劉澤棟 陳 華 * 孫 帥

(1 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134)

(2 天津商業(yè)大學機械工程學院 天津 300134)

1 引言

微通道蒸發(fā)器通道尺寸為10—1 000 μm,它的使用源于20 世紀電子器件的傳熱以及冷卻問題,其主要結構包括集管、扁管、翅片3 個部分,兩根集管之間通過扁管相連,扁管之間焊有百葉窗翅片。第一流程的扁管數與第二流程的扁管數之比稱之為扁管比。制約微通道蒸發(fā)器在制冷空調領域廣泛應用的關鍵問題是微通道換熱器的制冷劑流量分配不均。研究者對提高微通道蒸發(fā)器換熱性能開展了大量理論和實驗研究[1-3],提升其換熱性能主要有3 個方式:強化空氣側和制冷劑側換熱;增大換熱面積;增大空氣側和制冷劑側的平均溫差。由于缺少對第三種方式的研究,所以通過優(yōu)化扁管的流程布置,可以有效增加空氣側和制冷劑側的平均溫差,從而提升換熱性能。而改變對扁管的流程布置核心為改變扁管比。目前,雖然已充分測試了微通道蒸發(fā)器在不同翅片參數下?lián)Q熱性能[4-6],但是對扁管比和制冷劑質量流量對換熱性能影響的研究較少,本文主要采用實驗研究的方法,通過搭建微通道蒸發(fā)器換熱性能測試實驗臺,探究不同扁管比和制冷劑流量條件下,扁管流量分配特性、制冷劑壓降,微通道蒸發(fā)器壁面溫度,空氣側出口溫度及相對濕度,制冷劑流量分配不均勻度等變化規(guī)律,分析在不同扁管比及制冷劑質量流量對微通道蒸發(fā)器的換熱性能的影響規(guī)律。

2 實 驗

如圖1 所示,微通道蒸發(fā)器強化換熱性能測試實驗臺主要由機械隔膜式計量泵、套管換熱器、冷水機組、微通道蒸發(fā)器、風道、風機、儲液桶以及質量流量計等設備組成,制冷劑選擇R134a,經由機械隔膜式計量泵提供動力,隨后進入套管換熱器1 與冷凍水進行換熱,降溫后的液相制冷劑進入微通道蒸發(fā)器并與風道的空氣進行換熱,隨后制冷劑吸熱升溫后進入套管換熱器2 中的冷凍水進行換熱,使制冷劑溫度降低后進入儲液桶,最后經過渦輪流量計測量后進入泵的入口,循環(huán)周而復始。其中各測量儀器參數及精度如表1 所示。

表1 測量儀器及精度Table 1 Specification of the measuring instruments

圖1 微通道蒸發(fā)器傳熱性能測試實驗臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental rig for micro-channel evaporator heat transfer performance test

本實驗所采用的翅片式鋁制雙流程微通道蒸發(fā)器共有44 根扁管,其中0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器第一流程中的扁管數分別為18、20、21 根,第二流程中的扁管數分別為26、24、23 根,由蒸發(fā)器底部至頂部依次從小到大對扁管編號。如圖2 所示,扁管比為0.7 時,在第一流程中每間隔4 根扁管布置測溫點,選擇2、6、10、14、18 號扁管來代表第一流程;在第二流程中每間隔5 根扁管布置測溫點,選擇22、27、32、37、42 號扁管來代表第二流程,每根扁管每隔10 mm 設置1 個溫度測點。制冷劑流量變化范圍為30—70 kg/h,在3 種扁管比條件下分別進行5 組實驗。

圖2 扁管比為0.7 時微通道蒸發(fā)器溫度測點布置示意圖Fig.2 Layout of temperature measuring points of microchannel evaporator under 0.7 flat tube ratio

為了描述制冷劑流量分配平均程度,以紅外熱像儀拍攝得到的微通道蒸發(fā)器的壁面溫度分布來近似表征流量分配情況,即采用壁面溫度不均勻度S[7]來表示,分別如式(1)、(2)所示。其為無量綱相對標準方差,表達各數據偏離平均值的程度。

式中:S為不均勻度,無量綱;Ti為扁管各點溫度,℃;Tavg為扁管各點平均溫度,℃。

為了描述微通道蒸發(fā)器傳熱性能,如(3)和(4)所示,使用傳熱系數k表達,利用軟件REFPROP 輸入實驗測量的溫度和相對壓力查得制冷劑焓值;利用濕空氣焓濕圖輸入實驗測得溫度和相對濕度查得空氣焓值。

式中:k為微通道蒸發(fā)器總的傳熱系數,W/(m2·K);mr為制冷劑質量流量,kg/s;h0為進口制冷劑焓值,kJ/kg;h1為出口制冷劑焓值,kJ/kg;Aair為蒸發(fā)器空氣側面積,m2;Δtm為對數平均溫差,℃;

3 數據分析

不同質量流量及扁管比的微通道蒸發(fā)器壁面溫度變化云圖見圖3,其中劃分為兩相區(qū),過熱區(qū),過冷區(qū)(右下角)3 個區(qū)域,在第一流程中,隨著與空氣對流換熱,溫度升高,制冷劑從過冷區(qū)進入兩相區(qū);在第二流程中,蒸發(fā)器頂部扁管的氣相制冷劑發(fā)生干蒸現(xiàn)象,溫度上升,制冷劑從兩相區(qū)進入過熱區(qū)。

圖3 0.7、0.8、0.9 扁管比微通道蒸發(fā)器壁面溫度隨質量流量變化云圖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

扁管比不變,隨著制冷劑流量增大,動能增加,流動距離變遠,兩相區(qū)和過冷區(qū)范圍增大,過熱區(qū)范圍減小。第一流程中,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器過冷區(qū)面積的增幅分別為207%、168%、142%;在第二流程中,兩相區(qū)面積增幅分別約為102%、93%和86%,溫度不均勻性得到改善;制冷劑流量為70 kg/h 時,隨著扁管比增加,第一流程中,沿程摩擦阻力系數提升,制冷量流速減小,意味著更長的制冷劑過冷段,兩相區(qū)范圍增大,過熱區(qū)范圍減小,過冷區(qū)面積的增幅為6%—38%;在第二流程中,過冷區(qū)面積范圍增大,兩相區(qū)面積范圍減小,兩相區(qū)面積的增幅為5%—18%,溫度不均勻性略有改善。

在0.7 扁管比時,第一流程與第二流程中微通道蒸發(fā)器壁面溫度隨沿入口方向及扁管編號變化云圖見圖4。在第一流程中,扁管氣相越多則表面溫度越高,所以越靠近上部的扁管,扁管編號越大,其表面溫度越高,入口方向長度的影響大于扁管編號的影響,在扁管編號為25 號以后趨于平緩。隨著扁管比的增加,微通道蒸發(fā)器制冷劑最大壁面溫度降低,由13.6 ℃降為13.3 ℃最后降為13.1 ℃,這說明微通道蒸發(fā)器過冷區(qū)變大,進入兩相區(qū)的位置延后,過冷段延后;在第二流程中,微通道蒸發(fā)器制冷劑最大壁面溫度降低,由18.8 ℃降為18.6 ℃最后降為18.2 ℃,相較第一流程不同的是,入口方向長度的影響小于扁管編號的影響,拐點為蒸發(fā)器的頂部的38 號扁管,此處流量較小,扁管出現(xiàn)了“干蒸”現(xiàn)象,制冷劑溫度陡升。最后比較第一流程和第二流程,0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器第一流程中壁面溫度較低,制冷劑過熱區(qū)長度較短。

圖4 0.7 扁管比、質量流量Q=50 kg/h 時壁面溫度沿入口方向及扁管編號變化云圖Fig.4 Cloud chart of wall temperature along the inlet direction under 0.7 flat tube ratio and 50 kg/h mass flow rate

由圖5 可知,當扁管比為0.7 時,隨著制冷劑的質量流量由30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h,壁面溫度由23.3 ℃降到21.5 ℃,最后降到19.8 ℃,相對濕度由57.9% 增加到63.5%,最后增加到69%,所以當扁管比一定時,隨著制冷劑質量流量的提高,微通道蒸發(fā)器降溫除濕能力增強,導致出口溫度降低,相對濕度增高;當制冷劑流量為30 kg/h時,隨著扁管比的增加,出口空氣溫度和濕度差異都約為1%,故而扁管比對微通道蒸發(fā)器的降溫除濕效果影響不大。

圖5 扁管比及制冷劑流量對空氣出口溫度及相對濕度的影響Fig.5 Influence of flat tube ratio and refrigerant flow rate on air outlet temperature and relative humidity

由圖6 可知,扁管比分別為0.7、0.8、0.9 的微通道蒸發(fā)器的傳熱系數隨著制冷劑質量流量的增加而線性增加,從30 kg/h 增加到70 kg/h 時,分別平均增幅為282%、281%、271%,這是由于制冷劑的流動速度加快,其與空氣側換熱效果更劇烈,流動邊界層變得更薄,傳熱更充分。另外,0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器傳熱系數較0.8、0.7 扁管比的微通道蒸發(fā)器傳熱系數分別平均增幅4%和7%。

圖6 不同扁管比例下傳熱系數隨制冷劑質量流量變化圖Fig.6 Variation of heat transfer coefficient with refrigerant mass flow under different flat tube ratios

由圖7 可知,當扁管比不變時,隨著制冷劑流量的增大,制冷劑流速增大,液相制冷劑與氣相制冷劑的相互劇烈運動導致微通道蒸發(fā)器進出口的壓降逐漸增大,制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時,0.7 扁管比的微通道制冷劑進出口壓降平均增加0.12 ×105Pa,可以認為進出口壓降與制冷劑流量成線性關系;制冷劑流量為30 kg/h時,扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器的進出口壓降從0.87 ×105Pa 降到0.85 ×105Pa 最后降到0.81 ×105Pa。

圖7 不同扁管比例下進出口壓降隨制冷劑質量流量變化圖Fig.7 Variation of inlet and outlet pressure drop with refrigerant mass flow rate under different flat pipe ratios

由圖8 可知,在第一流程中,扁當管比不變時,隨著制冷劑質量流量的增加,制冷劑動能增加,受重力作用的約束變小,流動區(qū)域變大,流量分配變均勻,與空氣側的換熱面積增加,對流換熱更充分,不均勻度S減小,制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時,0.7 扁管比的制冷劑第一流程不均勻度平均降低0.09,可以認為制冷劑第一流程不均勻度與制冷劑質量流量成線性關系;制冷劑流量為30 kg/h 時,隨著扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器不均勻度S從0.32 降到0.30 最后降到0.28。

圖8 不同扁管比例下第一流程不均勻度隨制冷劑質量流量變化圖Fig.8 Variation of the first pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

由圖9 可知,在第二流程中,由于制冷劑進入第一流程中的扁管與空氣側換熱,產生的氣態(tài)制冷劑對進入第二流程制冷劑分配造成影響,致使氣液兩相流動相互干擾,使得第二流程中的制冷劑分配更加不均勻。當制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時,0.7 扁管比的制冷劑第二流程不均勻度平均降低0.02,可以認為制冷劑第二流程不均勻度與制冷劑質量流量成線性關系;制冷劑流量為30 kg/h 時,扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器不均勻度S從0.44 降到0.42 最后降到0.40。

圖9 不同扁管比例下第二流程不均勻度隨制冷劑質量流量變化圖Fig.9 Variation of the second pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

4 結論

(1)隨著微通道蒸發(fā)器內制冷劑質量流量及扁管比的增加,壁面的溫度分布更加均勻。在第一流程中,過冷區(qū)面積變大且位置后移;在第二流程中的兩相區(qū)面積變大且位置后移。

制冷劑質量流量不變且扁管比在0.7—0.9 時,扁管比每增加0.1,使得微通道蒸發(fā)器的傳熱系數增加3%—7%;扁管比不變且制冷劑流量在30—70 kg/h 時,制冷劑質量流量每增加10 kg/h,使得微通道蒸發(fā)器的傳熱系數增加27%—49%。

(2)扁管比不變時,隨著制冷劑的質量流量的增加,微通道蒸發(fā)器內制冷劑進出口壓降增大,可以認為微通道蒸發(fā)器內制冷劑進出口壓降與制冷劑質量流量成線性關系;制冷劑的質量流量不變時,隨著扁管比的增加,微通道蒸發(fā)器內制冷劑進出口壓降減小,其中0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器內制冷劑進出口壓降最小。

(3)隨著制冷劑質量流量的增加,制冷劑的不均勻度S 減小,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器制冷劑不均勻度S平均降幅約59%,即微通道蒸發(fā)器內制冷劑的流量分配越來越趨于平均。在流量為30—50 kg/h 時,扁管比對微通道蒸發(fā)器制冷劑流量分配影響最大,而在流量為50—70 kg/h 時,制冷劑質量流量對微通道蒸發(fā)器制冷劑流量分配影響最大,在小流量范圍內設計微通道蒸發(fā)器要充分考慮其結構特性。