Kandlikar S. G. 对近年来关于微细通道的研究进行了总结[1] ,明确了微细通道的概念,指出水利直径为0. 01～0. 2 mm 的通道为微通道,水力直径为0. 2～3 mm 的通道为细通道,水利直径大于3 mm 的通道为传统通道。采用微细通道作为换热元件在国内外已有研究,但主要集中在汽车空调系统[223 ] 。近年来,随着铜材价格的上涨,微细通道换热元件逐渐开始在家用和商用空调领域得到应用,并被称为微通道换热器。其结构如图1 所示,主要包括集管、微通道扁管和翅片。微通道换热器在空调中的应用具有以下优点: ①传热效率高; ②提高空调器的E ER 和S E ER ; ③缩小空调器的体积,减轻空调器的质量; ④减少制冷剂的充注量。 York 在3 年前就已经将微通道换热器用于SEER13 北美高能效空调器的室外机。Carrier 在2 年前就在其风冷冷水机组上采用微通道换热器。在我国,对微通道换热器应用于空调系统的研究工作才刚刚起步。下面, 笔者介绍应用微通道换热器方面的一些体会kis2009, 希望引起更多的微通道换热器研发、制造厂家的关注及更多的空调器整机研发、制造厂家的重视, 共同推动我国空调节能工作的发展。
1 试验装置
试验在美的商用空调设备有限公司的ETL焓差室进行。该实验室由位于美国纽约Cortland 的ETL 公司设计和建造,美国Cortland的ETL 实验室是美国能源部唯一认可的单元机能力和能效测试机构。根据验收时的对比数据,该实验室和美国ETL 实验室测试数据的偏差在3 %以内。
笔者对采用微通道换热器的空调器整机进行以下几个方面的试验研究: ①不同风量对微通道换热器换热量的影响; ②相同空气流量下,不同流路布置对微通道换热器换热量的影响; ③微通道换热器和铜管换热器的对比。需要说明的是,对比试验采用相对数值。测试所用微通道换热器由国内某厂家设计和制造。为了进行对比试验,在整个测试过程,仅更换图2 中的室外机的换热器,其余部分保持不变。换热器出口温度通过在换热器的总出口位置布置热电偶进行测量,制冷剂流量用串联在液管中的制冷剂测量装置进行测量。根据ARI 210/ 24022008[4 ] 的测试要求,在工况稳定后进行1. 5 h 的连续测试,每隔0. 5 h 记录1 组平均数值。
2 加雷沙星 试验结果及分析
2. 1 不同风量对微通道换热器换热的影响
采用美的商用空调北美高能效某机型,按照ARI 210/ 24022008[ 4 ] 进行。当通过微通道换热器的风量提高47 %后,换热器的换热量提高10. 6 % ,整机能效提高10. 4 % ,整机能力提高13. 1 %。其主要原因为,随着通过微通道换热器风量的增加,换热器的换热系数增大,换热量升高,表现为制冷剂流量增加20 . 4 %后,换热器出口处制冷剂的温度从40. 2 ℃降低到3818 ℃,降低了1. 4 ℃。
彭明等[2]对平行流冷凝器进行理论计算和试验研究,测试得到的冷凝器出口制冷剂温度、冷凝器换热量随风速的变化规律与笔者的测试数据变化规律相同。欧阳俊[3]对汽车空调平行流换热器进行了风速宽范围的模拟:风速较低时,换热器的换热系数和换热量对风速很敏感;当风速高到一定数值后,风速对换热系数和换热量的影响很小。根据合作厂家的介绍,微通道换热器的换热量对流过其表面的风速很敏感,希望能够将风速提高到一个较高的水平。 York 在某机型上采用微通道换热器作为冷凝器,室外机的风量为我们测试序号1 试验时的1. 2倍, 但是其能力和能效都比较高。分析York 和本次测试数据差异的原因,主要有: 其一, York 采用的微通道换热器厂家与York 有多年的合作,York 机型能够充分发挥微通道换热器的长处,表现为换热器的换热性能较好;其二, York 在冷凝器的风速分布设计上比本次测试样机要好米脂的婆姨性功能,可以充分利用微通道换热器的换热面积;其三,York 在整机设计方面有其独到之处。
2. 2 不同流路布置对微通道换热器换热的影响
在对比测试时,老板山除了室外机冷凝器采用不同的微通道流路,其他零部件不作任何改变。微通道换热器采用流路2 布置时,在A 工况下,制冷剂流量只有流路耐克运动汇1 布置的99. 67 %时,换热器的换热量提高了1. 83 % ,整机能力提高了2. 36 % ,能效提高了2. 28 %。B 工况测试数据也有类似的变化规律。所以为了提高微通道换热器的换热性能,必须对流路进行优化。由于微通道换热器由换热器研发、制造厂家提供,而不是由空调整机生产厂家自己制造,所以需要微通道换热器生产厂家和空调整机生产厂家进行紧密合作,以开发出高性能的微通道换热器。
2. 3 微通道换热器与铜管换热器对比
为进一步了解微通道换热器和铜管换热器的换热性能,将室外机冷凝器更换成相同迎风面积的内螺纹铜管翅片换热器。采用流路2 布置的微通道换热器,在能力和能效等整机性能指标上都优于铜管翅片换热器。另外,关于制冷剂充注量,铜管换热器比采用流路2 布置的微通道换热器多23. 07 %。
采用优化微通道换热器后,整机功耗降低4 % ,A 和B 工况下的能效分别提高6 %和4 % ,其
中A 工况下的能效提高了0. 22 W/ W;制冷剂充注量减少了21. 4 %。由于A 工况的测试条件与我国的标冷工况接近,可以认为,对应我国的能效标准,同样的机身尺寸,将铜管换热器换成微通道换热器,其能效水平可以提升1 级(0. 2 W/W) 。所以,微通道换热器在提高能效、减小机身尺寸方面是具有一定优势的;尤其是对我国现在提高空调能效水平的要求下,推广和应用微通道换热器更具有现实意义。
3 微通道换热器在空调器上应用分析
3. 1 用作蒸发器
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[6] 。对常规微通道换热器 ,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 ,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。
3. 2 空气侧的流动阻力
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。如果采用结构设计,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，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,如果采用结构设计,这时,如何保持斗争精神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。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。
4 结论
1) 空气流速、微通道换热器的流路设计、整机的通风设计对微通道换热器的换热量有重要影响,某机型上测试数据为空气流量增加47 %后,换热量增加10 . 6 %;测试的另一机型2 种微通道流路设计能力差别1. 8 %;顶出风和侧出风机型需要采用不同的微通道结构设计。
2) 铜管换热器和微通道换热器在整机上的对比测试数据显示,采用微通道换热器后,A 工
况的能效提高了0. 22 W/ W,微通道换热器是当前应对国家2 级能效标准要求的一个很好的技术解决方案。
3) 目前,微通道换热器没有得到大范围的应用,主要原因有:其一,微通道换热器的价格很高,超过了对应大小的铜管翅片换热器的成本;其二,微通道换热器仅能够在单冷机型上作为冷凝器使用,还不能用作热泵机型的室外机蒸发器,限制了其使用范围;其三,铝质换热器过去仅在冰箱和汽车空调上得到应用,在家用空调领域没有推广,技术人员对其承压性、耐腐蚀性等可靠性指标存在疑问;其四,很多空调厂家还不了解全铝微通道换热器,也不愿意替换现有的铜管翅片换热器的加工设备。
参考文献
[1] Kandlikar S G. Evolution of microchannel flow passages2 thermohydraulic performance and fabrication technology.Heat transfer Engineering ,2003 ,24 (4) :3217.
[2] 彭明,张雪平. 平流式冷凝器模拟计算及试验研究.制冷与空调(四川) ,2008 ,22 (1) :6211.
[3] 欧阳俊. 汽车空调平行流式冷凝器优化换热的数值模拟[D] . 广州:华南理工大学,2007.
[4] ARI 210/ 24022008 Performance rating of unitary air2 conditioning and heat pump equipment .
[5] GB/ T 7725 —2004 ,房间空气调节器.
[6] Xia Y,Zhong Y,Hrnjak P S ,et al. Frost ,def rost and ref rost and it s impact on the air2side thermal2hydraulic performance of louvered2fin , flat2tube heat exchang2 ers. International Journal of Ref rigeration ,2006 ,29 :106621079.
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