毛細(xì)管型微通道冷凝器在風(fēng)冷空調(diào)中的應(yīng)用研究

李 健，劉其洋，張烽成，徐 旭

（常州大學(xué) 機械工程學(xué)院，常州 213164）

0 引言

隨著社會與科技的不斷的跨越，人們對風(fēng)冷空調(diào)設(shè)備性能的要求也不斷的提高。傳統(tǒng)的風(fēng)冷空調(diào)采用的是銅管鋁翅片冷凝器，壓縮機將高溫低壓的制冷濟壓縮成高溫高壓狀態(tài)，然后傳送到冷凝器中，經(jīng)過風(fēng)機冷卻成液體。然而由于氣態(tài)的制冷濟與銅管的傳熱系數(shù)較小，以及空氣的對流系數(shù)很低，因此即便在銅管上加散熱片，這種冷凝器的性能也不是很理想。與此同時微通道換熱器出現(xiàn)在人們的視野中。采用微通道不僅可以強化管內(nèi)傳熱，使換熱器緊湊、高效，而且還可以提高管道的耐壓能力[1]。所謂微通道換熱器，其較為通行、直觀的定義為水力直徑小于1mm的換熱器[2]。微型微通道換熱器可選用的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4和鋁等[3]。

目前，國內(nèi)外研究者對微通道冷凝器進(jìn)行了較為全面的研究，生產(chǎn)出相應(yīng)的微通道冷凝器，如平行流式、銅毛細(xì)管式和不銹鋼毛細(xì)管式等，并用于風(fēng)冷空調(diào)設(shè)備中。魯紅亮[4]等采用了經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式建立了平行流式微通道冷凝器的分布參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真模型，通過較為全面地分析了冷凝器中流程數(shù)和各流程扁管數(shù)的設(shè)置，得出優(yōu)化方案。張榮榮[5]將微通道冷凝器與傳統(tǒng)冷凝器進(jìn)行試驗對比，系統(tǒng)的分析了微通道冷凝器對風(fēng)冷設(shè)備性能的影響，為微通道冷凝器在大型風(fēng)冷機組上提供了理論基礎(chǔ)。

1 毛細(xì)管型微通道冷凝器與風(fēng)冷空調(diào)

風(fēng)冷空調(diào)一般由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機和節(jié)流裝置（膨脹閥或毛細(xì)管）組成，而大多風(fēng)冷空調(diào)中只要結(jié)構(gòu)空間允許，采用的都是傳統(tǒng)的銅管鋁翅片冷凝器，因為此冷凝器加工工藝完善以及理論計算較為精準(zhǔn)。但并不是所有風(fēng)冷空調(diào)經(jīng)過冷凝器計算后都有空間安裝銅管鋁翅片冷凝器，而且設(shè)備的微型化或小型化也是評價設(shè)備性能的一個指標(biāo)，因此微通道冷凝器的研究對風(fēng)冷空調(diào)的發(fā)展有重要意義。微通道換熱器的工程背景來源于上個世紀(jì)80年代高密度電子器件的冷卻和90年代出現(xiàn)的微電子機械系統(tǒng)的傳熱問題。后應(yīng)用于汽車空調(diào)設(shè)備，近年來工業(yè)的風(fēng)冷空調(diào)、除濕器等設(shè)備中也逐漸出現(xiàn)了微通道冷凝器。

風(fēng)冷設(shè)備的制冷性能是其重要的性能指標(biāo)之一，而設(shè)備的制冷性能由系統(tǒng)制冷系數(shù)所決定，一般在2.8～3.5之間。因此提高系統(tǒng)制冷系數(shù)的方法一直是風(fēng)冷空調(diào)研究的重要課題之一，其中降低冷凝溫度是最直接、最有效的方法。如果在環(huán)境溫濕度不變、冷凝溫度相同的情況下，只有提高冷凝器的制冷系數(shù)才能降低冷凝溫度、提高設(shè)備的制冷性能[6,7]。

本文采用的毛細(xì)管型微通道冷凝器，材質(zhì)為銅，由集流管、毛細(xì)管、隔板和加強筋組成。

圖1 微通道冷凝器三維示意圖

圖2 微通道冷凝器結(jié)構(gòu)圖

2 實驗裝置及方法

2.1 設(shè)備原理圖

如圖3所示，該風(fēng)冷系統(tǒng)由冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機、膨脹閥、低壓開關(guān)、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機、外循環(huán)風(fēng)機等元器件組成。

2.2 設(shè)備元器件型號

毛細(xì)管型微通道冷凝器的結(jié)構(gòu)：三排并聯(lián)，單排為480mm（長）×450mm（寬）×11mm（高），流程為98層、49層、25層，每層4根，每根銅毛細(xì)管外徑為0.7mm，內(nèi)徑為0.35mm。

常規(guī)冷凝器的結(jié)構(gòu)：6排，每排21層，每排管距12.7mm，每層管距21mm，銅管外徑7mm，壁厚0.5mm，每根管有效長度為450mm。翅片厚度0.115mm，翅片間距1.7mm。其迎風(fēng)面積與毛細(xì)管型微通道冷凝器相同。

圖3 風(fēng)冷空調(diào)的系統(tǒng)原理圖

其余設(shè)備元器件不變，規(guī)格型號如下：

壓縮機：谷輪壓縮機ZR28 K3E-PFJ；

膨脹閥：丹佛斯TEN2-04；

內(nèi)循環(huán)風(fēng)機：施樂百RH25V-2EP.WD.1R，風(fēng)量為1220m3/h@200Pa；

外循環(huán)風(fēng)機：EBM S2E300-AP02-30，風(fēng)量為2550m3/h@120Pa；

蒸發(fā)器：5排，每排18層，每排管距12.7mm，每層管距21mm，銅管外徑7mm，壁厚0.5mm，每根管有效長度為340mm。翅片厚度0.115mm，翅片間距1.7mm。

制冷劑：R134a；

沖注量：毛細(xì)管型微通道冷凝器用量為1200g，傳統(tǒng)冷凝器用量為2500g。

2.3 實驗方法及步驟

1）按照實驗原理圖將工裝搭好。風(fēng)冷空調(diào)通過送、回風(fēng)道與負(fù)載箱進(jìn)行連接，風(fēng)道、負(fù)載箱做保溫處理。在冷凝器進(jìn)、出口處安裝溫度、壓力傳感器，以便記錄；

圖4 實驗原理圖

2）將實驗箱內(nèi)部環(huán)境溫度升高至35℃，確保環(huán)境溫度一致。利用調(diào)壓器將負(fù)載箱內(nèi)部的加熱器調(diào)節(jié)發(fā)熱功率為3kW、3.5kW、4kW、4.5kW、5kW；

3）開啟空調(diào)，待運行穩(wěn)定后（內(nèi)循環(huán)進(jìn)出風(fēng)溫基本穩(wěn)定），分別記錄冷凝器進(jìn)出口溫度與壓力，共計5組。同時采用萬用表測量壓縮機的實際電流與電壓，記錄數(shù)據(jù)；

4）整理數(shù)據(jù)，將銅管鋁翅片安裝在空調(diào)中再按上述方法測試一遍，記錄數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗所采用的冷凝器不一樣，一個是毛細(xì)管型微通道冷凝器，另一個是傳統(tǒng)的鋁翅片銅管式冷凝器。除此之外，工況、實驗設(shè)備、記錄時間段都相同，保證了實驗的對比性。

3.1 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的出口壓力

由圖5可知，毛細(xì)管型微通道冷凝器的出口壓力整體呈現(xiàn)上升趨勢，3kW時出口壓力最小，為1.25MPa，此時內(nèi)環(huán)境溫度為24℃左右。加熱器功率為5kW時，出口壓力最大，為1.36MPa，此時內(nèi)環(huán)境溫度29℃左右。傳統(tǒng)冷凝器的出口壓力趨勢與毛細(xì)管型微通道冷凝器的出口壓力趨勢大體相同，只是超過前者0.1～0.2MPa。隨著加熱器的功率不停上升，蒸發(fā)器中制冷劑的相態(tài)隨之變化，冷凝器中制冷劑的相態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的變化，由液體狀態(tài)到汽液混合狀態(tài)，因此冷凝壓力才會呈現(xiàn)上升趨勢。

圖5 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的出口壓力對比

3.2 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的進(jìn)出口溫度

由圖6可以看出，加熱器功率小于4kW時，兩種冷凝器的進(jìn)口溫度呈緩慢上升趨勢。大于4kW時，進(jìn)口溫度呈穩(wěn)定狀態(tài)，毛細(xì)管型微通道冷凝器的進(jìn)口溫度為66℃左右，傳統(tǒng)冷凝器的進(jìn)口溫度為79℃左右，而前者的出口溫度基本穩(wěn)定在18℃左右，后者的出口溫度基本穩(wěn)定在24℃左右。因此可以從溫差角度看，毛細(xì)管型微通道冷凝器的穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)冷凝器。

圖6 在加熱器不同功率下兩種冷凝器進(jìn)出口溫度

3.3 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的COP

隨著加熱器功率的增加，在采用不同冷凝器的系統(tǒng)中負(fù)載箱內(nèi)的溫度不斷升高。由圖7可知，待兩種系統(tǒng)穩(wěn)定后，采用毛細(xì)管微通道冷凝器的制冷系統(tǒng)COP先不斷升高后略微下降最后平穩(wěn)，最高值接近1，平穩(wěn)值為0.9左右。而采用傳統(tǒng)鋁翅片銅管冷凝器的系統(tǒng)COP在不斷上升左后趨于平穩(wěn)，其最高值接近0.6，平穩(wěn)值為0.57左右。因此，在相同工作環(huán)境下，采用毛細(xì)管微通道冷凝器的制冷系統(tǒng)COP比采用傳統(tǒng)鋁翅片銅管冷凝器的系統(tǒng)高出50%～58%，而且由圖可清晰的看出前者的最小值比后者的最大值大。由此可得出在熱負(fù)載功率不斷上升的情況下，毛細(xì)管微通道冷凝器的性能比傳統(tǒng)鋁翅片銅管冷凝器好。

圖7 在加熱器不同功率下兩種冷凝器進(jìn)出口溫度

綜上所訴，在系統(tǒng)的性能上，毛細(xì)管型微通道冷凝器比傳統(tǒng)冷凝器高出20%～30%。在結(jié)構(gòu)空間上，前者的體積及重量是后者的一半左右，大大減少了資源浪費，并給設(shè)備節(jié)省了一部分空間，為設(shè)備向小型化甚至微型化提供了可能。在環(huán)境保護上，前者的制冷劑沖注量也是后者的一半左右，這不僅節(jié)約資金而且保護環(huán)境。

4 誤差分析

1）在鋁翅片銅管冷凝器安裝溫度傳感器和壓力傳感器時，無法保證安裝位置與微通道冷凝器完全一致，存在較小誤差。

2）環(huán)境工況溫度無法精確調(diào)節(jié)，誤差在±0.5℃之間，存在較小誤差。

5 結(jié)束語

毛細(xì)管型微通道冷凝器與傳統(tǒng)冷凝器相比，性能、結(jié)構(gòu)上有明顯的優(yōu)勢。在未來的微型化、小型化發(fā)展中，因其結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越的特點定會得到廣泛應(yīng)用。不過在其工藝制作過程中，會出現(xiàn)尺寸精度不好把握、焊接難度太大等問題，這也是接下來發(fā)展過程中要解決的難點。