微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景_丁汉新.pdf

第11卷 ? 第 4 期 2 0 1 1 年 8 月REFRIGERATION AND AIR- CONDIT IONING111 - 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[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)风扇叶轮直径/ mm迎风面积/ m2 铜管铝翅片换热器2 050? 775? 21. 6514. 483. 295 6055601. 588 微通道换热器1 350? 720? 189. 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. 58? 14??制冷剂??81. 77? 51 风机??606. 06? 50 压缩机??- 192. 40? 11外壳??173. 16? 47 仓储0. 48? 3928. 86? 49 运输2. 31? 38157. 86? 50 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 T hermokey 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, 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 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市场上已有厂家发布了基于微通道的蒸发器产品, 其主要设计理念都是通过特殊的头管设计, 改善两相制冷剂的分配, 从而提高蒸发器的性能但是复杂的结构和加工精度要求, 带来了明显的成 。