微通道蒸發(fā)器在室內(nèi)空調(diào)器上的應(yīng)用研究

郭曉峰，　胡朝發(fā)，　陳華康，　曹　勇（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

微通道蒸發(fā)器在室內(nèi)空調(diào)器上的應(yīng)用研究

郭曉峰，胡朝發(fā)，陳華康，曹勇
（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

微通道換熱器以高效、低成本等優(yōu)點(diǎn)在空調(diào)上得到廣泛應(yīng)用，但目前微通道換熱器在蒸發(fā)器中應(yīng)用較少。本文通過(guò)對(duì)微通道蒸發(fā)器與銅管翅片式蒸發(fā)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，旨在對(duì)微通道蒸發(fā)器優(yōu)勢(shì)及問(wèn)題進(jìn)行初步分析。

微通道換熱器； 蒸發(fā)器； 室內(nèi)空調(diào)器

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.014

S

0　引言

隨著制冷空調(diào)行業(yè)的不斷發(fā)展，各國(guó)能效標(biāo)準(zhǔn)也在不斷升級(jí)，同時(shí)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)壓力的日益增加，如何提供一個(gè)高能效、低成本、穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品成為空調(diào)領(lǐng)域新生的一大命題。

近年來(lái)，隨著銅價(jià)的一路攀升，換熱器降成本已勢(shì)在必行。目前換熱器降成本的研究主要有兩個(gè)方向：一種是小管徑換熱器的研究，例如￠5管換熱器已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到家用空調(diào)器中；另外一種測(cè)試銅材的替代技術(shù)，目前行業(yè)內(nèi)研究較多的是鋁代銅方案，如全鋁微通道換熱器。

微通道換熱器作為一種緊湊式高效換熱器，通道直徑減小，利用微通道強(qiáng)化相變傳熱特性強(qiáng)化管內(nèi)制冷劑對(duì)流換熱［1，2］。同時(shí)平行流動(dòng)結(jié)構(gòu)有利于降低空氣側(cè)流動(dòng)阻力從而可減小風(fēng)扇耗功率［3］，全鋁換熱器結(jié)構(gòu)降低了材料消耗量和材料成本。微通道換熱器在家用和商用空調(diào)單冷機(jī)上用作冷凝器已顯示出明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但用于蒸發(fā)器時(shí)由于均勻分液、凝露及凝結(jié)水排除等技術(shù)問(wèn)題，尚處于研究探索之中［4］。筆者以美國(guó)戶式中央空調(diào)室內(nèi)機(jī)為載體，在A型蒸發(fā)器上展開(kāi)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析微通道蒸發(fā)器在應(yīng)用中存在的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題。

1　測(cè)試樣機(jī)信息

1.1樣機(jī)信息

測(cè)試樣機(jī)采用變頻美國(guó)戶式中央空調(diào)系統(tǒng)，額定制冷量2Ton，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試靜壓25Pa，一臺(tái)室內(nèi)機(jī)采用銅管翅片式蒸發(fā)器，另外一臺(tái)采用微通道蒸發(fā)器，分別搭配同一臺(tái)單冷室外機(jī)測(cè)試。

1.2換熱器參數(shù)

根據(jù)樣機(jī)尺寸和能力設(shè)計(jì)需求，結(jié)合廠家提供的微通道換熱器選型計(jì)算軟件及換熱器價(jià)格，選用20.6mm扁管的微通道換熱器，微通道換熱器及原機(jī)銅管翅片換熱器單片詳細(xì)設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表1、表2。

微通道蒸發(fā)器在外觀、迎風(fēng)面積等方面與原機(jī)翅片式蒸發(fā)器基本相同，換熱器外觀照片如圖1所示。同時(shí)，為保證測(cè)試準(zhǔn)確性，對(duì)微通道蒸發(fā)器兩側(cè)及頂部進(jìn)行密封操作，密封后外觀照片如圖2所示。

表1　翅片管式蒸發(fā)器尺寸參數(shù)

表2　微通道蒸發(fā)器尺寸參數(shù)

圖1　微通道換熱器密封前

圖2　微通道換熱器密封后

2　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試工況［5］見(jiàn)表3，分別在A2、凝露工況下進(jìn)行測(cè)試分析，對(duì)微通道換熱器的風(fēng)阻、單位迎風(fēng)面積換熱量、壓降、冷媒分布、凝露及凝結(jié)水排除等方面進(jìn)行確認(rèn)，具體測(cè)試方案見(jiàn)表4。

表3　試驗(yàn)測(cè)試工況

表4　實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并針對(duì)所需測(cè)試的項(xiàng)目，增加微通道蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度測(cè)點(diǎn)，在蒸發(fā)器每一路的進(jìn)出口布置熱電偶，并利用錫箔紙和線扎使其緊固在扁管表面。同時(shí)在蒸發(fā)器背風(fēng)側(cè)布置熱電偶，用來(lái)測(cè)試蒸發(fā)器上下出風(fēng)溫差及左右單片蒸發(fā)器出風(fēng)溫差。并且在蒸發(fā)器進(jìn)出口管路增加壓力測(cè)點(diǎn)，用來(lái)測(cè)試蒸發(fā)器換熱壓降。

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

3.1風(fēng)阻對(duì)比分析

評(píng)定一款換熱器的好壞，風(fēng)阻是其中一項(xiàng)重要因素。換熱器的風(fēng)阻越小，同功率下風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就會(huì)越高。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，在干盤(pán)管測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，微通道蒸發(fā)器風(fēng)量相對(duì)銅管翅片式蒸發(fā)器風(fēng)量提升1.03%；名義制冷工況測(cè)試時(shí)，微通道蒸發(fā)器風(fēng)量相對(duì)銅管翅片式蒸發(fā)器風(fēng)量提升1.67%，微通道蒸發(fā)器不管在干盤(pán)管工況還是名義制冷工況下風(fēng)量均偏高，說(shuō)明該尺寸下微通道蒸發(fā)器風(fēng)阻低于銅管翅片式蒸發(fā)器。此外，從干盤(pán)管工況到名義制冷工況下，微通道蒸發(fā)器的風(fēng)量降低量?jī)H是銅管翅片式蒸發(fā)器的69.6%，說(shuō)明微通道蒸發(fā)器在空調(diào)制冷時(shí)，蒸發(fā)器表面凝結(jié)水膜面積低于銅管翅片式換熱器。

3.2性能對(duì)比分析

評(píng)定一款蒸發(fā)器的好壞，性能是其決定性的影響因素。蒸發(fā)器性能越好，同尺寸下室內(nèi)空調(diào)器的換熱量越高，相對(duì)用戶來(lái)說(shuō)空調(diào)的性價(jià)比就越高。為了更好的描述蒸發(fā)器的性能，筆者從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析研究。

圖2　風(fēng)量測(cè)試對(duì)比

3.2.1蒸發(fā)器單位面積換熱量

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示，從圖中可以看出，試驗(yàn)中微通道蒸發(fā)器換熱量是銅管翅片式蒸發(fā)器102.5%。通過(guò)對(duì)比蒸發(fā)器分析發(fā)現(xiàn)，微通道扁管的外表面積是銅管翅片式換熱器的3～3.5倍，同時(shí)內(nèi)部微通道強(qiáng)化換熱，提高蒸發(fā)器的換熱量；另一方面，微通道蒸發(fā)器具有更小的風(fēng)阻，蒸發(fā)器的迎面風(fēng)速更高，強(qiáng)化蒸發(fā)器的表面換熱性能。

圖4　換熱量測(cè)試對(duì)比

3.2.2蒸發(fā)器壓降

蒸發(fā)器的壓降反饋系統(tǒng)在推動(dòng)冷媒在蒸發(fā)器中蒸發(fā)換熱時(shí)所需要耗功的多少，一定程度上影響空調(diào)器的整機(jī)能效。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示，從圖中可以看出該微通道蒸發(fā)器的壓降只有翅片式蒸發(fā)器壓降的15.7%，降低了蒸發(fā)器的壓降。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)微通道蒸發(fā)器壓降較低的原因有以下兩個(gè)方面：1），由于采用微通道蒸發(fā)器后，系統(tǒng)冷媒關(guān)注量大大降低，使得空調(diào)系統(tǒng)中冷媒循環(huán)量減少所引起；2），由于翅片式蒸發(fā)器采用噴嘴加毛細(xì)管實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器均勻分液，導(dǎo)致翅片式蒸發(fā)器壓降偏大。

圖5　壓降測(cè)試對(duì)比

3.2.3蒸發(fā)器冷媒分布及灌注量

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用微通道蒸發(fā)器后系統(tǒng)灌注量減少了25%，由于微通道蒸發(fā)器利用微尺度效應(yīng)來(lái)強(qiáng)化換熱，內(nèi)部制冷劑流通截面積減少，限制了制冷劑的流通量，同時(shí)微通道蒸發(fā)器內(nèi)部容積要小于銅管翅片式換熱器，可容納的制冷劑體積減少。

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，微通道蒸發(fā)器各個(gè)出管溫度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，并且分路最高換熱溫差接近8℃。從蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)分析，由于第1路到第9路依次遠(yuǎn)離蒸發(fā)器入口，所以流路的流動(dòng)阻力也依次增加，導(dǎo)致前4路制冷劑流通量較多，出口溫度較低。

圖6　制冷劑灌注量對(duì)比

圖7　蒸發(fā)器出管溫度曲線

3.3凝露及冷凝水排除分析

在凝露工況下，將壓縮機(jī)頻率調(diào)至額定頻率，穩(wěn)定運(yùn)行4h后，檢查內(nèi)機(jī)凝露情況，圖為拍到凝露照片，風(fēng)機(jī)兩側(cè)及底部有大量凝露水及很大的水滴，但是靠近蒸發(fā)器出口兩側(cè)的機(jī)殼上沒(méi)有任何凝露水，所以從以下兩個(gè)方面對(duì)凝露問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖8　蝸殼凝露圖

圖9　微通道結(jié)構(gòu)圖

3.3.1蝸殼表面凝露問(wèn)題

從圖8來(lái)看，蒸發(fā)器蝸殼上存在大量凝露水，尤其是在電機(jī)一側(cè)，同時(shí)在蝸殼底部有大量凝露水已匯集成水滴狀，部分凝露水已經(jīng)滴落。在觀察微通道蒸發(fā)器時(shí)，發(fā)現(xiàn)有較多的凝露水沒(méi)有匯集到接水盤(pán)內(nèi)，直接滴落到底部的過(guò)濾網(wǎng)上。蒸發(fā)器出風(fēng)溫度分布如圖10所示。

圖10　蒸發(fā)器出風(fēng)溫差

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象看出，由于靠近蒸發(fā)器機(jī)殼上并無(wú)任何凝露水，所以可以判斷風(fēng)機(jī)上的凝露水并不是由于迎面風(fēng)速過(guò)高將蒸發(fā)器表面的凝結(jié)水帶至風(fēng)機(jī)表面。

依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，從微通道蒸發(fā)器各個(gè)分路出口溫差的現(xiàn)象可分析，凝露主要由于以下兩個(gè)方面造成：1）由于微通道蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，微通道蒸發(fā)器分路流向是從左到右，導(dǎo)致微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑溫度分布為左冷右熱，使得兩側(cè)出風(fēng)換熱溫差達(dá)到5℃以上，當(dāng)冷熱氣流在蝸殼表面匯集時(shí)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象；2）受風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)影響，在風(fēng)機(jī)右側(cè)存在直流電機(jī)，其橫截面積達(dá)到進(jìn)風(fēng)口的80%，使得右側(cè)風(fēng)阻明顯高于左側(cè)，導(dǎo)致蒸發(fā)器右側(cè)風(fēng)量偏低，加劇了左右出風(fēng)溫差的問(wèn)題。

3.3.2蒸發(fā)器表面凝露水排除問(wèn)題

由于其蒸發(fā)器翅片結(jié)構(gòu)與排水方向垂直導(dǎo)致微通道蒸發(fā)器冷凝水排除效率低，出現(xiàn)蒸發(fā)器表面水滴匯集滴落。微通道換熱器采用平行流動(dòng)的扁管代替了銅管鋁翅片換熱器的圓管，增大了凝結(jié)水與換熱器間的接觸角和接觸面，凝結(jié)水在排除的過(guò)程中，粘性力與重力當(dāng)，排水的速度直到脫落之前幾乎保持同一速度，使得換熱器表面的凝結(jié)水不易排除［6］，進(jìn)而凝露水在蒸發(fā)器表面匯集成滴，滴落至過(guò)濾網(wǎng)上。若過(guò)濾網(wǎng)上長(zhǎng)期有凝露水存在，會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌滋生，影響空調(diào)空氣質(zhì)量。

4　結(jié)語(yǔ)

以上通過(guò)對(duì)微通道蒸發(fā)器和翅片式蒸發(fā)器在室內(nèi)空調(diào)器上的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在性能方面，微通道蒸發(fā)器擁有更高效的傳熱性能、更低的流動(dòng)阻力、更好的氣流組織；在成本方面，微通道蒸發(fā)器擁有更低的材料成本、緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、更少的制冷劑灌注量。這些優(yōu)勢(shì)的存在不僅可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)器的成本降低，同時(shí)也有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。雖然微通道蒸發(fā)器存在如此多的優(yōu)點(diǎn)，但微通道蒸發(fā)器在室內(nèi)空調(diào)器上的應(yīng)用仍存在以下難點(diǎn)需要改善：

（1）換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過(guò)研究平行流扁管的方向、翅片的結(jié)構(gòu)及翅片與扁管之間的裝配方式等不同方式組合，尋求提升微通道蒸發(fā)器冷凝水排除效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決凝露水滴落的問(wèn)題；

（2）蒸發(fā)回路設(shè)計(jì)：微通道蒸發(fā)器左進(jìn)右出的流路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致左右側(cè)出風(fēng)溫差偏大，通過(guò)研究蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)、分路設(shè)計(jì)等方面，改善出風(fēng)換熱溫差，解決空調(diào)器的凝露問(wèn)題。

［1］Westphalen D，Roth K W，Brodrick J.Emerging technologies：microchannel heat exchangers［J］.ASHRAE Journal，2003，45（12）：107～109.

［2］Carrier Inc.Microchannel technology：more efficient，compact，and corrosion resistant technology for aircooled chiller applications［EB/OL］.

［3］Jacobi A M，Park Y，T afti D，et al.An assessment of the state o f art，and potential design improvements，for flat-tube heat exchangers in air conditioning and refrigeration applications-Phase I［R］.ARTI-21 Final Report，2001.

［4］劉納，李俊明，李紅旗.采用微通道換熱器的熱泵型空調(diào)器性能研究［J］.制冷與空調(diào)，2011，11（4）：96～99.

［5］ARI 210/240-2008，Performance Rating of Unitary Air-Conditioning& Air-Source Heat Pump Equipment［S］.

［6］丁漢新，王利，任能.微通道換熱器及其在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用前景［J］.制冷與空調(diào)，2011，11（4）：111～115.

tudy of Micro-channel Evaporator Used in Indoor Air-conditioner

GUO Xiao-feng， HU Zhao-fa， CHEN Hua-kang， CAO Yong
（Gree Electric Appliances Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

Microchannel heat exchanger is widely used in air conditioner for high heat exchange efficiency and low cost，but less used as evaporator.Based on the measured results of micro-channel evaporator and aluminum fin-copper tube evaporator，this study shows the advantage and disadvantage of micro-channel evaporator.

microchannel heat exchanger； evaporator； indoor air conditioner

TM925.1

B

2095-3429（2014）06-0052-04

郭曉峰（1989-），男，山東人，工程師，主要從事商用及特種空調(diào)系統(tǒng)研發(fā)工作。

2014-12-15

2015-03-09