微通道換熱器在地鐵車輛空調上的試驗研究

謝冰冰，李耀祥

(石家莊國祥運輸設備有限公司，河北 石家莊 050035)

0 引言

微通道換熱器因其質量輕、結構緊湊、換熱效率高等優(yōu)點廣泛應用于家用空調、商用空調及交通運輸空調/制冷領域。但目前尚無軌道運輸空調批量使用案例和經(jīng)驗。

地鐵車輛空調高度低，為保證冷凝水排放順暢，室內(nèi)換熱器不宜使用微通道。因此本文主要研究將微通道換熱器作為地鐵空調機組的冷凝器進行使用的情況。

1 地鐵空調機組介紹

計劃在鹽城運行的200 km中速磁浮項目為科研項目，要求所有車輛及其全部設備在鹽城暨周邊配套基礎設施建設項目線路上能可靠運營。列車通信采用實時以太網(wǎng)，采用雙通道冗余設計，每個車在車頂中間設置一臺空調機組，空調機組采用嵌入式安裝。該項目空調機組(見圖1)是扁平結構，冷凝腔在中部，蒸發(fā)腔在兩端，共有兩套完全相同的制冷系統(tǒng)。微通道冷凝器比常規(guī)銅管鋁翅片冷凝器重量減少約70%。而且微通道冷凝器的體積也較常規(guī)銅管鋁翅片換熱器有大幅減少，這對于保證地鐵空調結構緊湊、輕量化的要求至關重要。

2 微通道冷凝器結構介紹

本項目使用單排微通道換熱器，結構如圖2所示。微通道換熱器分上下兩部分，上部共有33路平行扁管，下部共有19路扁管，入口管在上部分，出口管在下部分。入口管和出口管位于微通道換熱器同一端側。壓縮機排出的高溫、高壓氣體制冷劑通過入口管進入微通道冷凝器，制冷劑被分配到上部的33路扁管中并向對向流動。制冷劑到達微通道冷凝器另一端后改變方向，進入冷凝器下半部分。制冷劑沿著下部的19路扁管流到出口管，最后流出微通道冷凝器。根據(jù)微通道冷凝器的結構布局，可以將換熱面積大的上部視為主要換熱區(qū)，即高效區(qū)；將換熱面積小的下部視為輔助換熱區(qū)，即過冷區(qū)[1]。

圖1 地鐵車輛空調外觀結構

圖2 微通道換熱器結構

3 空調機組冷凝器空氣側氣流分析

受到地鐵隧道高度的限制，空調機組厚度都非常小。因此冷凝單元的冷凝器必須傾斜放置，并且傾斜角度非常大，與水平面的夾角小于30°，這樣相對于垂直放置的冷凝器來說，冷凝氣流就變得不那么均勻了。

針對冷凝單元的空氣側氣流速度分析結果，對冷凝單元進行縱向切割，可以直觀地看到氣流的流動軌跡(見圖3)。氣流方向如圖3箭頭所示:在冷凝風機進風口負壓區(qū)吸引力的作用下，空氣經(jīng)過左、右兩個微通道冷凝器后，在冷凝腔改變方向向上，最后通過冷凝風機排出空調機組。

圖3 空氣流動CFD仿真圖

圖4是冷凝器表面風速分布情況。從上往下俯瞰整個冷凝器，上部是靠近冷凝風機的一邊，下部是靠近空調底板的一邊。從分析結果不難看出，風速高的區(qū)域位于微通道冷凝器的中下部，風速低的區(qū)域位于靠近風機的上部。

圖4 冷凝器風速分布

4 正向或反向安裝微通道冷凝器的試驗對比

根據(jù)氣流分析結果，發(fā)現(xiàn)微通道冷凝器正向安裝和反向安裝時，換熱效果會有不同。所謂正向安裝是指上進下出，符合液態(tài)制冷劑流動特點；反向安裝則指下進上出。圖5～6為正反安裝的示意圖。

圖5 正向安裝 圖6 反向安裝

當微通道冷凝器正向安裝時，制冷劑從靠近風機側的上部進入微通道冷凝器，從靠近空調機組底板的下側流出冷凝器。當微通道冷凝器反向安裝時，制冷劑從靠近空調機組底板處進入微通道冷凝器，從靠近風機側流出微通道冷凝器。

結合空調機組冷凝器的風速分布情況，看出在微通道冷凝器正向安裝時，高效區(qū)約有一半?yún)^(qū)域處于風速較低的區(qū)域，而過冷區(qū)則完全處于風速較高的區(qū)域，制冷劑經(jīng)過高效區(qū)時與外界風的換熱效果差，經(jīng)過過冷區(qū)時換熱效果好。但是在微通道冷凝器反向安裝時，高效區(qū)基本上全部處于風速相對較高的區(qū)域，過冷區(qū)處于風速較低的區(qū)域。高效區(qū)可以與外界空氣進行充分換熱，從而提高了換熱效率。

本文分別進行了微通道冷凝器正向安裝及反向安裝的測試，試驗數(shù)據(jù)顯示1號系統(tǒng)冷凝器正向安裝時過冷度7.66℃，而反向時過冷度僅為4.56℃。測試數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 微通道冷凝器正向及反向安裝試驗結果對比

由于地鐵空調機組的兩個制冷系統(tǒng)完全對稱，故本次僅分析1號系統(tǒng)。微通道冷凝器正向安裝時，冷凝器入口的高溫氣體溫度是76.4℃，由于從靠近風機側進入冷凝器，該部位的風速比較低，風量較小，外界空氣的換熱溫差就加大，此時測得該部位的冷凝出風溫度是52.9℃(東北冷凝出風)。當制冷劑流到冷凝器的另外一側時換熱基本完成，換熱溫差就降低了。此時測得的該部分的冷凝出風溫度是47.5℃(東南冷凝出風)。兩臺冷凝風機出風溫度相差5.4℃，這也從側面反映了換熱的不均勻性。

微通道冷凝器反向安裝時，冷凝器入口的高溫氣體溫度是83.2℃，制冷劑從靠近空調機組底板側進入冷凝器，該部位的風速較高，風量大，換熱效率高，此時測得的該部位冷凝出風溫度是46.4℃(東北冷凝出風)，從正向安裝時的52.9℃降低到46.4℃，說明微通道冷凝器反向安裝時，由于風量較大，在冷凝器下部的入口區(qū)域冷媒與空氣側的換熱效果得到了提高。當制冷劑流到冷凝器上部出口時出風溫度是44.9℃(東南冷凝出風)。兩臺冷凝風機的出風溫度差1.5℃，說明冷凝器換熱趨于均勻了。

根據(jù)制冷劑在冷凝器中的焓值的變化和流量可以計算出冷凝器側制冷劑換熱量[2]:

Q=xw(h2-h1)=xρV(h2-h1)

(1)

其中，Q是冷凝器側換熱量，W；x是制冷劑與制冷劑-潤滑油混合物的質量比，為方便對比，此處均取1。ρ是制冷劑密度，kg/m3；V是制冷劑體積流量；m3/sh2是冷凝器入口焓值，J/kg；h1是冷凝器出口焓值，J/kg；w是制冷劑質量流量，kg/s。正向安裝時冷凝器換熱量為Q正，反向安裝時的換熱量為Q反。

根據(jù)壓縮機的排量及壓縮機的工作頻率可以得到壓縮機的排氣量，即壓縮機吸氣口制冷劑的體積流量V是5 400 cm3/s。

將以上數(shù)據(jù)帶入公式(1)得到:

Q正=25.7 kW

Q反=26.7 kW

按照能量守恒原理，冷凝器換熱量=蒸發(fā)器制冷量+送風風機功耗+壓縮機功耗。根據(jù)實測各部件電參數(shù)反推出冷凝器的散熱量為:

Q正=15.85+0.67+6.68=23.2 kW

Q反=19.26+0.69+6.25=26.2 kW

微通道冷凝器反向安裝換熱量比正向安裝提高了3 kW。

分別將冷凝器正向安裝和反向安裝的系統(tǒng)狀態(tài)在P-h(壓-焓)圖中標示出來(見圖7)。循環(huán)1為正向安裝，循環(huán)2為反向安裝。圖中的水平冷凝線，代表反向安裝的青色比正向安裝的紅色長，說明冷凝器反向安裝換熱量大；等熵壓縮線表明紅色循環(huán)壓比大，說明壓縮機功耗大。

微通道冷凝器從正向安裝改到反向安裝，機組制冷量由15.85 kW提高到19.26 kW，COP(制熱能效比)也由1.9提高到2.5。由此可見，地鐵空調機組微通道冷凝器正向安裝和反向安裝對換熱效果影響非常大，進而提升了空調機組的制冷量及COP。

圖7 冷凝器正反安裝制冷循環(huán)在P-h圖上的表示

5 結語

經(jīng)過分析研究，本文認為，鑒于地鐵空調冷凝側風路特點及微通道冷凝器的結構特點，在微通道冷凝器的使用中應盡量避免微通道換熱的高效區(qū)靠近風速較低的地鐵空調冷凝風機側。