不同扁管壁厚設(shè)計的微通道換熱器性能和整機性能的試驗研究

陳晨+周鵬

摘 要：本文提出了一種用于比較不同設(shè)計的換熱器傳熱性能的測試方法和數(shù)據(jù)分析方法。對比測試分析了變頻螺桿式風冷冷水機組用0.28mm扁管壁厚的微通道換熱器和加厚型0.32m扁管壁厚的微通道換熱器的性能差異。測試時，環(huán)境溫度從35℃～43.3℃，改變壓縮機的運行頻率從50Hz～203Hz以改變進入微通道換熱器的制冷劑質(zhì)量流速；改變風機頻率從20Hz～60Hz，以改變進風風量，評估不同扁管壁厚設(shè)計的微通道在換熱器傳熱性能和整機性能的差異。采用0.32mm扁管壁厚的微通道換熱器，相比于標準0.28mm扁管壁厚的微通道換熱器，在環(huán)境溫度為35℃～43.3℃時，冷凝溫度增大約0.57℃～0.78℃，制冷量降低了4.2%～6.9%，壓縮機功率降低了1.8%～5.2%，機組COP降低3.2%～5.3%。

關(guān)鍵詞：微通道換熱器；扁管壁厚

1.前言

0.28mm扁管壁厚和加厚型0.32mm扁管壁厚的微通道換熱器的設(shè)計相同點和不同點在于：

1. 扁管的制冷劑通道數(shù)和通道水力直徑相同，其加工過程和制造公差要求相同；

2. 單片換熱器的扁管總數(shù)相同，流程間的分程隔板在氣管頭管中的位置相同，流程布置扁管數(shù)量相同；

3. 翅片的翅型規(guī)格相同，由于扁管壁厚不同，兩根扁管之間的中心間距相同時，扁管間的翅片區(qū)域的翅片高度不同，扁管壁厚加厚到0.32mm后，翅片高度減小0.08mm，會引起翅片側(cè)傳熱面積減小，風機設(shè)計不變時，0.32mm扁管壁厚的微通道換熱器的空氣側(cè)阻力損失加大，流經(jīng)微通道換熱器的風量減小。對于傳熱熱阻主要在空氣側(cè)的微通道換熱器來說，空氣側(cè)傳熱性能由于迎面風速減小和傳熱面積減小而降低。

2. 0.28mm和0.32mm扁管壁厚的微通道性能測試數(shù)據(jù)對比

2.1確定測試方案和數(shù)據(jù)分析的方法

微通道換熱器性能對比測試是在同一臺機組上進行測試的。為了準確和方便地比較不同結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的微通道換熱器的性能優(yōu)劣，設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)分析的步驟如下：

1.分別測試環(huán)境溫度為35℃，37.8℃，40.5℃，43.3℃。在每一個環(huán)境溫度值，改變壓縮機的運行頻率為50Hz，75Hz，100Hz，125Hz，150Hz，175Hz，200Hz，203Hz用以改變管內(nèi)制冷劑側(cè)質(zhì)量流量和冷凝換熱量，調(diào)節(jié)風機變頻器輸出頻率為60Hz，45Hz，25Hz改變風機轉(zhuǎn)速和進入微通道換熱器的風機風量。以確保性能的比較是基于不同的管內(nèi)制冷劑側(cè)質(zhì)量流速和不同的風側(cè)風量條件。

2.在測試過程中通過無需調(diào)整制冷劑沖注量，在每一個環(huán)境溫度測試點的所有變壓縮機頻率和風機頻率工況，均通過改變電子膨脹閥的開度使冷凝器的冷凝器出口制冷劑的溫度在各個測試工況下保持基本相同。在降低壓縮機運行頻率時，冷凝器的出口制冷劑溫度會逐步降低，當無法保證各個工況點的環(huán)境溫度完全相同以及冷凝器出口制冷劑液體溫度完全相同時，可以通過以下方法對實驗數(shù)據(jù)進行修正。

3.冷凝器出口的制冷劑液體溫度的修正方法如下：冷凝器進口飽和溫度減去進風溫度等于冷凝器的傳熱溫差，dTsat=Tsat，coil-Tair，on，冷凝器出口的制冷劑溫度為Tliq，out，每一個環(huán)境溫度點的所有Tliq，out測試數(shù)據(jù)的平均值減去各測試項目的液相溫度Tliq，out，按照下來公式修正冷凝器的傳熱溫差，dTsat，correct= dTsat-（Tliq，average-Tliq，out）*0.29，由于冷凝器的平均換熱溫差既取決于冷凝溫度又取決于液相溫度，當某個測試工況的液相溫度較低時，其修正后的傳熱溫差會減小。

4.繪制傳熱溫差dTsat，correct= dTsat-（Tliq，average- Tliq，out）*0.29與微通道換熱器的換熱量的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，換熱器的換熱量與傳熱溫差成正比例或近似二次曲線的關(guān)系。即通過傳熱溫差和傳熱量的關(guān)系分析不同設(shè)計的微通道換熱器的傳熱性能，將所有影響因素全部歸結(jié)到傳熱溫差和傳熱量的數(shù)據(jù)中。

2.2扁管壁厚對微通道傳熱性能的影響

某兩組同工況運行的測試數(shù)據(jù)，要進行比較，須要求運行工況須完全相同，如環(huán)境溫度、進/出水溫度、水流量、壓縮機頻率、風機頻率等，單獨對比分析某些數(shù)據(jù)是可行的。

在43.3℃環(huán)境溫度工況點，不同傳熱量對應(yīng)的冷凝器進口的冷凝溫度從45℃～65℃升高時，單片微通道換熱器盤管的換熱量從15kW～120kW提高。同樣冷凝溫度時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的傳熱量相比0.32mm設(shè)計的高3.4%～10.0%，3.4%對應(yīng)大傳熱量和大傳熱溫差的工況，隨著傳熱量和傳熱溫差的降低，這一數(shù)值逐步升高，平均高約4.9%。反之，同樣冷凝傳熱量時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的冷凝溫度相比0.32mm設(shè)計的低0.4℃～0.87℃，平均低0.60℃。

由于冷凝溫度和過冷度的影響，制冷量和功率降低4.4%～9.4%和-0.1%～5.0%，平均降低5.4%和1.8%，機組COP降低0.6%～4.4%，平均降低3.2%。

對比37.8℃和40.5℃環(huán)境溫度工況的測試數(shù)據(jù)，可以看到兩種環(huán)境溫度下的對比測試數(shù)據(jù)結(jié)論基本一致，同樣冷凝溫度時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的傳熱量相比0.32mm設(shè)計的高約1.8%～13.4%，平均高6.8%，反之，同樣冷凝傳熱量時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的冷凝溫度相比0.32mm設(shè)計的低0.38℃～0.96℃，平均低0.78℃。

由于冷凝溫度和過冷度的影響，制冷量和功率降低2.5%～12.1%和1.4%～11.2%，平均降低6.9%和5.2%，機組COP降低1.1%～4.4%，平均降低3.1%。

在35℃環(huán)境溫度測試工況點，同樣冷凝溫度時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的傳熱量相比0.32mm設(shè)計的高約1.1%～11.4%，平均高4.1%，反之，同樣冷凝傳熱量時，0.28mm扁管設(shè)計的微通道換熱器的冷凝溫度相比0.32mm設(shè)計的低0.32℃～0.97℃，平均低0.57℃。

由于冷凝溫度和過冷度的影響，制冷量和功率降低1.6%～10.9%和-0.8%～7.5%，平均降低4.2%和3.0%，機組COP降低3.0%～9.9%，平均降低5.3%。

3.結(jié)論

本文提出了一種用于比較不同設(shè)計的換熱器傳熱性能的測試方法和數(shù)據(jù)分析方法。對比測試分析了0.28mm扁管壁厚的微通道換熱器和加厚型0.32m扁管壁厚的微通道換熱器的性能差異。

（1）測試時，環(huán)境溫度從35℃～43.3℃，改變壓縮機的運行頻率從50Hz～203Hz以改變進入微通道換熱器的制冷劑質(zhì)量流速；改變風機頻率從20Hz～60Hz，以改變進風風量，評估不同扁管壁厚設(shè)計的微通道在換熱器傳熱性能和整機性能的差異。

（2）采用的數(shù)據(jù)分析方法，即通過傳熱溫差和換熱量的關(guān)系分析不同設(shè)計的微通道換熱器的傳熱性能，將所有影響因素全部歸結(jié)到傳熱溫差和換熱量的數(shù)據(jù)中，用以分析不同換熱器的性能差異。

（3）試驗測試結(jié)果表明：采用0.32mm扁管壁厚的微通道換熱器，相比于標準0.28mm扁管壁厚的微通道換熱器，在環(huán)境溫度為35℃～43.3℃時，冷凝溫度增大約0.57℃～0.78℃，制冷量降低了4.2%～6.9%，壓縮機功率降低了1.8%～5.2%，機組COP降低3.2%～5.3%。

參考文獻：

[1] 章熙民，任澤霈，等.傳熱學[M].第五版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 陶文銓，數(shù)值傳熱學[M]，陜西：西安交通大學出版社1988：431-451endprint