董雪鵬

松下冷鏈(大連)有限公司 遼寧大連 116600

隨著近年來銅價(jià)的持續(xù)上漲，如何降低制冷系統(tǒng)中的銅含量漸漸引起了業(yè)界同行的極大興趣。通過積極地尋找與研究，價(jià)格相對(duì)便宜的鋁進(jìn)入了大家的視野。而采用鋁管加工的微通道換熱器相較于傳統(tǒng)翅片管式換熱器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)。使用微通道換熱器的商用冷柜更是可以顯著降低生產(chǎn)成本，并提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。相信隨著加工技術(shù)的發(fā)展，新型鋁材的深入研究，微通道換熱器必將更加廣泛的應(yīng)用于家用與商用產(chǎn)品上。

1 微通道換熱器的發(fā)展與現(xiàn)狀

微通道換熱器的概念最早提出于20 世紀(jì)80 年代初。而首臺(tái)具有實(shí)際意義的微通道換熱器誕生于1985 年。微通道換熱器起初的研究主要是為了解決微電子領(lǐng)域高密度電子器件冷卻問題和微電子機(jī)械系統(tǒng)的傳熱問題。

但隨著技術(shù)的進(jìn)步與生產(chǎn)工藝的提升，微通道換熱器的技術(shù)也向著其他領(lǐng)域拓展。我國(guó)最早采用微通道換熱器技術(shù)的是汽車空調(diào)行業(yè)，主要目的是為了解決替換傳統(tǒng)氟利昂制冷劑的制冷劑在使用過程中，高工作壓力面臨的問題。

當(dāng)前，微通道換熱器產(chǎn)品的形狀可根據(jù)需求而變化。從形狀上劃分，大體可分為I 形、L 形、U 形、V 形、C 形和G 形等多種。根據(jù)行數(shù)劃分，則可分為單行、雙行和多行。而依據(jù)彎曲方法劃分，則有芯彎曲、扁管彎曲等。

1.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法

微通道換熱器的標(biāo)稱運(yùn)行條件應(yīng)基于家用和商用制冷系統(tǒng)的應(yīng)用條件，同時(shí)還應(yīng)參考行標(biāo)QB/T4681-2014《房間空氣調(diào)節(jié)器用微通道熱交換器》與JB/T 11967-2014《冷凍空調(diào)設(shè)備冷凝器用微通道熱交換器》。

測(cè)試時(shí)應(yīng)選取相同測(cè)試條件，可根據(jù)“制冷單元”中給出的空氣焓差與制冷劑流量，分別計(jì)算微通道換熱器的熱交換能力，并根據(jù)標(biāo)稱運(yùn)行條件記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)。在測(cè)定相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)還應(yīng)記錄微通道換熱器兩端壓力，其測(cè)定點(diǎn)應(yīng)分別距離出入口5-10 倍管徑處[2]。

1.2 微通道換熱器安全性測(cè)試及要求

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及熱交換器的相關(guān)安全要求，可采用以下方法進(jìn)行測(cè)試：先將微通道換熱器放入氦氣測(cè)試箱中，放電后再充入氦氣，使用氦氣檢漏儀測(cè)定氦氣泄漏量。氦氣檢漏儀在使用時(shí)必須符合氦氣泄漏的非破壞性探測(cè)方法要求。在設(shè)計(jì)壓力下微通道換熱器的制冷劑泄漏量不應(yīng)超過2g/a。

微通道換熱器應(yīng)進(jìn)行壓力測(cè)試，包括液壓測(cè)試與氣動(dòng)測(cè)試。經(jīng)過抗壓強(qiáng)度測(cè)試后，應(yīng)無泄漏及明顯變形。

微通道換熱器還需滿足耐壓性測(cè)試和疲勞性能測(cè)試的要求，且最終的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)壓力應(yīng)至少為設(shè)計(jì)壓力的五倍。經(jīng)耐壓性測(cè)試和疲勞性能測(cè)試后，微通道換熱器應(yīng)無泄漏、裂紋、爆裂等現(xiàn)象。

1.3 微通道換熱器耐腐蝕性測(cè)試及要求

微通道換熱器的耐腐蝕性一直是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)。微通道換熱器的集熱管、扁管和散熱片均由具有相似材料特性的鋁合金制成，這大大提高了電化學(xué)腐蝕的速度。因此微通道換熱器的扁管表面通常需要防銹處理。這樣雖然可以有效的保護(hù)金屬，但防銹層的存在也會(huì)影響換熱器的傳熱系數(shù)。設(shè)計(jì)過程中如何平衡兩者，也是設(shè)計(jì)人員需要著重考慮的。

微通道換熱器的耐腐蝕性測(cè)試方法和要求可參考如下方法。首先要配置鹽溶液，需使用電導(dǎo)率非常低的蒸餾水或去離子水配制5% 含量的NaCl 鹽溶液，并攪拌均勻保證鹽溶液中無固體懸浮顆粒。測(cè)試時(shí)采用冷鹽霧測(cè)試法，測(cè)試溫度為鹽霧箱內(nèi)溫度35℃，飽和柱溫度47℃。噴霧時(shí)所用空氣必須通過過濾器凈化并進(jìn)行除油處理。實(shí)驗(yàn)壓力應(yīng)在0．7-1．7MPa 范圍內(nèi)。噴霧方法應(yīng)采用間歇性定期噴霧：先噴霧30 分鐘，然后在98%濕度條件下噴涂鹽水蒸汽90 分鐘，如此反復(fù)。除非另有說明，否則樣品必須垂直支撐或懸掛在6°至45°之間，且鹽霧箱中樣品的主表面應(yīng)平行于鹽噴霧的主要噴射方向[3]。測(cè)試需連續(xù)進(jìn)行360 小時(shí)。測(cè)試完成后，需進(jìn)行2．1MPa 的耐壓試驗(yàn)1 分鐘，微通道換熱器應(yīng)無變形、泄漏、裂紋等不良現(xiàn)象。鹽霧測(cè)試裝置如圖1 所示。

圖1 鹽霧試驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖

2 微通道換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

微通道換熱器在設(shè)計(jì)時(shí)，需先確認(rèn)管內(nèi)外傳熱介質(zhì)的流量及進(jìn)出口溫度，然后通過計(jì)算獲得換熱器的傳熱面積與結(jié)構(gòu)尺寸。換熱器傳熱計(jì)算公式為Qk=KcA?tm。當(dāng)求得換熱器熱負(fù)荷Qk、平均傳熱溫差?tm和傳熱系數(shù)Kc后，及可根據(jù)公式算得所需傳熱面積A。

2.1 傳熱系數(shù)Kc

微通道換熱器根據(jù)制冷劑的流向可分為：過熱氣相區(qū)、氣液兩相區(qū)和過冷液相區(qū)，不同相區(qū)的傳熱系數(shù)Kc應(yīng)根據(jù)不同換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。但由于管外空氣側(cè)換熱熱阻遠(yuǎn)比管內(nèi)制冷劑側(cè)換熱熱阻大，是微通道換熱器的主要熱阻。故在工程應(yīng)用中，可對(duì)微通道換熱器的傳熱系數(shù)Kc直接進(jìn)行估算，一般取微通道換熱器的傳熱系數(shù)Kc為其管外空氣側(cè)換熱系數(shù)ha的0．75 倍，即Kc=0．75ha。

管外空氣側(cè)換熱系數(shù)ha可由公式ha=jRePr1/3λP-1求得，式中：j 為根據(jù)Kimand Bullard關(guān)聯(lián)式計(jì)算得的因子，Re為雷諾數(shù)，Pr 為普朗特?cái)?shù)，λ為空氣熱導(dǎo)率，P 為間距。

由此可得微通道換熱器的傳熱系數(shù)Kc=0．74ha=0．75jRePr1/3λP-1。

2.2 傳熱面積及結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)柜內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和使用環(huán)境，確定蒸發(fā)溫度t0和冷凝溫度tk，選定制冷劑R134a，計(jì)算得到單位質(zhì)量制冷量q0。根據(jù)商用冷柜在單位時(shí)間內(nèi)保溫層的冷損失和柜內(nèi)負(fù)載的降溫要求，可計(jì)算得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)制冷量Q0。從而得到制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量：G。G=Q0/q0。

依據(jù)質(zhì)量流量G 與制冷量Q0選擇合適的壓縮機(jī)，選定壓縮機(jī)后，可根據(jù)制冷量和壓縮機(jī)COP 值，求得換熱器熱負(fù)荷Qk和平均傳熱溫差?tm：Qk=Q0/COP+Q0，式中：t1為換熱器進(jìn)風(fēng)口溫度；t2為換熱器出風(fēng)口溫度。

依據(jù)公式Kc=0．75jRePr1/3λP-1求得Kc，在求得換熱器熱負(fù)荷Qk、平均傳熱溫差?tm和傳熱系數(shù)Kc后，根據(jù)公式Qk=KcA?tm可以得到所需傳熱面積A0。

參考冷柜的實(shí)際布局，規(guī)劃微通道換熱器的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)尺寸，確定實(shí)際傳熱面積A1。校核計(jì)算傳熱面積A0與實(shí)際傳熱面積A1，最終確定傳熱面積A 及微通道換熱器的結(jié)構(gòu)尺寸。

3 微通道換熱器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

采用微通道換熱器的商用冷柜將更加具有成本優(yōu)勢(shì)，從材料成本角度出發(fā)，采用全鋁材質(zhì)的換熱器，遠(yuǎn)比采用銅管鋁翅片的換熱器便宜的多。同時(shí)，相同工況條件下，同等性能的全鋁材質(zhì)換熱器，整體體積也會(huì)相應(yīng)減小，重量也會(huì)相應(yīng)減輕，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需冷媒量也可相應(yīng)減少。

微通道換熱器良好的性能能夠很好的滿足商用冷柜的各項(xiàng)性能要求，采用微通道換熱器的樣機(jī)在滿負(fù)荷的狀態(tài)下拉溫度時(shí)間會(huì)相應(yīng)縮短，可以更好的滿足客戶需求，同時(shí)減少運(yùn)行時(shí)間也會(huì)有效降低產(chǎn)品的能耗，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

相比于傳統(tǒng)換熱器，微通道換熱器具有換熱效率高、重量輕、體積小、制冷劑需求量少等優(yōu)勢(shì)。選用微通道換熱器的商用冷柜，可有效提升制冷系統(tǒng)的整體性能。無論從材料成本、運(yùn)行費(fèi)用還是運(yùn)行性能來講，應(yīng)用微通道換熱器的商用冷柜都更具有競(jìng)爭(zhēng)力，更能滿足用戶要求，是一種應(yīng)用前景較廣闊的新型換熱器。

4 結(jié)語

在商用冷柜的風(fēng)冷系統(tǒng)中使用微通道換熱器時(shí)，安全要求可延續(xù)冷卻系統(tǒng)換熱器的現(xiàn)有測(cè)試方法和要求。同時(shí)由于微通道換熱器的特殊性，要嚴(yán)格確認(rèn)其耐腐蝕性。由于我國(guó)高效、節(jié)能、環(huán)保等政策的進(jìn)一步出臺(tái)。相信微通道換熱器必將成為制冷行業(yè)的主流趨勢(shì)。同時(shí)隨著人們對(duì)微通道換熱器興趣的增加，相關(guān)行業(yè)的發(fā)展必將迎來新的高度。