微通道蒸发器在室内空调器上的应用研究

郭晓峰，　胡朝发，　陈华康，　曹　勇（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

微通道蒸发器在室内空调器上的应用研究

郭晓峰，胡朝发，陈华康，曹勇
（珠海格力电器股份有限公司，广东珠海519070）

微通道换热器以高效、低成本等优点在空调上得到广泛应用，但目前微通道换热器在蒸发器中应用较少。本文通过对微通道蒸发器与铜管翅片式蒸发器进行实验测试，旨在对微通道蒸发器优势及问题进行初步分析。

微通道换热器； 蒸发器； 室内空调器

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.014

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0　引言

随着制冷空调行业的不断发展，各国能效标准也在不断升级，同时市场竞争压力的日益增加，如何提供一个高能效、低成本、稳定可靠的产品成为空调领域新生的一大命题。

近年来，随着铜价的一路攀升，换热器降成本已势在必行。目前换热器降成本的研究主要有两个方向：一种是小管径换热器的研究，例如￠5管换热器已经开始应用到家用空调器中；另外一种测试铜材的替代技术，目前行业内研究较多的是铝代铜方案，如全铝微通道换热器。

微通道换热器作为一种紧凑式高效换热器，通道直径减小，利用微通道强化相变传热特性强化管内制冷剂对流换热［1，2］。同时平行流动结构有利于降低空气侧流动阻力从而可减小风扇耗功率［3］，全铝换热器结构降低了材料消耗量和材料成本。微通道换热器在家用和商用空调单冷机上用作冷凝器已显示出明显技术优势，但用于蒸发器时由于均匀分液、凝露及凝结水排除等技术问题，尚处于研究探索之中［4］。笔者以美国户式中央空调室内机为载体，在A型蒸发器上展开对比实验测试，分析微通道蒸发器在应用中存在的优势和问题。

1　测试样机信息

1.1样机信息

测试样机采用变频美国户式中央空调系统，额定制冷量2Ton，标准测试静压25Pa，一台室内机采用铜管翅片式蒸发器，另外一台采用微通道蒸发器，分别搭配同一台单冷室外机测试。

1.2换热器参数

根据样机尺寸和能力设计需求，结合厂家提供的微通道换热器选型计算软件及换热器价格，选用20.6mm扁管的微通道换热器，微通道换热器及原机铜管翅片换热器单片详细设计尺寸见表1、表2。

微通道蒸发器在外观、迎风面积等方面与原机翅片式蒸发器基本相同，换热器外观照片如图1所示。同时，为保证测试准确性，对微通道蒸发器两侧及顶部进行密封操作，密封后外观照片如图2所示。

表1　翅片管式蒸发器尺寸参数

表2　微通道蒸发器尺寸参数

图1　微通道换热器密封前

图2　微通道换热器密封后

2　样机实验测试方案

样机试验测试工况［5］见表3，分别在A2、凝露工况下进行测试分析，对微通道换热器的风阻、单位迎风面积换热量、压降、冷媒分布、凝露及凝结水排除等方面进行确认，具体测试方案见表4。

表3　试验测试工况

表4　实验测试方案

为了保证试验数据的准确性，并针对所需测试的项目，增加微通道蒸发器进出口温度测点，在蒸发器每一路的进出口布置热电偶，并利用锡箔纸和线扎使其紧固在扁管表面。同时在蒸发器背风侧布置热电偶，用来测试蒸发器上下出风温差及左右单片蒸发器出风温差。并且在蒸发器进出口管路增加压力测点，用来测试蒸发器换热压降。

3　实验测试及数据分析

3.1风阻对比分析

评定一款换热器的好坏，风阻是其中一项重要因素。换热器的风阻越小，同功率下风机的风量就会越高。

试验数据如图3所示，在干盘管测试试验时，微通道蒸发器风量相对铜管翅片式蒸发器风量提升1.03%；名义制冷工况测试时，微通道蒸发器风量相对铜管翅片式蒸发器风量提升1.67%，微通道蒸发器不管在干盘管工况还是名义制冷工况下风量均偏高，说明该尺寸下微通道蒸发器风阻低于铜管翅片式蒸发器。此外，从干盘管工况到名义制冷工况下，微通道蒸发器的风量降低量仅是铜管翅片式蒸发器的69.6%，说明微通道蒸发器在空调制冷时，蒸发器表面凝结水膜面积低于铜管翅片式换热器。

3.2性能对比分析

评定一款蒸发器的好坏，性能是其决定性的影响因素。蒸发器性能越好，同尺寸下室内空调器的换热量越高，相对用户来说空调的性价比就越高。为了更好的描述蒸发器的性能，笔者从以下三个方面进行分析研究。

图2　风量测试对比

3.2.1蒸发器单位面积换热量

试验数据如图4所示，从图中可以看出，试验中微通道蒸发器换热量是铜管翅片式蒸发器102.5%。通过对比蒸发器分析发现，微通道扁管的外表面积是铜管翅片式换热器的3～3.5倍，同时内部微通道强化换热，提高蒸发器的换热量；另一方面，微通道蒸发器具有更小的风阻，蒸发器的迎面风速更高，强化蒸发器的表面换热性能。

图4　换热量测试对比

3.2.2蒸发器压降

蒸发器的压降反馈系统在推动冷媒在蒸发器中蒸发换热时所需要耗功的多少，一定程度上影响空调器的整机能效。

实验数据如图5所示，从图中可以看出该微通道蒸发器的压降只有翅片式蒸发器压降的15.7%，降低了蒸发器的压降。分析实验数据微通道蒸发器压降较低的原因有以下两个方面：1），由于采用微通道蒸发器后，系统冷媒关注量大大降低，使得空调系统中冷媒循环量减少所引起；2），由于翅片式蒸发器采用喷嘴加毛细管实现蒸发器均匀分液，导致翅片式蒸发器压降偏大。

图5　压降测试对比

3.2.3蒸发器冷媒分布及灌注量

从实验数据可以看出，采用微通道蒸发器后系统灌注量减少了25%，由于微通道蒸发器利用微尺度效应来强化换热，内部制冷剂流通截面积减少，限制了制冷剂的流通量，同时微通道蒸发器内部容积要小于铜管翅片式换热器，可容纳的制冷剂体积减少。

从图7可以发现，微通道蒸发器各个出管温度呈现先升高后下降的趋势，并且分路最高换热温差接近8℃。从蒸发器结构分析，由于第1路到第9路依次远离蒸发器入口，所以流路的流动阻力也依次增加，导致前4路制冷剂流通量较多，出口温度较低。

图6　制冷剂灌注量对比

图7　蒸发器出管温度曲线

3.3凝露及冷凝水排除分析

在凝露工况下，将压缩机频率调至额定频率，稳定运行4h后，检查内机凝露情况，图为拍到凝露照片，风机两侧及底部有大量凝露水及很大的水滴，但是靠近蒸发器出口两侧的机壳上没有任何凝露水，所以从以下两个方面对凝露问题进行分析。

图8　蜗壳凝露图

图9　微通道结构图

3.3.1蜗壳表面凝露问题

从图8来看，蒸发器蜗壳上存在大量凝露水，尤其是在电机一侧，同时在蜗壳底部有大量凝露水已汇集成水滴状，部分凝露水已经滴落。在观察微通道蒸发器时，发现有较多的凝露水没有汇集到接水盘内，直接滴落到底部的过滤网上。蒸发器出风温度分布如图10所示。

图10　蒸发器出风温差

从实验现象看出，由于靠近蒸发器机壳上并无任何凝露水，所以可以判断风机上的凝露水并不是由于迎面风速过高将蒸发器表面的凝结水带至风机表面。

依据测试数据分析，从微通道蒸发器各个分路出口温差的现象可分析，凝露主要由于以下两个方面造成：1）由于微通道蒸发器结构所导致，微通道蒸发器分路流向是从左到右，导致微通道蒸发器内制冷剂温度分布为左冷右热，使得两侧出风换热温差达到5℃以上，当冷热气流在蜗壳表面汇集时出现凝露现象；2）受风机结构影响，在风机右侧存在直流电机，其横截面积达到进风口的80%，使得右侧风阻明显高于左侧，导致蒸发器右侧风量偏低，加剧了左右出风温差的问题。

3.3.2蒸发器表面凝露水排除问题

由于其蒸发器翅片结构与排水方向垂直导致微通道蒸发器冷凝水排除效率低，出现蒸发器表面水滴汇集滴落。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，粘性力与重力当，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［6］，进而凝露水在蒸发器表面汇集成滴，滴落至过滤网上。若过滤网上长期有凝露水存在，会导致细菌滋生，影响空调空气质量。

4　结语

以上通过对微通道蒸发器和翅片式蒸发器在室内空调器上的实验对比发现，在性能方面，微通道蒸发器拥有更高效的传热性能、更低的流动阻力、更好的气流组织；在成本方面，微通道蒸发器拥有更低的材料成本、紧凑的结构设计、更少的制冷剂灌注量。这些优势的存在不仅可以实现空调器的成本降低，同时也有利于环境的可持续发展。虽然微通道蒸发器存在如此多的优点，但微通道蒸发器在室内空调器上的应用仍存在以下难点需要改善：

（1）换热器的结构设计：通过研究平行流扁管的方向、翅片的结构及翅片与扁管之间的装配方式等不同方式组合，寻求提升微通道蒸发器冷凝水排除效率的结构设计，解决凝露水滴落的问题；

（2）蒸发回路设计：微通道蒸发器左进右出的流路结构设计导致左右侧出风温差偏大，通过研究蒸发器结构、分路设计等方面，改善出风换热温差，解决空调器的凝露问题。

［1］Westphalen D，Roth K W，Brodrick J.Emerging technologies：microchannel heat exchangers［J］.ASHRAE Journal，2003，45（12）：107～109.

［2］Carrier Inc.Microchannel technology：more efficient，compact，and corrosion resistant technology for aircooled chiller applications［EB/OL］.

［3］Jacobi A M，Park Y，T afti D，et al.An assessment of the state o f art，and potential design improvements，for flat-tube heat exchangers in air conditioning and refrigeration applications-Phase I［R］.ARTI-21 Final Report，2001.

［4］刘纳，李俊明，李红旗.采用微通道换热器的热泵型空调器性能研究［J］.制冷与空调，2011，11（4）：96～99.

［5］ARI 210/240-2008，Performance Rating of Unitary Air-Conditioning& Air-Source Heat Pump Equipment［S］.

［6］丁汉新，王利，任能.微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景［J］.制冷与空调，2011，11（4）：111～115.

tudy of Micro-channel Evaporator Used in Indoor Air-conditioner

GUO Xiao-feng， HU Zhao-fa， CHEN Hua-kang， CAO Yong
（Gree Electric Appliances Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

Microchannel heat exchanger is widely used in air conditioner for high heat exchange efficiency and low cost，but less used as evaporator.Based on the measured results of micro-channel evaporator and aluminum fin-copper tube evaporator，this study shows the advantage and disadvantage of micro-channel evaporator.

microchannel heat exchanger； evaporator； indoor air conditioner

TM925.1

B

2095-3429（2014）06-0052-04

郭晓峰（1989-），男，山东人，工程师，主要从事商用及特种空调系统研发工作。

2014-12-15

2015-03-09