全铝微通道换热器在空调中的应用

周子成

1 引言

近年来，虽然铜管铝翅片的换热器在空调中的应用仍是主流，但是由于铜材价格不断上涨，制造商已经开始寻求采用铝管来降低成本。铝管和铝翅片冷凝器的应用已经有10余年的历史。20世纪70年代，美国GE公司和开利的子公司Bryant公司已经在空调室外机中使用。然而，铝管和铜连接管的现场焊接是一个难题，因而全铝换热器并未获得广泛应用。全铝微通道换热器改进的技术进步，使它在空调中获得了新的应用，在2008年，Luvata和Delphi两家公司开始商业化销售微通道换热器，开利和其他制造商开始在空调中采用它，现在，主要的日本汽车空调制造商如电装(Denso),三电(Sanden)和我国制造商如三花、盾安等都批量生产全铝微通道换热器。三花丹佛斯在浙江杭州和美国密苏里设有工厂，在2013年销量增长50%。美国开利早期在屋顶机中采用微通道换热器，近期开始应用于冷水机组。而约克、特灵、大金也已在美国市场的屋顶机标准产品中使用微通道换热器。在日本，最早是柯罗那在一些Eco Cute热泵热水器中使用，2012年1月26日，大金推出了Zeas系列5HP热泵空调系列使用全铝微通道换热器。室外机从原来的80kg降至59kg。2013年7月8日，三菱电机宣称从2013年10月1日起，在Gran系列VRF多联机中的15个机型室外机中采用扁平管换热器。传热效率提高30%。8HP机的APF达到5.9，是业界最高的效率。

浙江三可热交换系统有限公司设计开发的微通道冷凝器和蒸发器在制冷量为2.5冷吨的户式中央空调与铜管翅片换热器的对比试验表明，采用微通道换热器后换热器重量减少40.8%，制冷剂充注量减少50.7%,系统性能提高6%以上。

虽然全铝微通道换热器在汽车空调中应用已有20余年，但在制冷空调中的应用只是近几年的事，因为它需要解决更多的难题，其中主要是热泵型机组室外机在寒冷气候时的结霜和除霜问题。

图1 微通道换热器的结构

全铝微通道换热器比传统的铜管铝箔换热器主要有以下优点：(1)效率高，(2)制冷剂充灌量少，(3)换热器只有一种金属，容易回收利用，(4)腐蚀较慢。

全铝微通道的传热关系是换热器设计的关键技术，已公布的资料尚不够系统完整，本文将综述了部分准则关系式。

微通道换热器在空调领域的应用，有三方面是值得重视的。一是微通道换热器的合理结构，二是微通道换热器的换热关联准则式，三是建立微通道换热器完善的换热试验装置。

2 结构

通常将直径在0.001mm到1mm的通道称为微通道。

微通道换热器的结构主要由四部分组成：(1)具有多条并联微通道的管板，(2)连接多块管板进、出端的进、出集管，(3)管板之间的扩展表面，(4)连接进、出集管的制冷剂铜铝接管。图1示出了一种空调用蒸发器和冷凝器的结构例子。

3 传热

微通道的传热过程取决于传热表面积As，它与微通道直径D或液力直径Dh呈线性变化，另一方面，微通道的流量取决于微通道的横断面积Ac，它随D2呈线性变化，因此，传热表面积与容积之比As/V随1/D而变化，当D减小时，As/V增大。对于一个微通道在层流区，传热系数h与微通道直径呈反比变化，即h∝1/D。当直径减小时，传热系数增大，如图2所示。

图2 微通道直径D对传热系数h的影响(在层流区)

3.1 微通道中单相流的流动摩擦系数f和泊肃叶数(Po)

摩擦系数(f)是表面粗糙度的度量，并且影响压力降(Δp)和传热系数(h)，泊肃叶数(Po)是在流体流动中代表完全发展的层流摩擦数值的度量，对于常规管道它们具有如下关系：

Po=fRe=C

(1)

其中C是常数，取决于流道的几何形状，对于常规的层流，Po通常独立于雷诺数Re，对于圆管，与达西摩擦系数和雷诺数的乘积保持为定值，即Po=fRe = 64。在传热中通常使用摩擦系数或范宁摩擦系数(Cf)，而在流动分析中通常使用达西摩擦系数(f)，它们之间的关系是f=4Cf。

一般地说，在微通道中的f是大于常规管道中的，但各种文献中说法不一，有大于、等于或小于常规中的说法。

在圆管或非圆管的湍流流动中，常规光滑管著名的布拉休斯准则式如下：

fapperant(fanning)=AReB

fapperant(fanning)称为表观范宁摩檫系数，适用于发达的和发展中的湍流流动。x是干度，D是流道直径。

Yu-tang Chen 得出了实验的摩擦系数公式：

式中：

gc—单位换算因子，gc=1.0，kgm/Ns2；

Δp—进、出口间的压降，Pa；

Dh—微通道的水力直径，m;

L—流道长度，m;

pf—制冷剂的密度，kg/m3;

Vt—制冷剂的流速，m/s;

K—压降系数

Choi等人得出了湍流流动中的摩擦系数与雷诺数之间的关系式：

f=0.140Re-0.192

在各种文献报告中，f有不同的值，在微通道的f是常规f的0.5至5倍。

3.2 微通道中单相流的临界雷诺数Recr

经典的圆形管内流动的临界雷诺数是Recr=2300。通常当Re>2300时开始从层流向湍流转变。在微通道内的流动中，多数报告是层流开始转变时的Recr<2300,某些报告是当通道的液力直径减小时，开始转变得早。另外有些报告是转变出现较晚，发生在Re≥2500.一些作者报告认为在圆形微通道中转变的临界雷诺数在23004000。

3.3 微通道中单相流的努赛尔数(Nu)传热特性

在微通道中，努赛尔数通常是较高的，一些作者认为Nu类似于f、Po、Re 的趋势。在层流区，Nu是与雷诺数的0.3到1.96次方成正比，在湍流区，一些作者建议采用Dittus-Boelter关系式或Gnielinski准则式按下式估算微通道的Nu数：

Nu=NuGn(1+F)

(6a)

式中：

D0=1.167mm

式(6a)适用于2300

式(6b)中的摩擦系数f是由Petukov的湍流摩擦准则数确定：

f=(0.790×lnRe-1.64)-2

(7)

适用于3×103≤Re≤5×106。

上式中单相流的微通道尺寸是在0.001≤Dh≤4.1mm，微通道中的Nu数是常规的0.21到1.6倍。

3.4 微通道中流体流动和传热特性

微通道中流体流动和传热特性是在层流和湍流区，受流道表面粗糙度、进口区、流道曲率等因素的影响。微通道中的过渡流动受流体温度、流速和流道尺寸的影响。

下列三个公式[2]可以用来计算微通道换热器内制冷剂的换热系数：

Nu=[Nu13+0.73+(Nu2-0.7)3+Nu33]1/3

(8c)

式中：

Nu1=3.66

式中：Nu-努赛尔特数；Re-雷诺数；Pr-普朗特数；W-流道宽度；H-流道高度；

3.5 两相对流换热与单相对流换热的比较[3]

Peng和Wang提出了单相换热准则关系式：

Hihara和Saito 提出了R22/R114混合物在水平管蒸发时的如下两相换热准则式：

其中C1、C2、C3取决于混合制冷剂的混合百分比。

之后，Hihara等又提出了一个R12/R22和R114/R22混合物在水平管的如下实验准则式：

Kandlikar提出了一个如下准则式：

其中C1、C2、C3、C4、C5是流量的函数。B0和C0是与蒸发和对流有关的准则数，Fr是弗劳得数。

式中：

q*—临界热流，W/cm2；

G—质量流速，kgm2/s；

i—焓，J/kg；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

ρv和ρ1—蒸汽和液体的密度，kg/cm3。

Klimenko使用了21种流体得出了下列准则式：

式中Kv和K1是蒸汽和液体的导热系数。

Chatp等提出了在进口有相变时的蒸发和冷凝的准则式，其冷凝准则式如下：

式中：

式中X是Martinelli参数，x是干度。

3.6 CO2超临界区的传热准则式

表1综合了在CO2超临界区的传热准则式[4]。

表1 CO2超临界区的传热准则式

4 测试微通道换热器的试验装置

图3 试验微通道换热器的风洞试验箱

图4 风洞试验箱的测试部分结构

图3给出了一个独特的风洞试验装置的例子，试验箱的内截面积在X-Y平面上与周围环境无热交换。因而，只有微通道内的流体与流过的空气进行热交换。为了测量风洞进口的空气流速，在X-Y平面上设置毕托管与热电偶。毕托管测出的静压与全压连接到高精度数字风管校正器，以及数据采集系统和空气流压差传感器。图4示出了测量部分的示意图。试验箱305mm×305mm，Z方向(气流方向)的长度为610mm。试验箱具有厚壁并带有保温层。

在试验箱进口A-A’断面和出口B-B’断面上开设许多小孔，以便测量空气流速和温度型面分布。在试验箱顶部还开有两个小孔，以便使用数字湿度传感器测量空气流的湿度。试验箱顶部有一个较大的门，用以安装微通道换热器试件。风洞在没有阻碍物时空气最高流速可达到3m/s，在有试样时最高流速可达到17m/s。风洞内设有一个热交换器，依靠流过的热水或冷水，对空气提供补充的加热量或制冷量。

热丝风速计被安装在风洞的上游，用于监测和补充测量中心线上的空气流速。

在进口和出口断面上安装了两个温度测量网格，以便精确测量通过风洞微通道换热器的空气流的温度，在进口断面(A-A’)上有等距离的3×3=9个网格点，在出口断面(B-B’)有5×5=25个网格点。校正的温度探头安装在每个网格点，连接到自动测量的数据采集装置。

一个液体处理系统可以是闭式或开式，泵从水箱吸取液体并泵送到加热设备和微通道换热器，热的液体传热给流过微通道换热器的冷空气，然后返回水箱或排至大气。

一个128通道的数据采集装置可以接收电压、电流和频率信号，为了获得设备和测量的同质化，所有测量和传感器选用电压激励型，并要求只是电压输出信号。除了测量断面上的湿度传感器是单独输出和处理以外，其他所有输出信号都联接到数据采集系统。

5 结论

全铝微通道换热器不仅有优良的传热性能，而且显著降低了材料成本，最近已在空调换热器上获得了成功的应用。国内已有较成熟的生产技术,使微通道换热器在空调器中的规模化使用成为可能，是一种有发展前途的新型换热器。

[1] Mesbah G.khan et al.，A review on Microchannel heat exchanger and potential applications.International Journal of energy research，2011

[2] Anke Halbritter et al.，Experiment determination of heat transfer coefficients in Micro heat exchanger，2002 spring meeting，New Orleans，LA.

[3] R.R.Riehl et al.，Comparison of Heat Transfer Correlations for Single- and Two-Phase Microchannel Flows for Microelectronics Cooling

[4] J.P.Aldana et al.，Critical Heat Flux of CO2in a Microchannel at Elevated Subcritical Pressures，ACRC TR-195，2002