微通道换热器在空调应用中的研究现状

谈玉龙

（英格索兰亚太工程技术中心，江苏太仓215400）

0 引言

微通道换热器最早出现于20世纪80年代，当时较多应用于电子元器件的散热，后逐渐应用汽车空调领域。随着技术的发展和市场的需求，微通道换热器现已在家用及商用空调领域得到广泛应用。所谓微通道换热器，通常是指水力当量直径小于1 mm的换热器。微通道换热器采用全铝结构制成，通常由具有多个平行小孔的扁管、铝带开窗折叠成型的翅片以及集流管组成，其结构如图1所示。

1 微通道换热器的优点

由于微通道换热器的紧凑结构特点，因此逐渐地在空调行业中得到应用。同现有的管式翅片换热器相比，微通道换热器具有如下优点：

图1 微通道换热器结构简图

1）换热效率高。微通道换热器单位体积流体与流道的接触面积要远大于传统的管翅式换热器，基于相同换热能力，微通道换热器的体积比传统的管式翅片换热器要小近1个数量级[1]。同时小水力直径的微通道使得边界层厚度大大减小，传热热阻也随之减小，因此在换热方面微通道换热器呈现高传热系数、高热流量的特征。

2）体积小，重量轻。由于微通道换热器是由扁管、翅片以及集流管通过焊接加工而成，相对于传统的管式翅片换热器，其结构更加紧凑。同时由于其高效的换热效率，在相同能效的情况下，微通道换热器的外形尺寸及质量都比管式翅片换热器要小。

3）成本低。微通道换热器采用的是全铝结构，而传统的管式翅片换热器需要用到铜管，由于铜的价格高于铝的价格，因此采用全铝制造的微通道换热器在原材料成本上要低于管式翅片换热器。同时当进行设备回收时，微通道换热器相比管式翅片换热器等其他形式换热器，由于其材料单一，故其回收简单，成本低。

4）制冷剂充注量少。由于在相同换热能力下，微通道换热器内部腔体容积明显小于管式翅片换热器，故微通道换热器的制冷剂充注量小于管式翅片换热器。

2 结霜性能的研究

微通道换热器在家用空调或者商用空调的应用中经常会出现结霜的情况。对目前出现的多数的结霜情况进行分析发现：外界空气的温度和湿度、换热器表面处理方式、冷凝水残留量的多少以及翅片结构都会对微通道换热器的结霜性能产生影响。通过比较微通道换热器与管式翅片换热器在结霜条件下的性能[2]发现，制冷剂分配不均是影响换热器结霜性能的关键因素之一。

换热器表面处理会影响其表面冷凝水的残留量，进而对换热器的结霜性能产生影响。为了进一步分析其影响性能的大小，Ehsan Moallem等[3-4]分别对微通道换热器的表面进行亲水和疏水处理，并对其进行结霜性能实验，发现经过亲水处理的微通道换热器在结霜条件下的工作性能要好于经过疏水处理的微通道换热器，且二者的结霜外观不一致，但是两种处理方式对微通道换热器的结霜时间没有太多影响。同时在此基础上还研究了冷凝水残留量对结霜性能的影响，实验结果发现:经过疏水涂层处理的干翅片比湿翅片的表面结霜时间长25%，而经过亲水涂层处理的干翅片比湿翅片的表面结霜时间长60%。

通过对比翅片间距和微通道换热器倾角不同条件下的结霜情况，有研究表明，集管中的制冷剂分配不均对微通道换热器的结霜性能影响明显[5]。针对不同冷媒温度以及空气露点温度，盛伟等[6]分3种工况对微通道换热器作为蒸发器的结霜性能进行了试验研究，结果表明：当冷媒温度低于露点温度但均高于0℃时，换热器并未出现结霜现象；当冷媒温度低于0℃，露点温度高于0℃时，在试验进行1 h后，换热器压力损失68 Pa，换热量减小20 W，换热器结霜，但迎风面相对于背风面结霜较少；当冷媒温度低于露点温度且均低于0℃时，换热器压力损失533 Pa，换热量减小300 W，且背风面出现严重霜堵现象（表1）。

从上述各种研究成果可以发现，制冷剂分配不均、换热器的表面处理均对结霜性能产生较大影响。冷凝水残留量越大，换热器表面越容易结霜。周围环境的温度和湿度均对结霜性能产生较大影响。同时换热器的结霜情况直接影响微通道换热器的整体换热性能。

表1 不同工况下微通道换热器结霜性能

3 翅片参数对换热性能影响的研究

翅片是微通道换热器中用来换热的部件，翅片一般由铝带开窗折叠形成[7]。翅片的间距、高度以及开窗角度等重要参数对换热器的换热性能有一定的影响[8]。

通过建立百叶窗翅片的数值模型，研究翅片参数对换热性能的影响，发现翅片间距Fp对于换热量的影响较大，减小翅片间距Fp可增加换热器的换热量；相同开窗长度下，随着翅片高度Fh的增加换热量变化不大，但可以降低微通道换热器的成本。

李炅等[10]利用有限元分析软件对整体翅片式微通道换热器空气侧的热力性能进行数值模拟，并与常规型式微通道换热器空气侧的热力性能进行对比分析发现，增加翅片高度，减少翅片间距可以明显提高换热器的换热性能。

图2 翅片结构简图

张兴群等[9]研究了微通道换热器作为冷凝器时的结构参数，迎面风速等参数对换热器换热性能的影响，发现减少微通道换热器的翅片高度和间距可以提高空气侧的换热系数，增加冷凝器散热量，提高换热性能。

上述研究可以发现，翅片间距对换热量的影响较大且最为明显，即减小翅片间距有助于增加换热量，提高换热器换热性能；而增加翅片高度可以提高换热性能同时降低换热器生产成本。

4 与管式翅片换热器的对比研究

相对于微通道换热器，管式翅片换热器在空调中的应用更早，且更加广泛。管式翅片换热器在空调中的应用已经积累了大量的经验和实验数据，并且部分成果已形成标准规范。微通道换热器在空调中的应用还是近几年发展起来的，很多参数的研究都需要参考对比管式翅片换热器，因此通过对比性的试验以探究微通道换热器的性能显得尤为重要。

在相同换热能力条件下，通过实验分析对比了微通道换热器和管式翅片换热器的换热性能[11-12]，研究人员发现，无论是在体积和质量上，还是在换热效率和制冷剂充注量上，微通道换热器都明显优于管式翅片换热器。在体积、外形、翅片间距及迎风面积相同的条件下，采用微通道的空调系统制冷量提高3.4%，且制冷剂侧压降减小，COP提高13.1%。将商用空调系统中的管式翅片换热器替换成微通道换热器并进行对比实验研究[13]，发现在不同标准制冷工况下，微通道换热器与管式翅片换热器的制冷量相差不大，但是系统COP平均提高了2.45%，系统充注量相较于管式翅片换热器有所减少，材料成本减少极为明显。在25℃、35℃、43.3℃三种不同的环境温度下，商萍君[14]研究了风冷涡旋式冷水机组中使用的微通道换热器和管式翅片换热器的换热性能差异，发现当冷凝传热温差相同时，微通道换热器的冷凝传热量均大于管式翅片换热器，微通道换热器比管式翅片换热器在冷凝传热性能方面优势明显。

图3 管式翅片换热器1250 h后腐蚀状态

图4 微通道换热器1250 h后腐蚀状态

刘志孝等[15]通过对管式翅片换热器和微通道换热器进行腐蚀研究，对比分析腐蚀对换热器传热和空气流通阻力的影响。结果表明，经过1250h的中性盐雾试验后，管式翅片换热器主体完好（图3[15]），但边板处的翅片因腐蚀严重而出现脱落现象，而微通道换热器局部区域的翅片脱离扁管（图4[15]），出现翅片粉化现象；腐蚀引起换热器的传热性能下降，1250 h时微通道换热器的换热量衰减程度明显大于管式翅片换热器；腐蚀引起换热器的空气流通阻力增大，微通道换热器的风阻增幅明显高于管式翅片换热器。

综合上述对比研究可以发现，在相同条件下，使用微通道换热器的系统的COP值均比管式翅片换热器的系统有明显的提高，微通道换热器的换热性能明显好于管式翅片换热器，微通道换热器的换热优势以及经济性优势十分显著。但是在腐蚀性对比研究中，在经历上千小时的盐雾试验后，微通道换热器的腐蚀程度大于管式翅片换热器，导致微通道换热器的换热性能衰减明显大于管式翅片换热器。

5 结论

微通道换热器以其高效的换热性能、较低的生产使用成本和紧凑的结构体积，越来越受到空调行业的关注。本文主要介绍了微通道换热器的结霜性能和翅片参数的研究现状，同时介绍了微通道换热器与管式翅片换热器的性能对比研究现状。

关于结霜性能的研究可以发现，制冷剂分配不均、冷凝水残留量大小对结霜性能影响较大。换热器的表面处理影响冷凝水残留量，进而影响换热器结霜性能，换热器的结霜情况直接影响微通道换热器的整体换热性能。关于翅片参数的研究可以发现：翅片间距对换热量的影响较大，减小翅片间距有助于增加换热量，提高换热器换热性能；而增加翅片高度可以提高换热性能同时降低换热器生产成本，因而增加翅片高度具有很好的经济性。通过与管式翅片换热器性能对比可以发现：在相同条件下，使用微通道换热器系统的COP值均比管式翅片换热器的系统有明显的提高，微通道换热器的换热性能明显好于管式翅片换热器。但是在腐蚀性对比研究中，在经历一定时间的腐蚀试验后，微通道换热器的腐蚀程度明显大于管式翅片换热器，导致微通道换热器的换热性能衰减明显大于管式翅片换热器。综合对比分析可以发现，微通道换热较管式翅片换热器还是有很大优势。