賈鵬 李培方 魏晨晨 邱旭 劉建鵬

北京建筑材料檢驗(yàn)研究院有限公司

隨著社會發(fā)展，人們對于居住環(huán)境品質(zhì)要求日益提高，空調(diào)在改善房間熱舒適性方面扮演著重要角色。然而建筑中空調(diào)的大量使用，給我國的經(jīng)濟(jì)環(huán)保工作帶來了巨大壓力，主要表現(xiàn)在制冷劑如氟利昂等對環(huán)境的影響，銅資源的大量使用，以及電力消耗等。因此，傳統(tǒng)空調(diào)還需進(jìn)一步優(yōu)化升級。微通道換熱器的出現(xiàn)，為空調(diào)革新工作提供了新思路，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在[1-2]：較傳統(tǒng)翅片管式換熱器，微通道換熱器采用全鋁結(jié)構(gòu)、換熱性能好、體積小、可以實(shí)現(xiàn)環(huán)保型制冷劑R290 安全使用，不僅環(huán)保，而且經(jīng)濟(jì)。

目前，微通道換熱技術(shù)在電子領(lǐng)域及車用空調(diào)中應(yīng)用較為廣泛，而在家用空調(diào)中的應(yīng)用還未開始，主要原因在于微通道換熱器結(jié)構(gòu)緊湊導(dǎo)致其作為蒸發(fā)器使用時(shí)冷凝水/化霜水排泄困難，同時(shí)換熱器內(nèi)制冷劑分配不均導(dǎo)致有效換熱面積減小、換熱性能差等，而無法發(fā)揮其優(yōu)勢。王清偉、葛方根等[3-4]對微通道換熱器作為空調(diào)冷凝器展開了研究，定量分析了新機(jī)組的制冷劑充注量及其系統(tǒng)性能。Bowers et al[5]、Byun etal[6]、Zou et al[7-8]等分別研究了制冷劑性質(zhì)、換熱器的工質(zhì)進(jìn)出口位置、制冷劑流量等對單流程微通道換熱器內(nèi)制冷劑分配均勻性的影響。與單流程微通道換熱器相比，多流程微通道換熱器過熱區(qū)擴(kuò)大，且流程設(shè)計(jì)更符合氣液兩相工質(zhì)相態(tài)變化規(guī)律。因此，本文選用兩種結(jié)構(gòu)不同的三流程微通道換熱器作為空調(diào)蒸發(fā)器，研究其制冷運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)性能與特性，以期為開發(fā)出高性能空調(diào)產(chǎn)品提供技術(shù)儲備和理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

圖1、2 所示為本文采用的兩種微通道換熱器實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖。為了便于表述，兩種微通道換熱器對應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)分別簡稱為機(jī)組A 和機(jī)組B?？煽闯觯簷C(jī)組A 的微通道換熱器扁管水平，兩側(cè)集流管內(nèi)分別設(shè)有隔板，將制冷劑在換熱器中的流動分為三個(gè)流程，定義進(jìn)口部分為第1 流程，出口部分為第3 流程，中間部分為第2 流程。即制冷劑依次流經(jīng)第1 流程、第2 流程、第3 流程進(jìn)行換熱。第1 流程至第3 流程扁管數(shù)量依次為9 根、13 根、20 根。從局部放大圖可看出，各扁管之間有“V”字型鋁片，鋁片上有百葉沖縫。機(jī)組B 的微通道換熱器扁管豎直，為了增強(qiáng)機(jī)組A 與機(jī)組B 的可對比性，使得機(jī)組B 的流程設(shè)置、各流程扁管數(shù)量，局部結(jié)構(gòu)及換熱器面積與機(jī)組A 保持一致。

圖1 機(jī)組A 微通道換熱器

圖2 機(jī)組B 微通道換熱器

本文所有實(shí)驗(yàn)在綜合焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)原理如圖3 所示，可看出：微通道換熱器作為蒸發(fā)器放在焓差環(huán)境室中，冷凝器采用的是板式換熱器，與恒溫水箱接通。

圖3 微通道蒸發(fā)器空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理及測點(diǎn)布置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

為了研究微通道換熱器作為空調(diào)蒸發(fā)器制冷運(yùn)行的適用性，依據(jù)《房間空氣調(diào)節(jié)器》[9]（GB/T 7725-2004），設(shè)定環(huán)境室內(nèi)空氣干球溫度27 ℃、濕球溫度19 ℃，板式換熱器回水溫度30 ℃，水泵的流量為340 L/H。每組實(shí)驗(yàn)運(yùn)行90 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本文使用高清相機(jī)和熱紅外成像儀分別對實(shí)驗(yàn)過程中蒸發(fā)器表面冷凝水排泄情況以及溫度場分布情況進(jìn)行拍攝記錄。此外，采用T 型熱電偶測量壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度T1、T2，采用TRAFAG 數(shù)字壓力變送器測量壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力P1、P2，使用鉑熱電阻和電磁流量計(jì)分別測量板式換熱器進(jìn)出口水溫（Tin、Tout）及水流量（V），具體測點(diǎn)布置見圖3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微通道蒸發(fā)器表面冷凝水排泄特性

圖4 所示為實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)組A 和B 微通道蒸發(fā)器表面同一部位（第1 流程）冷凝水排泄情況?？煽闯?，機(jī)組B 的冷凝水排泄效果明顯好于機(jī)組A，換熱器表面沒有明顯的冷凝水聚積，而機(jī)組A 的蒸發(fā)器表面滯留了大量凝結(jié)水，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行逐漸堵塞翅片根部。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)收集到機(jī)組A 和B 的冷凝水分別為228.6 g 和459.8 g。分析可知：微通道換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，產(chǎn)生的冷凝水沿“V”型翅片表面流向結(jié)構(gòu)更加緊湊的根部，表面張力增大，并且扁管水平，從而使得冷凝水難以在重力作用下排泄。相比，機(jī)組B 的微通道蒸發(fā)器扁管豎直，避免了扁管阻水問題，并且冷凝水可通過翅片上的百葉沖縫進(jìn)行排泄?？煽闯觯夤茇Q直的微通道換熱器更利于冷凝水排泄。

圖4 機(jī)組A 和B 微通道蒸發(fā)器表面冷凝水排泄情況

2.2 微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑分配特性

圖5 為實(shí)驗(yàn)過程中不同時(shí)刻微通道蒸發(fā)器表面溫度場分布情況?？煽闯?，機(jī)組A 微通道蒸發(fā)器的每個(gè)流程下側(cè)扁管表面溫度低，上側(cè)扁管表面溫度高，且隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，第3 流程的低溫度區(qū)域逐步擴(kuò)大。分析其原因?yàn)椋簹庖簝上嘀评鋭募鞴芰魅氡夤軙r(shí)，受重力影響，液相制冷劑密度大從下側(cè)扁管流過發(fā)生相變換熱，導(dǎo)致扁管溫度較低，而氣相制冷劑密度小，從各流程的上側(cè)扁管流過，溫差換熱有限，因此溫度較高。機(jī)組A 凝結(jié)水難以排泄，不僅阻礙空氣流動，而且增大了傳熱熱阻，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器過熱區(qū)縮小。相比，機(jī)組B 的微通道蒸發(fā)器各個(gè)流程的溫度分布比較均勻，扁管豎直避免了重力對制冷劑分配的影響，但同時(shí)也會發(fā)現(xiàn)，中間第2 流程扁管的表面溫度較第1 流程和第3 流程高，表明該流程換熱性能較差，制冷劑在第2 流程中的流動為從上至下，而吸熱氣化產(chǎn)生的氣態(tài)制冷劑產(chǎn)生向上浮力，增大了制冷劑的流動阻力，從而引起換熱性能下降。

圖5 機(jī)組A 和B 微通道換熱器表面溫度分布情況

2.3 機(jī)組制冷運(yùn)行系統(tǒng)特性

圖6 為實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)組A 和B 的壓縮機(jī)吸排氣壓力隨時(shí)間變化情況?？煽闯觯簷C(jī)組B 的吸排氣壓力比較穩(wěn)定，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分別維持在0.69 MPa 和1.48 MPa 左右，但呈現(xiàn)出周期性的波動。相比，機(jī)組A壓縮機(jī)吸排氣壓力在實(shí)驗(yàn)初期比較穩(wěn)定，但隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，均逐漸減小，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)分別減小至0.56 MPa 和1.40 MPa。分析可知：機(jī)組A 冷凝水難以排泄，導(dǎo)致?lián)Q熱性能不斷惡化，從而使得系統(tǒng)制冷劑流量減小，壓縮機(jī)吸排氣壓力下降。機(jī)組B 冷凝水排泄順暢，其壓縮機(jī)吸排氣壓力比較穩(wěn)定，但中間流程存在氣液逆向問題，導(dǎo)致蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流動不穩(wěn)定，從而引起壓縮機(jī)吸排氣壓力周期性波動。

圖6 機(jī)組A 和B 壓縮機(jī)吸排氣壓力隨時(shí)間變化

圖7 為實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)組A 和B 壓縮機(jī)功率隨時(shí)間變化情況?？煽闯?，機(jī)組啟動后，由于系統(tǒng)制冷劑快速向高壓區(qū)聚積，冷凝壓力急劇增大，機(jī)組A 和B 的壓縮機(jī)功率均大幅度上升。而后，正如前文所述，機(jī)組A 冷凝水聚積，換熱惡化，吸排氣壓力均不斷下降，因此壓縮機(jī)功率不斷減小。而機(jī)組B 排水順暢，換熱穩(wěn)定，壓縮機(jī)功率也比較穩(wěn)定。由于機(jī)組B 壓縮機(jī)吸氣壓力周期性波動，引起壓縮機(jī)功率出現(xiàn)周期波動。

圖7 機(jī)組A 和B 壓縮機(jī)功率隨時(shí)間變化

圖8 和圖9 分別為機(jī)組A 和B 的制冷量及COP隨時(shí)間的變化情況?？煽闯?，機(jī)組B 的制冷量和COP比較穩(wěn)定，分別維持在2200 W 和3.30 左右，而機(jī)組A的制冷量和COP 均隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行不斷減小，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，制冷量由2007 W 減小至1702 W，減小了305 W，COP 由3.03 減小至2.58，減小了0.45。分析可知：機(jī)組A 冷凝水難以排泄，換熱性能不斷惡化，導(dǎo)致機(jī)組制冷量及性能系數(shù)均不斷減小，而機(jī)組B 泄水順暢，換熱器表面沒有凝結(jié)水滯留，換熱比較穩(wěn)定，所以其制冷量及性能系數(shù)相比機(jī)組A 穩(wěn)定。

圖8 機(jī)組A 和B 制冷量隨時(shí)間變化

圖9 機(jī)組A 和B 性能系數(shù)隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

本文對兩種結(jié)構(gòu)不同的微通道換熱器空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了制冷運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)論如下：

1）微通道換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，采用扁管水平結(jié)構(gòu)不易于排泄凝結(jié)水，而扁管豎直結(jié)構(gòu)的微通道換熱器可避免緊湊的翅片結(jié)構(gòu)對冷凝水的滯留作用。90 min 制冷實(shí)驗(yàn)表明，扁管豎直的微通道換熱器排泄冷凝水459.8 g，約為扁管水平結(jié)構(gòu)的微通道換熱器冷凝水排泄量的2 倍。

2）受重力影響，扁管水平結(jié)構(gòu)的微通道換熱器內(nèi)制冷劑分布極不均勻（液相制冷劑從下側(cè)扁管流經(jīng)，而氣相制冷劑從上側(cè)扁管流經(jīng)），有效換熱面積大大減小。采用扁管豎直結(jié)構(gòu)的微通道換熱器，可避免重力對制冷劑分布的影響，但中間流程存在氣液逆向問題，導(dǎo)致該流程換熱性能較差。

3）采用扁管豎直結(jié)構(gòu)的微通道換熱器作為空調(diào)蒸發(fā)器，機(jī)組性能更優(yōu)，COP 維持在3.30 左右。而采用扁管水平結(jié)構(gòu)的微通道換熱器的機(jī)組，其性能受聚積在翅片空間的冷凝水影響較大，90 min 制冷運(yùn)行，COP衰減15%。