王 潔，蔣 慶，湯建斌

（中國計量學院 計量測試工程學院，杭州 310018）

0 引言

微通道換熱器相對于常規(guī)換熱器具有換熱性能突出，結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點。如今微通道換熱器作為新型高效換熱器，已廣泛應用于汽車空調(diào)換熱器，并且正在家用空調(diào)中推廣使用[1]。

微通道換熱器的工藝缺陷有外部缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。外部缺陷主要為外漏，目前已有氣檢、氦檢等較成熟的檢測工藝可篩選出。內(nèi)部缺陷主要有內(nèi)漏和內(nèi)堵兩種，內(nèi)漏會導致泄露的制冷劑未通過扁管和翅片換熱，使這部分制冷劑未充分發(fā)揮換熱效能，從而導致?lián)Q熱效果變低；內(nèi)堵會導致流通管道數(shù)量變少，換熱效果下降[4]。檢測內(nèi)部缺陷最直觀的辦法是直接解剖，但解剖會導致產(chǎn)品報廢，所以只能抽樣，不能100%進行[4]。

微通道換熱器主要由集流管和扁管構(gòu)成，集流管內(nèi)有隔板，將扁管分成不同流程，如圖1(a)所示，圖1(b)為扁管。本文所采用的MD020微通道換熱器共有4個流程，第一至第四流程分別對應有16，12，8，5根扁管，每根扁管包含16個微通道。本文提出一種檢測微通道換熱器內(nèi)堵的方法，針對MD020微通道換熱器，進行Fluent仿真和實驗研究。

圖1 微通道換熱器

1 模型建立

1.1 微通道幾何模型及網(wǎng)格

假設(shè)通入的空氣在扁管各通道內(nèi)均勻分布，具有相同的壓力分布，則有：

其中qi為某個微通道中空氣的流量；Q為總流量；n為流程內(nèi)的微通道數(shù)。

由式(1)可知，當流通的微通道數(shù)量變化時，單個微通道內(nèi)的流量會跟著產(chǎn)生變化，則產(chǎn)生的壓降發(fā)生變化。微通道換熱器內(nèi)部的微通道是并聯(lián)的，由于并聯(lián)管路各分支管段流過單位質(zhì)量的流體時，阻力損失相等，且與并聯(lián)管路總阻力損失相等[5]，即一個微通道由于流量變化而產(chǎn)生的壓差變化與整個微通道換熱器產(chǎn)生的壓差變化是相等的，因此可以取一個微通道為研究對象。本文的研究對象為長寬0.9mm，長460mm的矩形微通道，如圖2所示為用Gambit軟件建立的所研究的一個微通道的幾何模型。

圖2 微通道幾何模型圖

空氣以速度V向Z軸正方向進入微通道內(nèi)。由于模型為規(guī)則長方體，因此采用四邊形網(wǎng)格劃分面網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分體網(wǎng)格。逐漸縮小網(wǎng)格尺寸，當網(wǎng)格數(shù)量變化引起的壓力變化基本穩(wěn)定時，可認為劃分的網(wǎng)格的網(wǎng)格無關(guān)性可以滿足計算要求。圖3為網(wǎng)格劃分的局部圖。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

由雷諾數(shù)計算公式：

其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長度。

可發(fā)現(xiàn)，空氣在微通道內(nèi)的雷諾數(shù)Re＞＞4000，因此在采用CFD軟件Fluent仿真的過程中，選擇了kε-湍流模型。其控制方程如下：

其中，Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動能；YM是由于在可壓縮湍流中，過渡的擴散產(chǎn)生的波動；C2，C1ε是常數(shù)；σk和σε是k方程和e方程的湍流普朗特數(shù)；Sk和SSε是用戶定義的。

2 仿真數(shù)據(jù)分析

不同的流程有不同的扁管數(shù)，因此內(nèi)堵發(fā)生的位置不同，產(chǎn)生的壓降變化也不同。表1所示為內(nèi)堵一個微通道至內(nèi)堵四個微通道的產(chǎn)品相對于無內(nèi)堵的產(chǎn)品所產(chǎn)生的壓降增大的變化。為了研究內(nèi)堵所在位置不同所帶來的不同的壓降變化，其中第一個內(nèi)堵微通道在第一流程，第二個內(nèi)堵在第二流程，以此類推，至第四個內(nèi)堵在第四流程。

表1 仿真數(shù)據(jù)

表中標注“/”的表示當前情況下壓降變化較小，可以忽略。

由表1可明顯看出，當通入的氣體流量達到474L/min以上時，有內(nèi)堵的仿真數(shù)據(jù)相較于無內(nèi)堵的仿真數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯；當發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多，則壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達到3個及以上時，可明顯檢測出產(chǎn)品有缺陷；當發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越大。

3 實驗驗證及數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗裝置的設(shè)計

為了驗證Fluent軟件仿真的可靠性，筆者設(shè)計了實驗平臺，進行了實驗驗證。實驗裝置如圖3所示。

由圖4可看出，實驗裝置中主要包括氣源、緩沖罐、過濾器、減壓閥、流量計及差壓計等部分。其中，過濾器用于過濾空氣中的雜質(zhì)；減壓閥選用的量程為1MPa，用于調(diào)節(jié)空氣流量；緩沖罐是用于緩沖氣流波動，降低氣流波動對實驗的影響，提高實驗的精度；流量計選用的量程為1000L/min，精度為0.1%，用于檢測空氣流量的大??；差壓計選用的量程為1MPa，精度為0.075%，用于測量微通道換熱器進出口壓降的大小。

圖4 實驗裝置圖

3.2 實驗系統(tǒng)

該實驗系統(tǒng)主要由控制模塊、信息采集模塊和顯示模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 實驗系統(tǒng)

在圖5的系統(tǒng)單元中，控制模塊是由一臺歐姆龍CP1H系列的PLC組成，它是一種高性能高效穩(wěn)定的控制器。信息采集模塊由流量計和壓差傳感器組成，用于采集實驗過程中通入的流量大小和微通道換熱器進出口的壓降大小。顯示模塊由人機交換觸摸屏組成，用于顯示采集到的數(shù)據(jù)。

實驗過程中，向管路中通入壓縮空氣，為了確保氣源充足，調(diào)節(jié)流量從700L/min開始以25L/min遞減至200L/min，由信息采集模塊采集到不同流量時，被測微通道換熱器的進出口的壓降，并由顯示模塊顯示出來。

將被測微通道換熱器第一流程的扁管中的一個微通道堵實，模擬內(nèi)堵情況，再以上述的實驗方法重新進行實驗記錄。再分別將第二至第四流程的扁管中的一個微通道堵實，重復上述步驟進行實驗記錄。為了驗證相同情況下實驗數(shù)據(jù)的一致性，因此無內(nèi)堵至內(nèi)堵四個微通道，共五種產(chǎn)品狀態(tài)，每種狀態(tài)各測量5組數(shù)據(jù)。

3.3 實驗數(shù)據(jù)分析

本文對實驗測量的數(shù)據(jù)進行了相同狀態(tài)時的一致性對比，如圖6所示，以及不同情況下的壓差對比，如圖7所示。

圖6 實驗數(shù)據(jù)一致性對比

圖7 不同實驗情況壓差對比

圖6(b)為實驗數(shù)據(jù)一致性的局部圖。從圖6中可看出，當內(nèi)堵情況相同、流量大小相同的狀態(tài)下，實驗結(jié)果的一致性較好，說明不會對不同狀態(tài)的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖7(b)為不同實驗情況壓差對比的局部圖，即無內(nèi)堵情況和在第一至第四流程分別內(nèi)堵一個微通道時的壓差對比。從圖7中可明顯看出，當通入的氣體流量達到475L/min以上時，有內(nèi)堵的實驗數(shù)據(jù)相較于無內(nèi)堵的實驗數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯；當發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多，則壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達到3個及以上時，可明顯檢測出產(chǎn)品有缺陷；當發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越明顯。實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本文采用CFD軟件Fluent仿真模擬和實驗驗證的方法，對型號為MD020的微通道換熱器進行研究。根據(jù)對仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行分析后所得結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）當微通道換熱器內(nèi)堵狀況及通入的空氣流量大小相同的情況下，多次測量的結(jié)果顯示產(chǎn)品進出口的壓差波動幅度很小，重復測量的一致性較好。

2）當通入的氣體流量達到475L/min及以上時，有內(nèi)堵情況的仿真及實驗數(shù)據(jù)相較于無內(nèi)堵情況下的仿真及實驗數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯。

3）當內(nèi)堵的微通道數(shù)量較少時，較難檢測出壓差變化，當發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多時，壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達到3個及以上時，可明顯檢測出產(chǎn)品有缺陷，且當發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越明顯。

4）實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的變化趨勢一致，吻合程度較好，說明本文提出的微通道換熱器的性能測試方法具有可行性。

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