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1、第11卷 第 4 期 2 0 1 1 年 8 月REFRIGERATION AND AIR- CONDITIONING111-115 收稿日期: 2011-06 -17 作者简介: 丁汉新, 硕士, 研究方向为风冷换热器设计和微通道应用。 微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景 丁汉新1 ) 王利1) 任能2) 1) ( 江森自控楼宇设备科技( 无锡) 有限公司) 2) ( 安徽工业大学) 摘 要 微通道换热器以其高效的换热性能 、 紧凑的结构及成本上的优势 ,正逐步应用于商业 、 家用制冷空 调行业 ,与其相关的研究受到越来越多的关注 ,成为相关领域的一个研究热点。本文分析微通道换热器的
2、优势及其应用于制冷空调领域所产生的效益 ; 指出当前微通道换热器应用于制冷空调领域存在的问题 ,包 括可靠性和换热性能 ; 分析在提高微通道换热器性能上所采取的措施及其发展趋势 。 关键词 微通道换热器 ; 制冷 ; 空调 ; 换热性能 ; 可靠性 Micro -channel heat exchanger and its application into R refrigeration ; air-conditioning ; heat transfer performance; reliability 对于制冷空调行业而言, 如何提供一个稳定可 靠、 高能效的产品是该领域一直以来的一大命题
3、 1 。 单纯依靠提高系统中的零部件性能( 如使用高效压 缩机、 高效风机) 或增加换热器的面积以提高产品的 能效比,势必增加了设备的成本,造成大量不可再生 资源的浪费 ,同时增加了消费者购买的成本。 近年来 ,随着铜价的一路攀升 , 空调系统铜材 的替代问题引起了行业领域的普遍关注 , 业内人 士一直在积极寻求铜材的替代技术 。铝作为铜材 的替代品之一, 其价格相对稳定 、低廉, 采用铝制 微通道换热器, 可明显降低空调的制造成本、提高 产品的市场竞争力 。目前, 微通道换热器已广泛 应用于汽车空调行业, 随着加工工艺 、 技术及新型 铝材的开发, 正逐步应用于家用和商用制冷空调 领域。 所
4、谓微通道换热器 ,其较为通行、直观的定义 为水力直径小于 1 mm 的换热器。 如图 1 所示, 微通道换热器主要由 3 部分组 成 ,即内部具有多个平行孔的扁管、集流管( 又称 头管) 以及翅片组成。微通道换热器的加工绝大 部分是在钎焊炉中完成。 1 微通道换热器应用于制冷空调领域的优势 与铜管铝翅片换热器相比, 微通道换热器应 用于制冷空调领域存在着明显的优势, 主要表现 在以下几方面: 1)高效紧凑 由于微通道换热器由多孔扁管、翅片与管子 之间采用焊接的方式形成, 与铜管铝翅片换热器 112 第 11卷 图 1 微通道换热器结构示意图 相比: 翅片与扁管间采用钎焊技术 ,消除由换热管 到
5、翅片间的接触热阻 ,提高了导热性能。 铜管铝 翅片换热器,通常有圆柱绕流现象发生,其换热性能 会受到一定的制约,而微通道换热器应用了扁管,其 产生的热边界层有益于强化空气侧的传热 1。此 外,其空气侧的气流组织更好,减小了迎风阻力和由 此而产生的噪声 , 可 有效地降低风扇 的功耗。 微通道换热器中多孔扁管的使用, 使得制冷剂流 道被分成若干个平行通道,其换热系数 h=Nu k/d ( Nu 为努塞尔数; k 为导热系数; d 为水力直径) 由于 水力直径明显的减小得到了显著的提高。此外 , 制冷剂被分布到若干个通道中 , 其质量流量和速 度只是适当的增加了, 不会带来过多的内部压力 损失。基
6、于此 , 微通道换热器的换热性能相对于 铜管铝翅片换热器有着显著的提高。如图 2 所示 。 图 2 微通道换热器与铜管铝翅片换热器空气侧气流组织比较 表 1 为一相同功率 、 相同能效 ,制冷剂为 R22 的微通道换热器空调器与铜管铝翅片空调器的比 较。由表可见 ,使用微通道换热器可节省约 40% 的空间,质量减少约 36. 7%,系统的制冷剂充注量 为铜管铝翅片机组的 48. 3%; 达到相同的换热效 果所需的风量较小, 可使用较小叶轮直径的风扇 , 进一步节省安装空间 。 表 1 微通道换热器与铜管铝翅片换热器的比较 2 尺寸/mm净质量/kg制冷剂充注量/kg 风量/( m3/h)风扇叶
7、轮直径/mm迎风面积/m2 铜管铝翅片换热器2 05077521. 6514. 483. 295 6055601. 588 微通道换热器1 350720189. 161. 593 6524450. 972 2)节材降成本 表 2 为某型号的微通道换热器空调器与铜管 铝翅片空调器的经济性分析。由表可见,微通道换 热器的使用,相对于铜管铝翅片换热器而言,不仅体 现在部件自身的层面,即部件的材料、 仓储及运输上 具有的优势 ; 在系统层面也有着显著优势, 除压缩 机成本有所增加外, 其制冷剂的充注量更小, 可选 用较小叶轮直径的风扇 , 在机组外壳 、 仓储和运输 上的综合成本明显缩减, 其综合成本
8、优势明显 。 3)良好的抗腐蚀性 制冷系统的设备会安装在各种不同的环境 中,包括具有腐蚀性的区域, 如海水等, 会导致设 备由于不正确的保护而过早地失效, 其中最常见 的为 2 种不同材料间的电化学腐蚀 。在铜管铝翅 片换热器的铜铝接触处经常出现该现象 , 使得换 热器性能降低, 翅片腐蚀、脱落。为缓解/降低电 化学腐蚀, 通常采用在铝翅片上喷涂一些材料来 隔绝翅片和铜管, 或翅片和铜管上镀一层环氧树 脂 ,或采用铜翅片。而微通道换热器中集流管 、扁 管及翅片采用铝合金及配合一定的涂层, 材料的 属性相似,极大地降低了电位腐蚀的速率 。此外 , 涂层( 又称为牺牲层) 的使用, 使得铝管和翅片
9、只 有牺牲层在腐蚀完全后 ,扁管才会有腐蚀发生 , 从 而进一步强化了换热器的抗腐蚀性能 。 表 2 微通道换热器的经济性分析 3 冷凝器成本制冷系统成本 成本变化/元变化/ %成本变化/元变化/ % 材料53. 5814 制冷剂81. 7751 风机606. 0650 压缩机-192. 4011 外壳173. 1647 仓储0. 483928. 8649 运输2. 3138157. 8650 总成本节约56. 37855. 31 第 4期丁汉新 等 : 微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景113 图 3 所示为微通道换热器与铜管铝翅片换热 器的循环腐蚀试验的比较。图 3( a) 所示为微
10、通道 换热器在 7 000 h 后的循环腐蚀试验的结果 , 图 3 ( b) 所示为铜管铝翅片换热器 1 000 h 后的循环腐 蚀试验结果 。由图可以明显地看出, 微通道换热 器的抗电化学腐蚀性能优于铜管铝翅片换热器。 图 3 微通道换热器与铜管铝翅片换热器的 循环腐蚀试验结果 4)可持续发展 相对于铜管铝翅片换热器, 微通道换热器绝 大部分为铝材, 在回收时无须进行铜铝分离处理, 提高了材料的循环利用效率 , 降低了回收的成本。 在换热器加工过程中, 可更多地采用自动控制, 也 不会产生铅、铬、汞和镉等重金属离子, 对环境保 护更为有利。此外, 系统制冷剂的充注量减少, 意 味着更少的制冷
11、剂泄漏量以及环境污染 。 2 微通道换热器应用于制冷空调领域存在的 困难 微通道换热器在家用制冷及商用制冷空调系 统的应用目前仍处于发展的初期阶段, 由于换热 器的设计 、 尺寸以及使用环境与汽车行业存在较 大区别,因此,如何更好地解决生产过程中的工艺 问题和质量问题 、 更好地优化制造流程以适应更 广泛系列的产品的低量生产 , 是微通道换热器应 用于制冷空调领域所面临的主要问题。 从 2005 年 Johnson Controls 第一次开始将其 用于商用制冷空调系统起, 微通道换热器在制冷 空调行业中作为冷凝器使用取得了长足的发展 , 尤其在北美和欧洲, 各主要的换热器供应商或空 调主机供
12、应商几乎都先后推出了自己的微通道产 品 , 如 JCI , Carrier, Luvata, Delphi , Danfoss, Luxaire ,Heatcraft 和 Thermokey 等, 并且产量在 逐年增加。然而 , 微通道换热器用作制冷系统蒸 发器或用于热泵系统, 目前尚未取得突破性的进 展 ,存在如下几个关键问题有待解决 。 2 . 1 制冷剂分配 微通道换热器作为蒸发器使用时, 制冷剂在 各换热管中的分配很不均匀, “干蒸”与“供液过 多”现象在换热器各换热管间非常普遍 4-6 。而制 冷剂分配的不均匀性对系统的性能影响很大, Sa 5 和 Vist 6实验研究发现, 制冷剂
13、在换热管中的不 均匀分布对 R22 机组性能的削弱可至 50 %左右 , 对 R134a 的性能影响程度为 29 % 39%。研究人 员发现,影响微通道换热器的因素较多,除自身结构 参数 ,如节流管直径 、 位置方向,隔板位置 ,换热扁管 的结构,制冷剂入口位置等, 制冷剂入口状态,重力 以及空气侧气流组织都会影响换热器中制冷剂分配 的均匀性 4-8 。由此,如何设计出制冷剂分配较为均 匀、 受外在因素影响较小且较为经济的微通道蒸发 器 ,是目前亟待解决的问题之一 。 2 . 2 凝结水 微通道换热器采用平行流动的扁管代替了铜 管铝翅片换热器的圆管, 增大了凝结水与换热器 间的接触角和接触面
14、, 凝结水在排除的过程中 , 黏 性力与重力相当, 排水的速度直到脱落之前几乎 保持同一速度, 使得换热器表面的凝结水不易排 除 。而在铜管铝翅片换热器中 , 黏性力作用小于 重力,凝结水在脱落过程中处于不断加速的状态 , 其排除速度远高于微通道换热器 9-11。实验研究 发现 11,对于同样垂直放置的铜管翅片换热器和 微通道换热器 ,铜管翅片换热器 80%的凝结水可 在 1 s 的时间内排除 ,而微通道换热器则需要近 10 s的时间 。此外 , 微通道经过钎焊后, 在其铝管和 翅片上残留一定的钎剂, 形成凹凸不平粗糙的表 面 ,一方面为换热器壁面湿空气凝结时提供了凝 结核心 , 另一方面也增
15、加了凝结水排除的难度 。 堆积在换热器表面的凝结水形成了很大的传热热 阻 ,制约着换热器传热性能的发挥。 114 第 11卷 2. 3 结霜 结霜问题是微通道换热器用作蒸发器或用于 热泵系统面临的一大难题。表 3为能力相同的微通 道蒸发器与铜管铝翅片换热器结霜周期和除霜时间 的比较。微通道换热器较铜管铝翅片换热器更容易 结霜,在首次结霜, 即换热器表面还相对较干燥时, 其结霜速度为普通铜管铝翅片换热器的 1. 25 倍; 而 由于排水不畅的缘故 ,微通道换热器在经过多次结 ( 化) 霜后,其平均结霜速度将比首次结霜快 70% 左 右,同时将与铜管铝翅片换热器在同等情况下的结 霜速度差距拉大至
16、1. 78倍,且微通道换热器化霜所 需时间较铜管铝翅片换热器长 40% 左右。 表 3 微通道换热器与铜管铝翅片换热器 除霜周期及时间比较 12 铜管铝翅片换热器微通道换热器 首次 结( 化) 霜 稳定后 结( 化) 霜 首次 结( 化) 霜 稳定后 结( 化) 霜 结霜周期49 min 13 s41 min 7 s39 min 43 s 23 min 13 s 除霜时间2 min 2 s2 min 32 s2 min 50 s3 min 30 s 试验研究还表明 , 正是由于微通道换热器排 水不畅及表面相对粗糙 , 表面残留的膜状或珠状 水滴形成了结霜所需的核心 , 使得微通道换热器 更易结霜 。微通道换热器在结霜除霜周期的平均 能力较铜管铝翅片换热器低 22%左右 , EER 低 13% 12 。如何遏制微通道换热器的快速结霜 , 降 低其除霜的频率和缩短除霜时间, 是提高其性能 和推广其广泛应用所须解决的一大难题 。 目前
