干、濕球溫度采用臺灣衡欣AZ8716干、濕溫度計測量，干球溫度測量范圍-20～+50℃，濕球溫度測量范圍-21.6～50.0℃，精度±0.6℃。采用大立T31紅外熱像儀測量冷凝器和蒸發(fā)器表面熱成像，測溫范圍-20～350℃，精度±2℃。

3 冷凝器“單體”換熱試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中，使用2臺微通道換熱器并聯(lián)作為冷凝器，換熱面積368×370mm2，通道數(shù)1296根。制冷劑R22的體積流量為1.115×10-3m3/s，冷凝風(fēng)機(jī)和蒸發(fā)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分別為3151.22，984.77m3/h，風(fēng)速分別為6.394，1.948m/s。分別測試了不同的毛細(xì)管長度和制冷劑充注量對于系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。

3.1 毛細(xì)管長度對于運(yùn)行性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 毛細(xì)管長度對于制冷系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

根據(jù)暖通空調(diào)設(shè)計的相關(guān)規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，為了達(dá)到最佳的換熱效果，蒸發(fā)壓力處于0.3～0.5 MPa，冷凝壓力處于1.5～1.8 MPa[8]。因?yàn)榇藭r制冷量相對低壓達(dá)到一個較好的水平，蒸發(fā)器不會結(jié)霜，同時有利于降低壓縮機(jī)功耗，提高能效比。試驗(yàn)過程中，當(dāng)毛細(xì)管長度由2300 mm逐步調(diào)整至300 mm時，蒸發(fā)壓力逐漸降低，而冷凝壓力呈上升趨勢。冷凝壓力影響著壓縮機(jī)耗功量的大小。但當(dāng)毛細(xì)管長度降到一定程度后，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力均沒有什么明顯的變化，溫差也只有很小的提高。另一方面，冷凝器表面溫度的均勻程度也是毛細(xì)管的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一。在調(diào)節(jié)毛細(xì)管長度的過程中，紅外熱成像儀觀察到冷凝器表面出現(xiàn)了溫度分布不均勻和相對均勻的圖像。這是因?yàn)椋谥评鋭┝髁恳欢ǖ那闆r下，毛細(xì)管越長，節(jié)流阻力越大，導(dǎo)致蒸發(fā)器中流量減少，蒸發(fā)壓力降低，冷凝器中流量增加，冷凝壓力升高，制冷劑流量分配不均，從而造成溫度分布不均，因此，調(diào)節(jié)毛細(xì)管長度能在很大程度上改善換熱效果。經(jīng)過綜合考慮，選取長度為500 mm的毛細(xì)管作為后續(xù)試驗(yàn)的最佳選擇。

3.2 制冷劑充注量對于運(yùn)行性能的影響

通過改變制冷劑R22的充注量，并采用溫差法計算出風(fēng)側(cè)對流換熱量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 制冷劑充注量對于制冷系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

在其他條件相同的情況下，隨著制冷劑充注量的增加，對流換熱溫差和換熱量都呈上升趨勢，但當(dāng)充注量達(dá)到一定量時，對流換熱溫差和換熱量出現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)橄到y(tǒng)流量的增加，增大了管內(nèi)的對流換熱，提高了換熱量，但隨著流量的增大，制冷劑流出冷凝器時并不能完全達(dá)到液態(tài)形式，呈氣液兩相流，無法提高對流換熱量。試驗(yàn)表明，對于一定長度的毛細(xì)管,存在一最佳充注量。換熱溫差一方面與管內(nèi)流體的對流換熱強(qiáng)度有關(guān)，另一方面與環(huán)境溫度有很大關(guān)系。這一因素也是影響對流換熱的關(guān)鍵。試驗(yàn)過程中，環(huán)境溫度最高接近40 ℃，換熱溫差減小，不利于冷凝器散熱，使得換熱量的試驗(yàn)結(jié)果偏低，造成一定的誤差影響。

基于上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用長度為500 mm的毛細(xì)管、415 g R22制冷劑進(jìn)行一組換熱試驗(yàn)計算，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表1所示。

表1 冷凝器單體試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

總傳熱系數(shù)K是衡量換熱器的一個關(guān)鍵指標(biāo)。微通道光管換熱器用作冷凝器時，管內(nèi)側(cè)和外側(cè)為對流換熱，管壁處為導(dǎo)熱。因此，可分別計算三部分的傳熱熱阻，進(jìn)而求出K值。首先，根據(jù)制冷劑溫度及流速，算得管內(nèi)雷諾數(shù)Re=269.5、管內(nèi)對流換熱系數(shù)αki=3698.7 W/(m2·K)。該值較常規(guī)換熱器要高得多，其中，管內(nèi)流速是一個重要因素，內(nèi)部湍流狀態(tài)很大程度上打破了邊界層的發(fā)展，使得換熱熱阻減小，從而增強(qiáng)了對流換熱效果。然后，由冷凝器進(jìn)風(fēng)風(fēng)速與溫度算得空氣側(cè)對流換熱系數(shù)αko=320.1 W/(m2·K)。最后，根據(jù)紫銅導(dǎo)熱系數(shù)、光管壁厚，算得總傳熱系數(shù)K=259.28 W/(m2·K)。冷凝器總換熱量為2.0kW，每根光管換熱量為1.54 W，單位面積換熱量為4311.8 W/m2。由此可以看出，微通道光管換熱器具有較高的換熱系數(shù)和單位面積換熱量。

4 冷凝器、蒸發(fā)器“雙體”換熱試驗(yàn)

利用相同的微通道光管換熱器同時作為冷凝器和蒸發(fā)器，以R134a作為制冷劑進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。計算可得系統(tǒng)COP為2.83，由此可見，微通道光管換熱器組成的“雙體”制冷系統(tǒng)具有較高的換熱性能。

表2 冷凝器、蒸發(fā)器“雙體”換熱試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

由穩(wěn)定工況下蒸發(fā)器表面溫度可知(見圖5)，蒸發(fā)器出口溫度與紅外熱成像儀顯示的溫度相差很小。但是，蒸發(fā)器表面溫度分布不均勻，這是由于光管管段極細(xì)，流量分布相對不均勻，這為以后進(jìn)一步提升其性能提供了方向。

圖5 蒸發(fā)器表面溫度成像

5 微通道光管換熱器數(shù)值模擬

為驗(yàn)證與常規(guī)通道相比，微通道具有更好的換熱性能的優(yōu)勢，且隨著管徑的減小，換熱性能越好，分別選擇外徑為0.1,0.7,10 mm的單根光管，并以上述冷凝器單體試驗(yàn)參數(shù)作為邊界條件，利用FLUENT軟件對微通道光管換熱器進(jìn)行光管外空氣擾流數(shù)值模擬，分析穩(wěn)態(tài)工況下光管外部空氣的流速及溫度分布情況。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過對邊界層進(jìn)行特殊加密處理達(dá)到更精確的計算效果[9]。微通道光管換熱器模型如圖6所示。

圖6 微通道光管換熱器模型

通過模擬可得，外徑為0.1,0.7,10 mm單根光管的壁面對流換熱系數(shù)分別為αa=850.39 W/(m2·K)、αb=305.58 W/(m2·K)、αc=86.45 W/(m2·K)，管壁相對速度梯度分別為Ga=2083.4 s-1、Gb=403.3s-1、Gc=42.1s-1。試驗(yàn)得到外徑為0.7 mm圓管的空氣側(cè)對流傳熱系數(shù)α0=320.1 W/(m2·K)。比較αb與α0，誤差為4.7%，結(jié)果較接近，證明了模擬結(jié)果是可信的。

光管外空氣擾流速度分布和溫度分布分別如圖7，8所示。

(a)外徑為0.1mm

(b)外徑為0.7mm

(c)外徑為10mm

圖7 光管外空氣擾流速度分布

(a)外徑為0.1mm

(b)外徑為0.7mm

(c)外徑為10mm

圖8 光管外空氣擾流溫度分布

由圖7可知，小管徑光管的壁面處空氣速度要明顯大于大管徑光管，管壁背風(fēng)側(cè)擾流強(qiáng)度相比大管徑的要強(qiáng)烈的多，而且持續(xù)的位移相比管徑自身的大小也要長，有利于對流換熱，提高換熱量。

由圖8(a)、(b)可知，管壁邊界層并未發(fā)生分離，經(jīng)過管壁后，其溫度影響持續(xù)相當(dāng)長一段位移，而且溫度變化也相對比較明顯，靠近管壁處的空氣溫度仍然保持著較高的溫度。由圖8(c)可知，在管段后部的邊界層發(fā)生分離處，邊界層的厚度明顯大于圖8(a)和8(b) ，管壁背風(fēng)側(cè)的空氣溫升也很小，流動相對平緩，沒有流動形態(tài)的轉(zhuǎn)變。而且，由模擬結(jié)果可知，Ga約為Gb的5倍，約為Gc的50倍，而Gb約為Gc的10倍，速度梯度越大則說明邊界層越薄，管壁與空氣側(cè)的熱阻越小，努塞爾數(shù)相對越大，因此對流換熱系數(shù)相對越大，同時有利于增強(qiáng)壁面氣流擾動，增強(qiáng)換熱效果。在單根光管外表面附近，小管徑光管的空氣速度方向與溫度梯度的夾角明顯小于大管徑，邊界層厚度也相對較小，這些因素決定了小管徑光管的對流換熱效果更好[10～13]。

在流體溫度和流速等條件相同時，St數(shù)愈大，發(fā)生于流體與固體壁面之間的對流換熱過程愈強(qiáng)烈[13]。通過計算可得：外徑為0.1,0.7,10 mm的單根光管的St數(shù)分別為0.11，0.043和0.01，顯然小管徑與流體進(jìn)行對流換熱的過程更加強(qiáng)烈。而且，由模擬結(jié)果可知，αa約為αb的3倍，約為αc的10倍，而αb約為αc的4倍，即管徑越小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越大，換熱性能越好。

6 結(jié)論

(1)試驗(yàn)表明，制冷劑充注量一定時，毛細(xì)管的長度影響著流量的分配和溫度分布，調(diào)節(jié)毛細(xì)管長度能在很大程度上改善換熱效果，并存在一最佳的毛細(xì)管長度。隨著制冷劑充注量的增加，對流換熱溫差和換熱量呈先增大后減小的趨勢，對于一定長度的毛細(xì)管，存在一最佳制冷劑充注量。

(2)利用微通道光管換熱器同時作為R134a制冷系統(tǒng)的冷凝器和蒸發(fā)器時，系統(tǒng)COP為2.83，說明系統(tǒng)具有較高的性能。但是，紅外熱成像儀顯示蒸發(fā)器表面溫度分布不均勻，這是由于光管管段極細(xì)導(dǎo)致流量分布相對不均勻。這為以后進(jìn)一步提升其性能提供了方向。

(3)外徑為0.7 mm的單根光管外部流場數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。與大管徑相比，小管徑邊界層較薄，對流換熱過程更強(qiáng)烈，換熱效果更明顯，且管徑越小，換熱越強(qiáng)。由試驗(yàn)和模擬結(jié)果對比可知，微通道在換熱性能和尺寸方面要優(yōu)于常規(guī)通道，體現(xiàn)了微尺效應(yīng)的優(yōu)勢。

微通道換熱器是比較新型的一種換熱器，是未來空調(diào)技術(shù)的發(fā)展方向，試驗(yàn)和模擬結(jié)果對以后進(jìn)一步提高與改善換熱器的性能有著相當(dāng)關(guān)鍵的理論指導(dǎo)，結(jié)構(gòu)緊湊、占用面積小的特點(diǎn)使其的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，并且在節(jié)能減排和降低能耗方面具有重要的意義。

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Research on the Operation Performance and Influencing Factors of Micro-channel Smooth-tube Heat Exchanger

CHEN Shang-qiu1,CUI Hao2,LI Juan1

(1.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011,China;2.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210000,China)

In order to study the operation characteristics of a micro-channel smooth-tube heat exchanger,it was used as condenser in R22 refrigeration system,and both as condenser and evaporator simultaneously in R134a refrigeration system,so as to carry out experimental research.Furthermore,numerical simulation was conducted for air flow around a single micro-channel smooth tube.The experimental research shows that such micro-channel smooth-tube heat exchanger has high heat exchange coefficient and specific-area heat exchange amount.Moreover,capillary length and filling amount of refrigerant have different effect on the operation characteristics.Numerical simulation result for the single micro-channel smooth tube with external diameter of 0.7mm agrees well with the experimental data,and compared to the tube with larger diameter,the tube with smaller diameter has thinner boundary layer,which corresponds to stronger convective heat transfer process and more apparent heat transfer effect.

micro-channel smooth-tube heat exchanger;capillary length;filling amount of refrigerant;numerical simulation;operation characteristics

1005-0329(2017)01-0082-05

2016-02-25

2016-03-29

TH12;TB657

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.015

陳尚秋(1987-)，男，研究生，建筑與土木工程專業(yè)，研究方向：供熱 供燃?xì)馔L(fēng)及空調(diào)工程，主要從事空調(diào)設(shè)備節(jié)能，通訊地址：215000 江蘇蘇州市高新區(qū)科銳路1號蘇州科技學(xué)院石湖校區(qū), E-mail：csqisxy@163.com。