双流程微通道蒸发器传热性能及流量分配特性分析

刘泽栋 陈 华 * 孙 帅

(1 天津市制冷技术重点实验室 天津 300134)

(2 天津商业大学机械工程学院 天津 300134)

1 引言

微通道蒸发器通道尺寸为10—1 000 μm,它的使用源于20 世纪电子器件的传热以及冷却问题,其主要结构包括集管、扁管、翅片3 个部分,两根集管之间通过扁管相连,扁管之间焊有百叶窗翅片。第一流程的扁管数与第二流程的扁管数之比称之为扁管比。制约微通道蒸发器在制冷空调领域广泛应用的关键问题是微通道换热器的制冷剂流量分配不均。研究者对提高微通道蒸发器换热性能开展了大量理论和实验研究[1-3],提升其换热性能主要有3 个方式:强化空气侧和制冷剂侧换热;增大换热面积;增大空气侧和制冷剂侧的平均温差。由于缺少对第三种方式的研究,所以通过优化扁管的流程布置,可以有效增加空气侧和制冷剂侧的平均温差,从而提升换热性能。而改变对扁管的流程布置核心为改变扁管比。目前,虽然已充分测试了微通道蒸发器在不同翅片参数下换热性能[4-6],但是对扁管比和制冷剂质量流量对换热性能影响的研究较少,本文主要采用实验研究的方法,通过搭建微通道蒸发器换热性能测试实验台,探究不同扁管比和制冷剂流量条件下,扁管流量分配特性、制冷剂压降,微通道蒸发器壁面温度,空气侧出口温度及相对湿度,制冷剂流量分配不均匀度等变化规律,分析在不同扁管比及制冷剂质量流量对微通道蒸发器的换热性能的影响规律。

2 实 验

如图1 所示,微通道蒸发器强化换热性能测试实验台主要由机械隔膜式计量泵、套管换热器、冷水机组、微通道蒸发器、风道、风机、储液桶以及质量流量计等设备组成,制冷剂选择R134a,经由机械隔膜式计量泵提供动力,随后进入套管换热器1 与冷冻水进行换热,降温后的液相制冷剂进入微通道蒸发器并与风道的空气进行换热,随后制冷剂吸热升温后进入套管换热器2 中的冷冻水进行换热,使制冷剂温度降低后进入储液桶,最后经过涡轮流量计测量后进入泵的入口,循环周而复始。其中各测量仪器参数及精度如表1 所示。

表1 测量仪器及精度Table 1 Specification of the measuring instruments

图1 微通道蒸发器传热性能测试实验台原理图Fig.1 Schematic diagram of experimental rig for micro-channel evaporator heat transfer performance test

本实验所采用的翅片式铝制双流程微通道蒸发器共有44 根扁管,其中0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸发器第一流程中的扁管数分别为18、20、21 根,第二流程中的扁管数分别为26、24、23 根,由蒸发器底部至顶部依次从小到大对扁管编号。如图2 所示,扁管比为0.7 时,在第一流程中每间隔4 根扁管布置测温点,选择2、6、10、14、18 号扁管来代表第一流程;在第二流程中每间隔5 根扁管布置测温点,选择22、27、32、37、42 号扁管来代表第二流程,每根扁管每隔10 mm 设置1 个温度测点。制冷剂流量变化范围为30—70 kg/h,在3 种扁管比条件下分别进行5 组实验。

图2 扁管比为0.7 时微通道蒸发器温度测点布置示意图Fig.2 Layout of temperature measuring points of microchannel evaporator under 0.7 flat tube ratio

为了描述制冷剂流量分配平均程度,以红外热像仪拍摄得到的微通道蒸发器的壁面温度分布来近似表征流量分配情况,即采用壁面温度不均匀度S[7]来表示,分别如式(1)、(2)所示。其为无量纲相对标准方差,表达各数据偏离平均值的程度。

式中:S为不均匀度,无量纲;Ti为扁管各点温度,℃;Tavg为扁管各点平均温度,℃。

为了描述微通道蒸发器传热性能,如(3)和(4)所示,使用传热系数k表达,利用软件REFPROP 输入实验测量的温度和相对压力查得制冷剂焓值;利用湿空气焓湿图输入实验测得温度和相对湿度查得空气焓值。

式中:k为微通道蒸发器总的传热系数,W/(m2·K);mr为制冷剂质量流量,kg/s;h0为进口制冷剂焓值,kJ/kg;h1为出口制冷剂焓值,kJ/kg;Aair为蒸发器空气侧面积,m2;Δtm为对数平均温差,℃;

3 数据分析

不同质量流量及扁管比的微通道蒸发器壁面温度变化云图见图3,其中划分为两相区,过热区,过冷区(右下角)3 个区域,在第一流程中,随着与空气对流换热,温度升高,制冷剂从过冷区进入两相区;在第二流程中,蒸发器顶部扁管的气相制冷剂发生干蒸现象,温度上升,制冷剂从两相区进入过热区。

图3 0.7、0.8、0.9 扁管比微通道蒸发器壁面温度随质量流量变化云图Fig.3 Change of wall temperature of micro-channel evaporator with mass flow rate under 0.7、0.8 and 0.9 flat tube ratio

扁管比不变,随着制冷剂流量增大,动能增加,流动距离变远,两相区和过冷区范围增大,过热区范围减小。第一流程中,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸发器过冷区面积的增幅分别为207%、168%、142%;在第二流程中,两相区面积增幅分别约为102%、93%和86%,温度不均匀性得到改善;制冷剂流量为70 kg/h 时,随着扁管比增加,第一流程中,沿程摩擦阻力系数提升,制冷量流速减小,意味着更长的制冷剂过冷段,两相区范围增大,过热区范围减小,过冷区面积的增幅为6%—38%;在第二流程中,过冷区面积范围增大,两相区面积范围减小,两相区面积的增幅为5%—18%,温度不均匀性略有改善。

在0.7 扁管比时,第一流程与第二流程中微通道蒸发器壁面温度随沿入口方向及扁管编号变化云图见图4。在第一流程中,扁管气相越多则表面温度越高,所以越靠近上部的扁管,扁管编号越大,其表面温度越高,入口方向长度的影响大于扁管编号的影响,在扁管编号为25 号以后趋于平缓。随着扁管比的增加,微通道蒸发器制冷剂最大壁面温度降低,由13.6 ℃降为13.3 ℃最后降为13.1 ℃,这说明微通道蒸发器过冷区变大,进入两相区的位置延后,过冷段延后;在第二流程中,微通道蒸发器制冷剂最大壁面温度降低,由18.8 ℃降为18.6 ℃最后降为18.2 ℃,相较第一流程不同的是,入口方向长度的影响小于扁管编号的影响,拐点为蒸发器的顶部的38 号扁管,此处流量较小,扁管出现了“干蒸”现象,制冷剂温度陡升。最后比较第一流程和第二流程,0.9 扁管比的微通道蒸发器第一流程中壁面温度较低,制冷剂过热区长度较短。

图4 0.7 扁管比、质量流量Q=50 kg/h 时壁面温度沿入口方向及扁管编号变化云图Fig.4 Cloud chart of wall temperature along the inlet direction under 0.7 flat tube ratio and 50 kg/h mass flow rate

由图5 可知,当扁管比为0.7 时,随着制冷剂的质量流量由30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h,壁面温度由23.3 ℃降到21.5 ℃,最后降到19.8 ℃,相对湿度由57.9% 增加到63.5%,最后增加到69%,所以当扁管比一定时,随着制冷剂质量流量的提高,微通道蒸发器降温除湿能力增强,导致出口温度降低,相对湿度增高;当制冷剂流量为30 kg/h时,随着扁管比的增加,出口空气温度和湿度差异都约为1%,故而扁管比对微通道蒸发器的降温除湿效果影响不大。

图5 扁管比及制冷剂流量对空气出口温度及相对湿度的影响Fig.5 Influence of flat tube ratio and refrigerant flow rate on air outlet temperature and relative humidity

由图6 可知,扁管比分别为0.7、0.8、0.9 的微通道蒸发器的传热系数随着制冷剂质量流量的增加而线性增加,从30 kg/h 增加到70 kg/h 时,分别平均增幅为282%、281%、271%,这是由于制冷剂的流动速度加快,其与空气侧换热效果更剧烈,流动边界层变得更薄,传热更充分。另外,0.9 扁管比的微通道蒸发器传热系数较0.8、0.7 扁管比的微通道蒸发器传热系数分别平均增幅4%和7%。

图6 不同扁管比例下传热系数随制冷剂质量流量变化图Fig.6 Variation of heat transfer coefficient with refrigerant mass flow under different flat tube ratios

由图7 可知,当扁管比不变时,随着制冷剂流量的增大,制冷剂流速增大,液相制冷剂与气相制冷剂的相互剧烈运动导致微通道蒸发器进出口的压降逐渐增大,制冷剂流量从30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 时,0.7 扁管比的微通道制冷剂进出口压降平均增加0.12 ×105Pa,可以认为进出口压降与制冷剂流量成线性关系;制冷剂流量为30 kg/h时,扁管比从0.7 增大到0.9,微通道蒸发器的进出口压降从0.87 ×105Pa 降到0.85 ×105Pa 最后降到0.81 ×105Pa。

图7 不同扁管比例下进出口压降随制冷剂质量流量变化图Fig.7 Variation of inlet and outlet pressure drop with refrigerant mass flow rate under different flat pipe ratios

由图8 可知,在第一流程中,扁当管比不变时,随着制冷剂质量流量的增加,制冷剂动能增加,受重力作用的约束变小,流动区域变大,流量分配变均匀,与空气侧的换热面积增加,对流换热更充分,不均匀度S减小,制冷剂流量从30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 时,0.7 扁管比的制冷剂第一流程不均匀度平均降低0.09,可以认为制冷剂第一流程不均匀度与制冷剂质量流量成线性关系;制冷剂流量为30 kg/h 时,随着扁管比从0.7 增大到0.9,微通道蒸发器不均匀度S从0.32 降到0.30 最后降到0.28。

图8 不同扁管比例下第一流程不均匀度随制冷剂质量流量变化图Fig.8 Variation of the first pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

由图9 可知,在第二流程中,由于制冷剂进入第一流程中的扁管与空气侧换热,产生的气态制冷剂对进入第二流程制冷剂分配造成影响,致使气液两相流动相互干扰,使得第二流程中的制冷剂分配更加不均匀。当制冷剂流量从30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 时,0.7 扁管比的制冷剂第二流程不均匀度平均降低0.02,可以认为制冷剂第二流程不均匀度与制冷剂质量流量成线性关系;制冷剂流量为30 kg/h 时,扁管比从0.7 增大到0.9,微通道蒸发器不均匀度S从0.44 降到0.42 最后降到0.40。

图9 不同扁管比例下第二流程不均匀度随制冷剂质量流量变化图Fig.9 Variation of the second pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

4 结论

(1)随着微通道蒸发器内制冷剂质量流量及扁管比的增加,壁面的温度分布更加均匀。在第一流程中,过冷区面积变大且位置后移;在第二流程中的两相区面积变大且位置后移。

制冷剂质量流量不变且扁管比在0.7—0.9 时,扁管比每增加0.1,使得微通道蒸发器的传热系数增加3%—7%;扁管比不变且制冷剂流量在30—70 kg/h 时,制冷剂质量流量每增加10 kg/h,使得微通道蒸发器的传热系数增加27%—49%。

(2)扁管比不变时,随着制冷剂的质量流量的增加,微通道蒸发器内制冷剂进出口压降增大,可以认为微通道蒸发器内制冷剂进出口压降与制冷剂质量流量成线性关系;制冷剂的质量流量不变时,随着扁管比的增加,微通道蒸发器内制冷剂进出口压降减小,其中0.9 扁管比的微通道蒸发器内制冷剂进出口压降最小。

(3)随着制冷剂质量流量的增加,制冷剂的不均匀度S 减小,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸发器制冷剂不均匀度S平均降幅约59%,即微通道蒸发器内制冷剂的流量分配越来越趋于平均。在流量为30—50 kg/h 时,扁管比对微通道蒸发器制冷剂流量分配影响最大,而在流量为50—70 kg/h 时,制冷剂质量流量对微通道蒸发器制冷剂流量分配影响最大,在小流量范围内设计微通道蒸发器要充分考虑其结构特性。