微通道蒸發(fā)器高風(fēng)速濕工況性能試驗(yàn)研究

魏文建，王炎峰

（1.浙江水利水電學(xué)院 先進(jìn)換熱與能源應(yīng)用研究所，杭州 310018；2.浙江盾安熱工科技有限公司，浙江諸暨 311835）

符號說明：

A——面積，m2；

cp——比熱，J/（kg·℃）；

D——管徑，m；

δ——厚度，m；

σ——風(fēng)側(cè)凈流通截面與迎風(fēng)面積之比；

ε——效率；

G——質(zhì)量密度，kg/（m2·s）；

h——對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

H——高度，m；

m——質(zhì)量流量，kg/s；

Nu——努賽爾數(shù)；

NTU——換熱單元數(shù)；

P——間距，m；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

Q——換熱量，W；

Re——雷諾數(shù)；

t——溫度，℃；

U——總換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；

V——速度，m/s；

W——寬度，m；

η——翅片效率；

l——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s；

ξ——淅濕系數(shù)；

K——局部阻力系數(shù)；

下標(biāo)：

1，2——進(jìn)口、出口；

a——空氣；

c——流通截面；

eq——當(dāng)量；

f——翅片；

i，o——內(nèi)側(cè)、外側(cè)；

lv——窗；

t——扁管；

w——水；

HF，NF——親水箔、光箔。

0 引言

微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、傳熱效率高、制冷劑充注量少以及便于回收循環(huán)利用等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)和家商用空調(diào)機(jī)組的冷凝器［1-3］。微通道換熱器用作蒸發(fā)器時(shí)，空氣側(cè)的翅片冷表面與濕空氣接觸，使?jié)窨諝庵械乃魵庠诔崞浔砻婺Y(jié)析出。不同于傳統(tǒng)翅片管換熱器豎直平板式翅片，微通道換熱器多采用百葉窗折疊式翅片，該翅片結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)換熱，但在濕工況下會惡化表面凝水排除能力，增加空氣側(cè)流動(dòng)阻力［4-8］。微通道換熱器的排水性能對室內(nèi)工作環(huán)境和人體舒適性有著重要影響，特別是近年來越來越多的微通道換熱器應(yīng)用于機(jī)房機(jī)柜冷卻以及大型數(shù)據(jù)中心冷卻，其排水不暢會造成漂水現(xiàn)象，直接影響空調(diào)區(qū)域工作設(shè)備的運(yùn)行安全性。

盛偉等［9-11］對微通道換熱器的結(jié)霜及霜水排除性能進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)微通道換熱器由于緊湊翅片和扁管結(jié)構(gòu)易于結(jié)霜和霜堵，折疊式翅片使霜水排除不徹底，致使霜工況下性能嚴(yán)重衰減。徐象國等［12］對空調(diào)換熱器用新型微小尺度肋片的表面排水性能進(jìn)行了定性分析及滴水凝水試驗(yàn)，認(rèn)為新型微小尺度肋片能有效減少表面凝水滯留量，且提出了針對最小凝水滯留量的最佳肋片葉面寬度判斷依據(jù)。劉璐等［13］對微通道換熱器百葉窗翅片排水性能進(jìn)行了研究，通過對不同開縫角度和開縫數(shù)量的百葉窗翅片排水性能進(jìn)行CFD 模擬，發(fā)現(xiàn)翅片上殘留水量與開縫角度沒有明顯的單調(diào)關(guān)系；翅片上殘留水量隨著開縫數(shù)量增加而增加。MAHVI 等［14-16］對超疏水和超親水表面特性的微通道換熱器的結(jié)霜特性及霜水排除特性進(jìn)行了研究。LIU 等［17］采用“動(dòng)態(tài)浸漬”試驗(yàn)法對普通和親水翅片管換熱器排水性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)普通換熱器掛水呈珠狀而親水表面無掛水現(xiàn)象，但存水比較普通表面高出1 倍以上。YANG 等［18］對翅片管換熱器濕工況下不同積灰情況翅片間水橋生成進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。

綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)都是從微通道換熱器的霜工況換熱性能、結(jié)霜特性以及霜水殘留方面進(jìn)行了研究。微通道換熱器在實(shí)際工程工況，特別是高風(fēng)速濕工況下的性能、凝水滯留以及漂水特性的對比分析研究尚未見公開報(bào)道。本文目的是針對數(shù)據(jù)中心冷卻等高風(fēng)速工況，從不同翅片密度、不同表面特性（普通表面和親水表面）及不同空氣濕度（常規(guī)工況和高濕工況），對微通道蒸發(fā)器換熱性能、風(fēng)阻、凝水滯留及漂水特性進(jìn)行較為全面的對比分析和試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

雖然“動(dòng)態(tài)浸漬”方法簡便，能迅速反映翅片存水性能，但其缺點(diǎn)是僅能反映被測件的殘余水量，較難確切模擬實(shí)際工況下的排水特性、臨界漂水風(fēng)速以及對風(fēng)阻及換熱的影響［17］。本文基于不同翅片密度、不同運(yùn)行工況以及不同翅片表面，從翅片凝水滯留、風(fēng)阻和換熱性能等3 個(gè)維度評價(jià)微通道換熱器的性能變化。

1.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)微通道換熱器工程應(yīng)用及工況要求，試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)包括常規(guī)工況和高濕工況2 種情況。為了弱化沿管程溫度變化的影響，管程進(jìn)出口溫差控制在4 ℃以內(nèi)，其中管內(nèi)進(jìn)口水溫為8 ℃，出口水溫為12 ℃。對高風(fēng)速和不同濕度工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，以識別臨界漂水風(fēng)速，風(fēng)速的設(shè)定范圍為3.5～6.5 m/s。具體試驗(yàn)工況參數(shù)見表1。

表1 微通道換熱器測試工況Tab.1 Test conditions of MCHX samples

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用2 種翅片密度和2 種表面特性的微通道換熱器進(jìn)行對比測試，共制作測試了4 臺微通道換熱器樣機(jī)，具體型號信息見表2。表3 列出了被測樣機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。不同翅片表面的前進(jìn)接觸角和后退接觸角見表4。被測樣機(jī)結(jié)構(gòu)、翅片結(jié)構(gòu)及詳細(xì)參數(shù)如圖1 所示。

圖1 被測樣機(jī)翅片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of fins and test sample with the fins

表2 被測換熱器樣機(jī)類型Tab.2 Categories of test samples

表3 微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Geometric parameters of test samples

表4 不同翅片表面的接觸角Tab.4 Contact angle of different fin surfaces （°）

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所有測試在焓差室中進(jìn)行，被測件側(cè)向豎直安裝于測試風(fēng)道內(nèi)，其背面出風(fēng)端布置有攝像機(jī)用于研究翅片表面凝水流動(dòng)、滯留和水橋形成。在背面底部安放有濕敏試紙用于研究換熱器背面漂水特性，從而識別漂水臨界風(fēng)速。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理方法

采用效率-單元數(shù)法進(jìn)行傳熱分析，以便得到UA 的表達(dá)式?？倱Q熱量為風(fēng)側(cè)換熱量與水側(cè)換熱量的算術(shù)平均值，即：

用叉流換熱器的ε-NTU 的表達(dá)式為：

根據(jù)效率定義式，可得試驗(yàn)測試樣機(jī)換熱效率為：

根據(jù)傳熱學(xué)知識，濕工況下總傳熱熱阻為：

管內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)計(jì)算采用Sieder-Tate 層流計(jì)算式為［19］：

翅片效率采用Schmidt 迭代計(jì)算方法為［20］：

其中 NuHf＝hoHf/λa，ReHf＝ρVmaxHf/μa

換熱器風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)f 根據(jù)文獻(xiàn)［21］方法計(jì)算得到：

2 結(jié)果與討論

本文對不同翅片密度微通道換熱器的換熱能力及風(fēng)阻在高風(fēng)速和不同空氣入口含濕量下的表現(xiàn)進(jìn)行對比，同時(shí)分析了親水表面和非親水表面微通道換熱器的性能、凝水滯留及對臨界漂水風(fēng)速。

2.1 常規(guī)工況性能對比

對于不同翅片密度的2 種翅片表面微通道換熱器，換熱因子j 在測試風(fēng)速范圍內(nèi)隨雷諾數(shù)Re的改變幾乎沒有變化，表明在高風(fēng)速下Re 數(shù)對于蒸發(fā)器開窗翅片影響弱化。阻力系數(shù)f 隨雷諾數(shù)Re 的增加而顯著降低。由表5 可知，翅片間距對換熱因子j 的影響較小。親水表面處理的微通道換熱器換熱因子j 與同樣測試條件下的光箔翅片微通道換熱器換熱因子j 差別不明顯。表5 同時(shí)給出了親水表面翅片相對于光箔翅片換熱因子j的相對變化大小?？梢?，在不同風(fēng)速和不同翅片密度下，兩種翅片表面的換熱因子j 差別小于1%。表明親水處理對微通道換熱器換熱的影響可以忽略。由表6 可知，空氣阻力系數(shù)f 隨著翅片間距的減小而增大。需要強(qiáng)調(diào)的是相對于光箔翅片表面，親水處理表面樣品風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)f 不但沒有降低，反而增大。親水表面微通道換熱器運(yùn)行于相對低風(fēng)速3.5 m/s，即在雷諾數(shù)Re 約為2 000 時(shí)，阻力系數(shù)f 增加約為5%；在高風(fēng)速為6.5 m/s 時(shí)，對應(yīng)雷諾數(shù)Re 約為3 600 時(shí)阻力系數(shù)最高增加8%。表明親水表面微通道換熱器并不能改善換熱能力、降低風(fēng)阻及增強(qiáng)排水，相反，會造成風(fēng)側(cè)阻力損失增加。

表5 不同表面特性常規(guī)濕度工況換熱性能Tab.5 Heat exchange performance for different surface treatment under normal humidity conditions

表6 不同表面特性常規(guī)濕度工況風(fēng)阻特性Tab.6 Air friction characteristics for different surface treatment under normal humidity conditions

2.2 高濕工況性能對比

同常規(guī)工況相比在高濕工況下不同翅片密度的2 種翅片表面微通道換熱器，換熱因子j 隨雷諾數(shù)Re 的變化不明顯，阻力系數(shù)f 隨著雷諾數(shù)Re 的增加而降低。相對于常規(guī)濕度工況，在高濕工況下的阻力系數(shù)f 略有增大。親水處理表面的微通道換熱器換熱變化不明顯，但會惡化風(fēng)側(cè)阻力損失。由表7 可見，換熱因子j 隨翅片密度和表面特性的變化小于1%。表8 列出了高濕工況下風(fēng)阻特性，可見翅片間距對阻力系數(shù)f 的影響顯著，阻力系數(shù)f 隨著翅片間距的減小而增大。同時(shí)，相較光箔翅片，高濕工況下親水翅片會使風(fēng)阻系數(shù)f 增加4% ～ 9%，且不同表面特性下風(fēng)阻變化隨著翅片密度和風(fēng)速的變化不明顯，反映親水處理不能有效改善微通道換熱器的排水性能，相反，會增加凝水滯留，惡化翅片表面排水。

表7 不同表面特性高濕工況換熱性能Tab.7 Heat exchange performance for different surface treatment under high humidity conditions

表8 不同表面特性高濕工況風(fēng)阻特性Tab.8 Air friction characteristics for different surface treatment under high humidity conditions

2.3 翅片表面凝水滯留和水橋

通過改變翅片密度、入口空氣含濕量和入口風(fēng)速大小，對2 種翅片表面微通道換熱器排水情況以及翅片水橋形成進(jìn)行了研究。圖2 示出了凝水在豎直折疊翅片表面的典型滯留形態(tài)。圖中翅片表面亮白為凝水滯留，近扁管表面灰色區(qū)域?yàn)樗じ采w。表9 列出了不同片距、不同風(fēng)速以及常規(guī)工況和高濕工況下凝水滯留及水橋?qū)Ρ冉Y(jié)果。

圖2 微通道換熱器翅片表面凝水滯留Fig.2 Stagnant water on serpentine fin surface of MCHX

表9 微通道換熱器凝水滯留及水橋現(xiàn)象Tab.9 Water retention and water-bridge forming for microchannel heat exchanger

在常規(guī)濕度下，光箔表面當(dāng)翅片間距大于1.7 mm 時(shí)，基本沒有發(fā)現(xiàn)水橋產(chǎn)生。而在高濕工況下，2 種翅片密度下均發(fā)現(xiàn)水橋形成。如圖2（a）中，對于未做親水處理的光箔微通道換熱器，常規(guī)工況下其翅片表面凝水多聚集于翅片與扁管焊接處及折疊翅片的R 角處。隨著濕度的增加和凝水增多，翅片R 角處的凝水向內(nèi)延伸，同時(shí)豎直扁管表面的水膜增厚，凝水滯留增多，如圖2（b）所示。對于高濕工況下的光箔翅片，其翅片表面凝水多以“間歇性水膜”呈現(xiàn)。在翅片密度較大時(shí)更加明顯，此時(shí)，在翅片開窗附近且近R 角內(nèi)側(cè)有水橋產(chǎn)生，如圖2（c）所示。隨著風(fēng)速的增加，翅片的親水表面使凝水膜化，形成大面積連續(xù)性水橋，如圖2（d）所示，凝水滯留最多。這種情況造成風(fēng)阻增加，翅片積水增加，排水困難。表明微通道換熱器親水處理不能改善凝水排出或滯留形態(tài)。相對于光箔表面，親水表面連續(xù)性大面積水橋易于形成，在翅片間距較小時(shí)尤其顯著。

2.4 漂水臨界風(fēng)速

試驗(yàn)中通過測試濕敏試紙的顏色變化來判斷換熱器在當(dāng)前狀況下是否漂水。圖3 示出了典型狀態(tài)下的試紙顏色變化情況以及對漂水特性的定性描述。微通道換熱器漂水情況并不嚴(yán)重，但表面親水處理增大漂水風(fēng)險(xiǎn)。如圖4（a）所示，常規(guī)工況下，光箔和親水箔均無漂水現(xiàn)象。而在高濕工況下，光箔無漂水現(xiàn)象，親水箔在風(fēng)速4.5 m/s 和較小翅片間距1.7 mm 時(shí)，出現(xiàn)輕微漂水，當(dāng)風(fēng)速增大到6.5 m/s 時(shí)，2 種翅片間距均出現(xiàn)嚴(yán)重漂水現(xiàn)象。由于親水處理表面改善表面潤濕性，表面水膜增厚，凝水滯留增多，并在翅片間形成大面積連續(xù)性水橋，致使局部風(fēng)速增大造成漂水。

圖3 漂水定性描述Fig.3 Qualitative description of water carry-over

圖4 不同表面特性翅片在常規(guī)和高濕工況下的臨界漂水風(fēng)速Fig.4 Critical air velocity for carry-over under different surface treatments and humidity conditions

3 結(jié)論

（1）對于微通道換熱器，親水表面處理效果不明顯，甚至?xí)夯錈崃π阅?。對換熱因子j 影響不大；不會降低風(fēng)阻，相反，使風(fēng)側(cè)阻力系數(shù)f 增加。

（2）在測試工況條件下，親水表面處理對換熱因子j 的影響小于1%，使風(fēng)阻系數(shù)增大4%～9%，并且翅片密度、空氣濕度和風(fēng)速對j 和f 的影響不敏感。

（3）親水表面微通道換熱器增加連續(xù)性水橋形成機(jī)會，造成排水惡化并增大漂水風(fēng)險(xiǎn)。在常規(guī)工況下光箔和親水箔均未發(fā)現(xiàn)有漂水現(xiàn)象。在高濕工況下，光箔未發(fā)現(xiàn)漂水，親水箔在風(fēng)速4.5 m/s和較小翅片間距1.7 mm 時(shí)，出現(xiàn)輕微漂水。