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焦涛李红旗
(北京工业大学制冷与低温工程系，北京 100124)
摘要微通道换热器具有传热系数高、制冷剂侧及空气侧压降减少、体积小、抗腐蚀、可回收等特点。它的良好性能及应用可行性也通过了理论和实验验证。介绍了微通道换热器在汽车空调器和家用空调器中的应用，分析了微通道换热器在热泵空调器中应用的可行性。
关键词微通道换热器热泵空调器应用
APPLICATION OF MICRO-CHANNEL HEAT EXCHANGER
IN HEAT PUMP AIR CONDITIONER
Jiao Tao Li Hongqi
(Beijing University of Technology, Beijing 100124)
Abstract Microchannel heat exchanger has many good characteristics, like high heat transfer coefficie
nt, less refrigerant side and air side pressure drop reduction, small size, corrosion-resistant, recycle use etc. Its good performance and the feasibility of application have came through the theoretical and experimental validation. Its applications in automobile air-conditioners and room air-conditioners were introduced, the possibility of micro-channel heat exchangers used in the heat pump air conditioner is analyzed.
我海军目前的力量部暑是
金昌市政府工作报告Keywords micro-channel heat exchanger heat pump air conditioner application
0 前言
我国目前资源和能源利用水平与发达国家相比有较大差距，人均资源占有率相对较少，这意味着节能、走可持续发展的道路在我国尤为重要。近年来能源短缺形势加剧，促使国家将对空调器的能效提出越来越高的要求。
提高空调器整机性能的途径有多个方面，最关键的两个方面是压缩机和两器性能的提高。改进压缩机的性能，需要大量的时间和投入。采用高效内螺纹管、减小铜管直径、加大换热面积等措施来强化换热已经不能满足高能效要求，而且会带来成本的增加; 而微通道换热器的强化换热性能应用于家用空调器则可以在较短时间内大幅提高空调器的性能。
文章介绍了微通道换热器在汽车空调器和家用空调器中的应用，重点分析了微通道换热器在热泵器应用的可行性。
1 微通道换热器介绍
山丹地震
在涉及相变传热时，习惯上将当量直径3mm以下的通道统称为微通道，或微细通道。微通道技术可以大大提高过程机械装置的传热效率，由于尺度的微细，面积体积比增大，表面作用增强，从而导致传递效果有明显的增强，比常规尺度提高了2～3个数量级[1]。
在制冷空调领域，微细通道换热器的采用，不仅可以明显强化传热，从而使整机体积缩小，使换热器结构紧凑、高效，而且还可以提高管道的耐压能力。目前，微通道换热器已在部分汽车空调器中应用，其在家用空调器中的应用也呈现出明显的增长趋势。最近兴起的微型制冷系统中采用的微通道两相换热器已广泛应用于热泵、电子芯片、飞机和宇宙飞行器、低温冷却器、精密仪器等等。
2 微通道换热器在汽车空调中的应用
汽车空调运行时的环境比较特殊，运行工况相对来说比较恶劣，同时由于汽车内部空间和安装维护等因素的制约，汽车空调的换热器必须要具有结构紧凑、换热效率高、重量轻、制冷剂侧和空气侧阻力小、便于安装、坚固耐用、运行安全可靠等特点。汽车空调冷凝器的结构经历了管片式、管带式和平行流式等主要结构形式[2]。 平行流换热器最早是美国摩丁公司的专利产品，用来替代汽车空调的管片式冷凝器。后来，经日本昭和铝等公司在两端集管中增加隔板形成不同回路而称之为多元平行流冷凝器。在相同迎风面积下，平流式冷凝器制冷剂侧压降降低，仅为管带式冷凝器的20％-30％。整体换热性能比管带式高出30％以上[3]。
20世纪90年代初，臭氧层破坏和全球变暖两大问题提出以后，制冷剂替代方面的研究日趋成为研究的热点。其中，自然工质成为重要的研究方向。二氧化碳（R744）作为一种自然工质，其臭氧层破坏潜能（ODP）为零，温室效应潜能（GWP）为1，如果考虑二氧化碳作为工业副产品的话，其GWP 为零。在自然工质中，可以说R744是最具有竞争力的，在可燃性和毒性需要控制的场合R744也是理想的。而二氧化碳跨临界循环中的气冷器也经历了从管片式到微通道换热器的发展过程。
在二氧化碳跨临界循环的研究过程中，科学家发现管片式气冷器中存在热短路的现象。为克服管片式气冷器的这一弱点，挪威科技大学J.Pettersen （1998）提出在跨临界二氧化碳系统中采用微通道换热器，微通道换热器由扁平管和翅片叠加而成，是一种紧凑的高效换热器，和传统的圆管平直翅片设计相比，微通道换热器使制冷剂侧面积增加了约3倍，并且由于扁平管的流线型外形，使得空气侧压降减小，空气侧风速增加，从而加大了空气侧换热系数。
3 微通道换热器在家用空调器中的应用
微通道换热器应用于家用空调器可采用多种结构形式。换热管一般采用有多个微通道的带状铝管，而肋片形式有多种：片状肋、开缝肋、错列肋和百叶窗肋等。目前受到最多关注的是百叶窗式微通道换热器，其结构示意图见图1 。
图1 百叶窗结构示意图
Kim and Bullard（2002）[4]比较了以R22为制冷剂的房间空调器在分别使用微通道冷凝器和管翅式冷凝器时的性能。研究结果表明与管翅式冷凝器相比，微通道冷凝器的单位体积热流量要高14%-331%。同时，微通道换热器的制冷剂使用量、冷凝器体积、冷凝器重量分别减少了35%、55%、35%。
Kim and Groll（2003）[5]实验测试了分别使用微通道换热器和绕片式换热器（spine-fin heat exchang
er），以R22为制冷剂，制冷量为10.5kW 的分体式空调的性能。实验结果是使用微通道换热器，迎风面积减小23%，制冷剂体积减少32%。在制冷模式下，使用微通道换热器使系统的COP提高1%～6%。
Chang Yong Park，Pega Hrnjak（2008）[6]对使用R410A的家用分体式空调系统的微通道冷凝器和管翅式冷凝器进行了实验和数值模拟研究。研究中的两台冷凝器具有相同的外形、迎风面积、体积、翅片间距。用同一系统分别使用不同的冷凝器进行比较，结果发现，在室内温度为26.7℃，室外温度
为35.0℃时，使用微通道冷凝器的系统制冷量提高
了3.4%，系统运行能效比（COP）提高了13.1%。由于微通道冷凝器制冷剂侧和空气侧换热面积的增加，系统冷凝温度降低了2.5℃。另外，因为制冷剂流通横截面积的增大和流程减短，微通道冷凝器的制冷剂侧压降从166kPa降为57kPa。
周子成[7]将全铝微通道换热器和常规铜管铝翅片换热器分别安装在AADS-040分体单元式空调的室外机上进行了对比试验。在相同制冷量的情况下，微通道换热器的重量、制冷剂使用量分别只有常规换热器的1/4、1/2。
综上可知，微通道换热器应用到家用空调中可有效提高传热效率、减小体积和重量、减少制冷剂使用量、提高空调整体性能。
家用空调器中，单冷空调器的冷凝器采用微通道换热器的技术业已成熟，但微通道蒸发器由于涉及到气液两相的均匀分流及热泵工况下融霜水的排除等技术还不是很成熟。下面我们将针对这些问题分析微通道换热器应用在热泵空调器中的可行性。
4 微通道换热器在热泵空调器中的应用
热泵空调器是一种冷热两用的空调器，它既能在夏天降温，又能在冬天取暖。它除了在制冷时具有冷风型空调器的特点外，取暖时又具有节能效率高、清洁、安全和舒适等优点，因此热泵空调器深受人们的欢迎。
目前微通道换热器仅用作单冷空调器冷凝器。微通道换热器用作热泵蒸发器，主要受到翅片表面凝结水排除问题的困扰[8]。对常规微通道换热器(见图2 (a) ) ，由于扁管呈水平状，冷凝水不易顺利排除。如果采用改进设计，即扁管与水平方向有一个角度α(见图2 (b) ) ，这样凝结水珠在重力作用下可以顺着扁管和翅片下流，从而解决凝结水排除问题。
图2 微通道换热器结构
对于微通道换热器来说，空气的流动阻力主要来自扁管和翅片。对于侧出风机型，空气呈水平方向流过扁管和翅片。如果采用图2(a) 的结构设计，空气流动方向示意图见图3 (a) 。这时，空气可以平滑地
流经扁管和翅片，流动阻力小，有利于提高流经微通道换热器的空气流速，实现强化换热的目的。如果采用图2(b) 的结构设计，空气流动方向示意图见图 3 (b) 。这时，空气流动方向与扁管和翅片呈一个角度α，流动阻力大，不利于提高流经微通道换热器的空气流速，不利于换热量的提高。
对于顶出风机型，如果采用图2 (a) 的结构设计，空气流动方向示意图见图3 (c) 。这时，空气流动方向与扁管和翅片呈一个角度α，流动阻力大，不利于提高流经微通道换热器的空气流速，不利于换热量的提高。如果采用图2 (b) 的结构设计，空气流动方向示意图见图3 (d) 。这时，空气可以平滑地流经扁管和翅片，流动阻力小，有利于提高流经微通道换热器的空气流速，实现强化换热的目的。
图3 微通道换热器气流组织流向设计结构对比
微通道换热器用作热泵空调器蒸发器同样存在着制冷剂在各通道中流量分配问题，若分配不均，会导致局部结霜，严重影响换热器的效率。而且，蒸发器倾斜布置，更增加了难度。目前，这一问题有待解决。
微通道换热器用于热泵空调器冷凝器能提高换
热效率，减小冷凝器的体积，从而减少制冷剂的使用量，使制冷系统更加环保；能使得空气侧的压降减少，风扇的转速可以降低，系统更加安静和节能；换热器的重量减轻，因此机组的重量也相应的减轻。加上铝的价格比铜的便宜，所以机组的成本降低；微通道冷凝器的铝翅片和铝扁管是整体焊接在
人类命运共同体5个内涵
一起，同时无电腐蚀现象存在，加上在运输和使用过程中翅片不容易被碰撞变形，所以机组使用起来更稳定和耐久。
但是，微通道换热器用于热泵空调器仍有很多问题需要解决。例如，换热器功能在蒸发器和冷凝器之间的切换问题，换热器与风扇的匹配问题等。
5 结论
微通道换热器具有传热系数高、制冷剂侧及空气侧压降减少、体积小、抗腐蚀、可回收等特点。微通道换热器在汽车空调中已得到广泛应用。微通道换热器在家用空调中应用已得到科学上理论论证和实验论证，在实践中推广只是时间问题。
微通道换热器应用在热泵空调器中，理论上能提高系统的能效比、降低机组成本、减少制冷剂使用量。在实际应用中虽然存在一些问题，但应用前景十分宽广，它的普及应用既提升了热泵空调器的综合性能，增强了产品的竞争力，也响应了国家节约能源，环境保护的号召。参考文献
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