毛细管冷凝器用于液冷源小型化的可行性研究

2021-03-05张烽成

机械设计与制造 2021年2期

李健，张烽成，王辉，徐军

（1.常州大学机械工程学院，江苏常州 213164；2.常州贺斯特科技股份有限公司，江苏常州 213127）

1 引言

随着电子电路的集成化程度的不断提高和大功率的电子元器件增加，电子设备体积不断变小，其热流密度却越来越高，有实验证明，电子元器件的可靠性程度与温度高低成反比[1]，所以需要及时对电子热负载进行散热。在传统热设计中，负载的散热方式以传导、自然冷却、强迫风冷为主，随着电子元器件热流密度的不断增大，传统散热方式已经无法满足散热需求，液冷散热技术比空气冷却效率高出（100～2000）倍[2]，液冷散热技术越来越多地应用于机载电子设备。相应的散热装置在散热能力和体积等方面要求也更加严格。由于液冷源系统包括泵、冷凝器、蒸发器、压缩机、管路等，部件较多，所以应用的主要问题是系统的小型化[3-5]。对制冷系统中的冷凝器进行小型化研究，使用毛细管组进行制造冷凝器，以达到提高换热量，并缩小换热器所需空间的目的，对其寻求过冷处理方法，进一步提高其换热量，并通过理论计算和换热量测试实验，验证其可行性。

2 毛细管冷凝器

2.1 毛细管换热器介绍

对于毛细管冷凝器在制冷中的应用，大家最熟悉的莫过于在建筑节能方面，使用塑料毛细管网换热器作为调节环境温度的最新技术，提高人的生活质量，其毛细管规格一般为几个毫米以上，且换热介质为水。而所要介绍的毛细管换冷凝器是使用外径为φ0.7mm，内径φ0.35mm 的金属质毛细管冷凝器[6]，换热介质为制冷剂R134a。其微小的内径造就了它的换热秘密，在一定范围内其换热系数远高于传统的管板翅片换热器，但是正因如此使得制冷剂在其内部的冷凝过程相对复杂，以至于对毛细管冷凝器的换热计算至今也没给出相应的定论，只能依靠实验数据寻求它的换热规律。

2.2 毛细管冷凝器设计

使用的毛细管冷凝器结构为：三排并联，单排规格为集液管中心距L1=300mm，集液管长L2=124mm，集液管外径D=11mm，单排毛细管层数为4 层，单排毛细管根数62 根，每根铜毛细管外径为φ0.7×0.183。因使用毛细管作为换热器，其单排风阻将很小，为节省设计空间，使得结构紧凑，将三排毛细管进行叠层结构的设计，其正面和侧面，如图1、图2 所示。

图1 毛细管冷凝器正视图Fig.1 Capillary Condenser Front View

图2 毛细管冷凝器侧视图Fig.2 Capillary Condenser Side View

2.3 冷凝器制冷量及综合传热系测定

由于毛细管内径微小，制冷剂在其内部的冷凝过程较为复杂，对其理论换传系数的计算造成了困扰，所以，使用冷量测试实验测定其实际综合传热系数。冷量测试原理图，如图3 所示。

图3 冷量测试原理图Fig.3 Schematic Diagram of the Cold Test

表1 器件选型Tab.1 Selection of Devices

其中所选主要制冷器件及型号，如表1 所示。

测试过程如下：

（1）按照实验原理图将测试系统工装搭建完成，并放置到图4 的恒温测试库中，最后进行对设备充注R134a 制冷剂。

（2）将恒温库内部环境温度升高至35.5℃，确保实验环境温度一致。

（3）开启液冷设备，运行10s 后，利用调压器将自制的热负载功率缓慢调节升高，直至整个系统运行稳定后（冷凝器出风温度基本稳定）保持不变，记录冷凝器进出风温度t1与t2，冷凝器前后压力表的数值P1和P2，同时采用风速仪测量出风口风速v，记录数据；测试现场，如图5 所示。

图4 恒温测试库Fig.4 Thermostatic Test Library

图5 测试现场图Fig.5 Test Site Map

经冷量实验测试记录数据，如表2 所示。

表2 冷量测试数据记录Tab.2 Cold Test Data Record

整理表2 所记录的数据，并进行数据分析。将v 带入风量计算式（1）求得冷凝风量q。

式中：q—冷凝风量；a—通风口截面面积；v—风速，其中面积a=L1

式中：Q—制冷量；c—空气比热；ρ—空气密度，在环境温度35℃，环境压力为一个大气压下，取值如下：

c=1.056kg·℃，ρ=1.1m3/kg

计算得此时毛细管冷凝器的制冷量，Q0=0.349kW=349W。

观察冷凝器前后压力数值p1=13.1bar 和p2=11.5bar，分析前后压力有较小压差，是因为制冷剂在毛细管换热器内冷凝液化压力所有减小，并且说明系统运行正常，未出现毛堵等现象，取p1和p2的平均值12.3bar 作为冷凝压力，通过查询R134a 制冷剂的冷凝压力与冷凝温度对应表，得出，在冷凝压力p=12.3bar 时，其冷凝温度t0=50.5℃。

通过冷凝温度计算换热量的所需计算参数和数值，如表3所示。

表3 换热计算参数Tab.3 Heat Exchange Calculation Parameters

将参数带入换热计算公式（3）：

式中：A—毛细管有效换热总面积；ΔTm—平均对数温差；K—综合传热系数。

得毛细管换热器综合传热系K0=235W/（m2·K），由K0值可知，毛细管冷凝器的综合传热系数远大于传统使用的管板翅片换热器（一般换热系数为45W/（m2·K）至70W/（m2·K））。

3 毛细管冷凝器过冷处理

3.1 过冷处理理论分析

制冷系统正常循环时，冷凝器的出口一般都会有一定的过冷度。如果没有过冷度，两相冷媒中的液体在“液管”中压力稍有损失，液体就会闪发，即饱和液体由于压力的降低必然会蒸发。液体蒸发会吸收周围的热量，剩余的液体随之降温，又达到相应压力下的饱和温度，就这样两相冷媒边前进，边闪发，边饱和，直到到达蒸发器入口。最终到达蒸发器的两相冷媒的干度就会比设计的干度大很多，液相成分减小，就无法满足蒸发器的蒸发量，制冷效果当然会降低[7]。所以通过给我们的毛细管冷凝器进行过冷处理，可以减少制冷剂闪发现象，以达到进一步提高换热性能，减小冷凝器空间体积的目的。

过冷的理论过程可以通过制冷剂的压焓图观察计算[8]，如图6 所示。

为简化理论计算，假设制冷剂的循环过程为理想循环过程。图中横轴h 为焓值，纵轴lgP 为对数压力，其中表示无过冷循环为：点1 至点2，是压缩机对制冷剂的等熵压缩过程，点2 至点4是制冷剂在冷凝器中等压冷凝过程，其中穿越的点3 为制冷剂蒸汽开始液化的分界点，再由点4 至点5 进行等焓节流，最后经过点5 至点1 的等压蒸发完成一次循环。无过冷循环的冷凝器制冷量，如式（4）所示。

式中：m—制冷剂的质量流量；h—该点的焓值。

而图中的带过冷循环为点1 至点2 等熵压缩，点2 至点4′制冷剂冷凝为饱和液态，点4′至点5′制冷剂等焓节流，最后点5′至点1 进行蒸发吸热，完成一次制冷循环。其冷凝器制冷量，如式5 所示。

由式（1）和式（2）联立可得冷凝器制冷增加量ΔQ，如式6 所示。

由此，得出理论上合适的过冷对冷凝器的换热性能有显著的提高。

3.2 毛细管冷凝器过冷处理及性能测定

对于冷凝器的传统过冷处理主要有四种方式：机械式过冷、依靠系统自身冷量过冷、冰蓄冷式过冷、基于热电制冷原理过冷。

传统使用的四种过冷方式需要额外增加过冷装置或对结构系统进行较大的改动，违背使用毛细管冷凝器进行液冷源小型化的研究目的，所以使用了一种较为简单又实用的过冷处理方式，即：对三片毛细管冷凝器进行排列组合，改变制冷剂在其内部的流程[9]，利用风进行强迫过冷，其原理，如图7 所示。将原先三片毛细管冷凝器进行两块并联的作为冷凝区，制冷剂在冷凝后汇总进入过冷区进行过冷，然后排出冷凝器。

图7 毛细管冷凝器过冷处理原理图Fig.7 Schematic Diagram of Capillary Condenser Supercooled Treatment

根据图7，我们对毛细管冷凝器进行流程的改制，并对改制后的毛细管冷凝器进行制冷量及综合传热系测定，记录数据，如表4 所示。

表4 冷凝器过冷改制后的冷量测试数据Tab.4 Cooling Test Data After Condenser Over-Cooling

由上表记录数据，将t1、t2、v 带入式（1）、式（2），计算得出经过过冷处理的毛细管冷凝器制冷量Q1=414W。并且冷凝压力p=（p1+p2）/2=12.8bar，所以查表得冷凝温度t0=52℃，因我们只对毛细管冷凝器的流程进行了改变，所以有效换热面积A 不变，将测试数据带入表3，计算此时的对数平均温差ΔTm=9.3，将Q1带入式（3），得过冷处理的毛细管冷凝器综合传热系数K1=273W/（m2·K）。