微通道換熱器在空調應用中的研究現狀

談玉龍

（英格索蘭亞太工程技術中心，江蘇太倉215400）

0 引言

微通道換熱器最早出現于20世紀80年代，當時較多應用于電子元器件的散熱，后逐漸應用汽車空調領域。隨著技術的發展和市場的需求，微通道換熱器現已在家用及商用空調領域得到廣泛應用。所謂微通道換熱器，通常是指水力當量直徑小于1 mm的換熱器。微通道換熱器采用全鋁結構制成，通常由具有多個平行小孔的扁管、鋁帶開窗折疊成型的翅片以及集流管組成，其結構如圖1所示。

1 微通道換熱器的優點

由于微通道換熱器的緊湊結構特點，因此逐漸地在空調行業中得到應用。同現有的管式翅片換熱器相比，微通道換熱器具有如下優點：

圖1 微通道換熱器結構簡圖

1）換熱效率高。微通道換熱器單位體積流體與流道的接觸面積要遠大于傳統的管翅式換熱器，基于相同換熱能力，微通道換熱器的體積比傳統的管式翅片換熱器要小近1個數量級[1]。同時小水力直徑的微通道使得邊界層厚度大大減小，傳熱熱阻也隨之減小，因此在換熱方面微通道換熱器呈現高傳熱系數、高熱流量的特征。

2）體積小，重量輕。由于微通道換熱器是由扁管、翅片以及集流管通過焊接加工而成，相對于傳統的管式翅片換熱器，其結構更加緊湊。同時由于其高效的換熱效率，在相同能效的情況下，微通道換熱器的外形尺寸及質量都比管式翅片換熱器要小。

3）成本低。微通道換熱器采用的是全鋁結構，而傳統的管式翅片換熱器需要用到銅管，由于銅的價格高于鋁的價格，因此采用全鋁制造的微通道換熱器在原材料成本上要低于管式翅片換熱器。同時當進行設備回收時，微通道換熱器相比管式翅片換熱器等其他形式換熱器，由于其材料單一，故其回收簡單，成本低。

4）制冷劑充注量少。由于在相同換熱能力下，微通道換熱器內部腔體容積明顯小于管式翅片換熱器，故微通道換熱器的制冷劑充注量小于管式翅片換熱器。

2 結霜性能的研究

微通道換熱器在家用空調或者商用空調的應用中經常會出現結霜的情況。對目前出現的多數的結霜情況進行分析發現：外界空氣的溫度和濕度、換熱器表面處理方式、冷凝水殘留量的多少以及翅片結構都會對微通道換熱器的結霜性能產生影響。通過比較微通道換熱器與管式翅片換熱器在結霜條件下的性能[2]發現，制冷劑分配不均是影響換熱器結霜性能的關鍵因素之一。

換熱器表面處理會影響其表面冷凝水的殘留量，進而對換熱器的結霜性能產生影響。為了進一步分析其影響性能的大小，Ehsan Moallem等[3-4]分別對微通道換熱器的表面進行親水和疏水處理，并對其進行結霜性能實驗，發現經過親水處理的微通道換熱器在結霜條件下的工作性能要好于經過疏水處理的微通道換熱器，且二者的結霜外觀不一致，但是兩種處理方式對微通道換熱器的結霜時間沒有太多影響。同時在此基礎上還研究了冷凝水殘留量對結霜性能的影響，實驗結果發現:經過疏水涂層處理的干翅片比濕翅片的表面結霜時間長25%，而經過親水涂層處理的干翅片比濕翅片的表面結霜時間長60%。

通過對比翅片間距和微通道換熱器傾角不同條件下的結霜情況，有研究表明，集管中的制冷劑分配不均對微通道換熱器的結霜性能影響明顯[5]。針對不同冷媒溫度以及空氣露點溫度，盛偉等[6]分3種工況對微通道換熱器作為蒸發器的結霜性能進行了試驗研究，結果表明：當冷媒溫度低于露點溫度但均高于0℃時，換熱器并未出現結霜現象；當冷媒溫度低于0℃，露點溫度高于0℃時，在試驗進行1 h后，換熱器壓力損失68 Pa，換熱量減小20 W，換熱器結霜，但迎風面相對于背風面結霜較少；當冷媒溫度低于露點溫度且均低于0℃時，換熱器壓力損失533 Pa，換熱量減小300 W，且背風面出現嚴重霜堵現象（表1）。

從上述各種研究成果可以發現，制冷劑分配不均、換熱器的表面處理均對結霜性能產生較大影響。冷凝水殘留量越大，換熱器表面越容易結霜。周圍環境的溫度和濕度均對結霜性能產生較大影響。同時換熱器的結霜情況直接影響微通道換熱器的整體換熱性能。

表1 不同工況下微通道換熱器結霜性能

3 翅片參數對換熱性能影響的研究

翅片是微通道換熱器中用來換熱的部件，翅片一般由鋁帶開窗折疊形成[7]。翅片的間距、高度以及開窗角度等重要參數對換熱器的換熱性能有一定的影響[8]。

通過建立百葉窗翅片的數值模型，研究翅片參數對換熱性能的影響，發現翅片間距Fp對于換熱量的影響較大，減小翅片間距Fp可增加換熱器的換熱量；相同開窗長度下，隨著翅片高度Fh的增加換熱量變化不大，但可以降低微通道換熱器的成本。

李炅等[10]利用有限元分析軟件對整體翅片式微通道換熱器空氣側的熱力性能進行數值模擬，并與常規型式微通道換熱器空氣側的熱力性能進行對比分析發現，增加翅片高度，減少翅片間距可以明顯提高換熱器的換熱性能。

圖2 翅片結構簡圖

張興群等[9]研究了微通道換熱器作為冷凝器時的結構參數，迎面風速等參數對換熱器換熱性能的影響，發現減少微通道換熱器的翅片高度和間距可以提高空氣側的換熱系數，增加冷凝器散熱量，提高換熱性能。

上述研究可以發現，翅片間距對換熱量的影響較大且最為明顯，即減小翅片間距有助于增加換熱量，提高換熱器換熱性能；而增加翅片高度可以提高換熱性能同時降低換熱器生產成本。

4 與管式翅片換熱器的對比研究

相對于微通道換熱器，管式翅片換熱器在空調中的應用更早，且更加廣泛。管式翅片換熱器在空調中的應用已經積累了大量的經驗和實驗數據，并且部分成果已形成標準規范。微通道換熱器在空調中的應用還是近幾年發展起來的，很多參數的研究都需要參考對比管式翅片換熱器，因此通過對比性的試驗以探究微通道換熱器的性能顯得尤為重要。

在相同換熱能力條件下，通過實驗分析對比了微通道換熱器和管式翅片換熱器的換熱性能[11-12]，研究人員發現，無論是在體積和質量上，還是在換熱效率和制冷劑充注量上，微通道換熱器都明顯優于管式翅片換熱器。在體積、外形、翅片間距及迎風面積相同的條件下，采用微通道的空調系統制冷量提高3.4%，且制冷劑側壓降減小，COP提高13.1%。將商用空調系統中的管式翅片換熱器替換成微通道換熱器并進行對比實驗研究[13]，發現在不同標準制冷工況下，微通道換熱器與管式翅片換熱器的制冷量相差不大，但是系統COP平均提高了2.45%，系統充注量相較于管式翅片換熱器有所減少，材料成本減少極為明顯。在25℃、35℃、43.3℃三種不同的環境溫度下，商萍君[14]研究了風冷渦旋式冷水機組中使用的微通道換熱器和管式翅片換熱器的換熱性能差異，發現當冷凝傳熱溫差相同時，微通道換熱器的冷凝傳熱量均大于管式翅片換熱器，微通道換熱器比管式翅片換熱器在冷凝傳熱性能方面優勢明顯。

圖3 管式翅片換熱器1250 h后腐蝕狀態

圖4 微通道換熱器1250 h后腐蝕狀態

劉志孝等[15]通過對管式翅片換熱器和微通道換熱器進行腐蝕研究，對比分析腐蝕對換熱器傳熱和空氣流通阻力的影響。結果表明，經過1250h的中性鹽霧試驗后，管式翅片換熱器主體完好（圖3[15]），但邊板處的翅片因腐蝕嚴重而出現脫落現象，而微通道換熱器局部區域的翅片脫離扁管（圖4[15]），出現翅片粉化現象；腐蝕引起換熱器的傳熱性能下降，1250 h時微通道換熱器的換熱量衰減程度明顯大于管式翅片換熱器；腐蝕引起換熱器的空氣流通阻力增大，微通道換熱器的風阻增幅明顯高于管式翅片換熱器。

綜合上述對比研究可以發現，在相同條件下，使用微通道換熱器的系統的COP值均比管式翅片換熱器的系統有明顯的提高，微通道換熱器的換熱性能明顯好于管式翅片換熱器，微通道換熱器的換熱優勢以及經濟性優勢十分顯著。但是在腐蝕性對比研究中，在經歷上千小時的鹽霧試驗后，微通道換熱器的腐蝕程度大于管式翅片換熱器，導致微通道換熱器的換熱性能衰減明顯大于管式翅片換熱器。

5 結論

微通道換熱器以其高效的換熱性能、較低的生產使用成本和緊湊的結構體積，越來越受到空調行業的關注。本文主要介紹了微通道換熱器的結霜性能和翅片參數的研究現狀，同時介紹了微通道換熱器與管式翅片換熱器的性能對比研究現狀。

關于結霜性能的研究可以發現，制冷劑分配不均、冷凝水殘留量大小對結霜性能影響較大。換熱器的表面處理影響冷凝水殘留量，進而影響換熱器結霜性能，換熱器的結霜情況直接影響微通道換熱器的整體換熱性能。關于翅片參數的研究可以發現：翅片間距對換熱量的影響較大，減小翅片間距有助于增加換熱量，提高換熱器換熱性能；而增加翅片高度可以提高換熱性能同時降低換熱器生產成本，因而增加翅片高度具有很好的經濟性。通過與管式翅片換熱器性能對比可以發現：在相同條件下，使用微通道換熱器系統的COP值均比管式翅片換熱器的系統有明顯的提高，微通道換熱器的換熱性能明顯好于管式翅片換熱器。但是在腐蝕性對比研究中，在經歷一定時間的腐蝕試驗后，微通道換熱器的腐蝕程度明顯大于管式翅片換熱器，導致微通道換熱器的換熱性能衰減明顯大于管式翅片換熱器。綜合對比分析可以發現，微通道換熱較管式翅片換熱器還是有很大優勢。