微通道換熱器在空調(diào)應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀

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（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，江蘇太倉215400）

0 引言

微通道換熱器最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)較多應(yīng)用于電子元器件的散熱，后逐漸應(yīng)用汽車空調(diào)領(lǐng)域。隨著技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，微通道換熱器現(xiàn)已在家用及商用空調(diào)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所謂微通道換熱器，通常是指水力當(dāng)量直徑小于1 mm的換熱器。微通道換熱器采用全鋁結(jié)構(gòu)制成，通常由具有多個(gè)平行小孔的扁管、鋁帶開窗折疊成型的翅片以及集流管組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 微通道換熱器的優(yōu)點(diǎn)

由于微通道換熱器的緊湊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此逐漸地在空調(diào)行業(yè)中得到應(yīng)用。同現(xiàn)有的管式翅片換熱器相比，微通道換熱器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)簡圖

1）換熱效率高。微通道換熱器單位體積流體與流道的接觸面積要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的管翅式換熱器，基于相同換熱能力，微通道換熱器的體積比傳統(tǒng)的管式翅片換熱器要小近1個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。同時(shí)小水力直徑的微通道使得邊界層厚度大大減小，傳熱熱阻也隨之減小，因此在換熱方面微通道換熱器呈現(xiàn)高傳熱系數(shù)、高熱流量的特征。

2）體積小，重量輕。由于微通道換熱器是由扁管、翅片以及集流管通過焊接加工而成，相對(duì)于傳統(tǒng)的管式翅片換熱器，其結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)由于其高效的換熱效率，在相同能效的情況下，微通道換熱器的外形尺寸及質(zhì)量都比管式翅片換熱器要小。

3）成本低。微通道換熱器采用的是全鋁結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的管式翅片換熱器需要用到銅管，由于銅的價(jià)格高于鋁的價(jià)格，因此采用全鋁制造的微通道換熱器在原材料成本上要低于管式翅片換熱器。同時(shí)當(dāng)進(jìn)行設(shè)備回收時(shí)，微通道換熱器相比管式翅片換熱器等其他形式換熱器，由于其材料單一，故其回收簡單，成本低。

4）制冷劑充注量少。由于在相同換熱能力下，微通道換熱器內(nèi)部腔體容積明顯小于管式翅片換熱器，故微通道換熱器的制冷劑充注量小于管式翅片換熱器。

2 結(jié)霜性能的研究

微通道換熱器在家用空調(diào)或者商用空調(diào)的應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜的情況。對(duì)目前出現(xiàn)的多數(shù)的結(jié)霜情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：外界空氣的溫度和濕度、換熱器表面處理方式、冷凝水殘留量的多少以及翅片結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)微通道換熱器的結(jié)霜性能產(chǎn)生影響。通過比較微通道換熱器與管式翅片換熱器在結(jié)霜條件下的性能[2]發(fā)現(xiàn)，制冷劑分配不均是影響換熱器結(jié)霜性能的關(guān)鍵因素之一。

換熱器表面處理會(huì)影響其表面冷凝水的殘留量，進(jìn)而對(duì)換熱器的結(jié)霜性能產(chǎn)生影響。為了進(jìn)一步分析其影響性能的大小，Ehsan Moallem等[3-4]分別對(duì)微通道換熱器的表面進(jìn)行親水和疏水處理，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)霜性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過親水處理的微通道換熱器在結(jié)霜條件下的工作性能要好于經(jīng)過疏水處理的微通道換熱器，且二者的結(jié)霜外觀不一致，但是兩種處理方式對(duì)微通道換熱器的結(jié)霜時(shí)間沒有太多影響。同時(shí)在此基礎(chǔ)上還研究了冷凝水殘留量對(duì)結(jié)霜性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):經(jīng)過疏水涂層處理的干翅片比濕翅片的表面結(jié)霜時(shí)間長25%，而經(jīng)過親水涂層處理的干翅片比濕翅片的表面結(jié)霜時(shí)間長60%。

通過對(duì)比翅片間距和微通道換熱器傾角不同條件下的結(jié)霜情況，有研究表明，集管中的制冷劑分配不均對(duì)微通道換熱器的結(jié)霜性能影響明顯[5]。針對(duì)不同冷媒溫度以及空氣露點(diǎn)溫度，盛偉等[6]分3種工況對(duì)微通道換熱器作為蒸發(fā)器的結(jié)霜性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)冷媒溫度低于露點(diǎn)溫度但均高于0℃時(shí)，換熱器并未出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象；當(dāng)冷媒溫度低于0℃，露點(diǎn)溫度高于0℃時(shí)，在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后，換熱器壓力損失68 Pa，換熱量減小20 W，換熱器結(jié)霜，但迎風(fēng)面相對(duì)于背風(fēng)面結(jié)霜較少；當(dāng)冷媒溫度低于露點(diǎn)溫度且均低于0℃時(shí)，換熱器壓力損失533 Pa，換熱量減小300 W，且背風(fēng)面出現(xiàn)嚴(yán)重霜堵現(xiàn)象（表1）。

從上述各種研究成果可以發(fā)現(xiàn)，制冷劑分配不均、換熱器的表面處理均對(duì)結(jié)霜性能產(chǎn)生較大影響。冷凝水殘留量越大，換熱器表面越容易結(jié)霜。周圍環(huán)境的溫度和濕度均對(duì)結(jié)霜性能產(chǎn)生較大影響。同時(shí)換熱器的結(jié)霜情況直接影響微通道換熱器的整體換熱性能。

表1 不同工況下微通道換熱器結(jié)霜性能

3 翅片參數(shù)對(duì)換熱性能影響的研究

翅片是微通道換熱器中用來換熱的部件，翅片一般由鋁帶開窗折疊形成[7]。翅片的間距、高度以及開窗角度等重要參數(shù)對(duì)換熱器的換熱性能有一定的影響[8]。

通過建立百葉窗翅片的數(shù)值模型，研究翅片參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)翅片間距Fp對(duì)于換熱量的影響較大，減小翅片間距Fp可增加換熱器的換熱量；相同開窗長度下，隨著翅片高度Fh的增加換熱量變化不大，但可以降低微通道換熱器的成本。

李炅等[10]利用有限元分析軟件對(duì)整體翅片式微通道換熱器空氣側(cè)的熱力性能進(jìn)行數(shù)值模擬，并與常規(guī)型式微通道換熱器空氣側(cè)的熱力性能進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，增加翅片高度，減少翅片間距可以明顯提高換熱器的換熱性能。

圖2 翅片結(jié)構(gòu)簡圖

張興群等[9]研究了微通道換熱器作為冷凝器時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，迎面風(fēng)速等參數(shù)對(duì)換熱器換熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)減少微通道換熱器的翅片高度和間距可以提高空氣側(cè)的換熱系數(shù)，增加冷凝器散熱量，提高換熱性能。

上述研究可以發(fā)現(xiàn)，翅片間距對(duì)換熱量的影響較大且最為明顯，即減小翅片間距有助于增加換熱量，提高換熱器換熱性能；而增加翅片高度可以提高換熱性能同時(shí)降低換熱器生產(chǎn)成本。

4 與管式翅片換熱器的對(duì)比研究

相對(duì)于微通道換熱器，管式翅片換熱器在空調(diào)中的應(yīng)用更早，且更加廣泛。管式翅片換熱器在空調(diào)中的應(yīng)用已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且部分成果已形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。微通道換熱器在空調(diào)中的應(yīng)用還是近幾年發(fā)展起來的，很多參數(shù)的研究都需要參考對(duì)比管式翅片換熱器，因此通過對(duì)比性的試驗(yàn)以探究微通道換熱器的性能顯得尤為重要。

在相同換熱能力條件下，通過實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比了微通道換熱器和管式翅片換熱器的換熱性能[11-12]，研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是在體積和質(zhì)量上，還是在換熱效率和制冷劑充注量上，微通道換熱器都明顯優(yōu)于管式翅片換熱器。在體積、外形、翅片間距及迎風(fēng)面積相同的條件下，采用微通道的空調(diào)系統(tǒng)制冷量提高3.4%，且制冷劑側(cè)壓降減小，COP提高13.1%。將商用空調(diào)系統(tǒng)中的管式翅片換熱器替換成微通道換熱器并進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究[13]，發(fā)現(xiàn)在不同標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，微通道換熱器與管式翅片換熱器的制冷量相差不大，但是系統(tǒng)COP平均提高了2.45%，系統(tǒng)充注量相較于管式翅片換熱器有所減少，材料成本減少極為明顯。在25℃、35℃、43.3℃三種不同的環(huán)境溫度下，商萍君[14]研究了風(fēng)冷渦旋式冷水機(jī)組中使用的微通道換熱器和管式翅片換熱器的換熱性能差異，發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷凝傳熱溫差相同時(shí)，微通道換熱器的冷凝傳熱量均大于管式翅片換熱器，微通道換熱器比管式翅片換熱器在冷凝傳熱性能方面優(yōu)勢明顯。

圖3 管式翅片換熱器1250 h后腐蝕狀態(tài)

圖4 微通道換熱器1250 h后腐蝕狀態(tài)

劉志孝等[15]通過對(duì)管式翅片換熱器和微通道換熱器進(jìn)行腐蝕研究，對(duì)比分析腐蝕對(duì)換熱器傳熱和空氣流通阻力的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過1250h的中性鹽霧試驗(yàn)后，管式翅片換熱器主體完好（圖3[15]），但邊板處的翅片因腐蝕嚴(yán)重而出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而微通道換熱器局部區(qū)域的翅片脫離扁管（圖4[15]），出現(xiàn)翅片粉化現(xiàn)象；腐蝕引起換熱器的傳熱性能下降，1250 h時(shí)微通道換熱器的換熱量衰減程度明顯大于管式翅片換熱器；腐蝕引起換熱器的空氣流通阻力增大，微通道換熱器的風(fēng)阻增幅明顯高于管式翅片換熱器。

綜合上述對(duì)比研究可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，使用微通道換熱器的系統(tǒng)的COP值均比管式翅片換熱器的系統(tǒng)有明顯的提高，微通道換熱器的換熱性能明顯好于管式翅片換熱器，微通道換熱器的換熱優(yōu)勢以及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢十分顯著。但是在腐蝕性對(duì)比研究中，在經(jīng)歷上千小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)后，微通道換熱器的腐蝕程度大于管式翅片換熱器，導(dǎo)致微通道換熱器的換熱性能衰減明顯大于管式翅片換熱器。

5 結(jié)論

微通道換熱器以其高效的換熱性能、較低的生產(chǎn)使用成本和緊湊的結(jié)構(gòu)體積，越來越受到空調(diào)行業(yè)的關(guān)注。本文主要介紹了微通道換熱器的結(jié)霜性能和翅片參數(shù)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了微通道換熱器與管式翅片換熱器的性能對(duì)比研究現(xiàn)狀。

關(guān)于結(jié)霜性能的研究可以發(fā)現(xiàn)，制冷劑分配不均、冷凝水殘留量大小對(duì)結(jié)霜性能影響較大。換熱器的表面處理影響冷凝水殘留量，進(jìn)而影響換熱器結(jié)霜性能，換熱器的結(jié)霜情況直接影響微通道換熱器的整體換熱性能。關(guān)于翅片參數(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)：翅片間距對(duì)換熱量的影響較大，減小翅片間距有助于增加換熱量，提高換熱器換熱性能；而增加翅片高度可以提高換熱性能同時(shí)降低換熱器生產(chǎn)成本，因而增加翅片高度具有很好的經(jīng)濟(jì)性。通過與管式翅片換熱器性能對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，使用微通道換熱器系統(tǒng)的COP值均比管式翅片換熱器的系統(tǒng)有明顯的提高，微通道換熱器的換熱性能明顯好于管式翅片換熱器。但是在腐蝕性對(duì)比研究中，在經(jīng)歷一定時(shí)間的腐蝕試驗(yàn)后，微通道換熱器的腐蝕程度明顯大于管式翅片換熱器，導(dǎo)致微通道換熱器的換熱性能衰減明顯大于管式翅片換熱器。綜合對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，微通道換熱較管式翅片換熱器還是有很大優(yōu)勢。