毛細管型微通道冷凝器在風冷空調中的應用研究

李 健，劉其洋，張烽成，徐 旭

（常州大學 機械工程學院，常州 213164）

0 引言

隨著社會與科技的不斷的跨越，人們對風冷空調設備性能的要求也不斷的提高。傳統的風冷空調采用的是銅管鋁翅片冷凝器，壓縮機將高溫低壓的制冷濟壓縮成高溫高壓狀態，然后傳送到冷凝器中，經過風機冷卻成液體。然而由于氣態的制冷濟與銅管的傳熱系數較小，以及空氣的對流系數很低，因此即便在銅管上加散熱片，這種冷凝器的性能也不是很理想。與此同時微通道換熱器出現在人們的視野中。采用微通道不僅可以強化管內傳熱，使換熱器緊湊、高效，而且還可以提高管道的耐壓能力[1]。所謂微通道換熱器，其較為通行、直觀的定義為水力直徑小于1mm的換熱器[2]。微型微通道換熱器可選用的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4和鋁等[3]。

目前，國內外研究者對微通道冷凝器進行了較為全面的研究，生產出相應的微通道冷凝器，如平行流式、銅毛細管式和不銹鋼毛細管式等，并用于風冷空調設備中。魯紅亮[4]等采用了經驗關聯式建立了平行流式微通道冷凝器的分布參數穩態仿真模型，通過較為全面地分析了冷凝器中流程數和各流程扁管數的設置，得出優化方案。張榮榮[5]將微通道冷凝器與傳統冷凝器進行試驗對比，系統的分析了微通道冷凝器對風冷設備性能的影響，為微通道冷凝器在大型風冷機組上提供了理論基礎。

1 毛細管型微通道冷凝器與風冷空調

風冷空調一般由冷凝器、蒸發器、壓縮機和節流裝置（膨脹閥或毛細管）組成，而大多風冷空調中只要結構空間允許，采用的都是傳統的銅管鋁翅片冷凝器，因為此冷凝器加工工藝完善以及理論計算較為精準。但并不是所有風冷空調經過冷凝器計算后都有空間安裝銅管鋁翅片冷凝器，而且設備的微型化或小型化也是評價設備性能的一個指標，因此微通道冷凝器的研究對風冷空調的發展有重要意義。微通道換熱器的工程背景來源于上個世紀80年代高密度電子器件的冷卻和90年代出現的微電子機械系統的傳熱問題。后應用于汽車空調設備，近年來工業的風冷空調、除濕器等設備中也逐漸出現了微通道冷凝器。

風冷設備的制冷性能是其重要的性能指標之一，而設備的制冷性能由系統制冷系數所決定，一般在2.8～3.5之間。因此提高系統制冷系數的方法一直是風冷空調研究的重要課題之一，其中降低冷凝溫度是最直接、最有效的方法。如果在環境溫濕度不變、冷凝溫度相同的情況下，只有提高冷凝器的制冷系數才能降低冷凝溫度、提高設備的制冷性能[6,7]。

本文采用的毛細管型微通道冷凝器，材質為銅，由集流管、毛細管、隔板和加強筋組成。

圖1 微通道冷凝器三維示意圖

圖2 微通道冷凝器結構圖

2 實驗裝置及方法

2.1 設備原理圖

如圖3所示，該風冷系統由冷凝器、蒸發器、壓縮機、膨脹閥、低壓開關、內循環風機、外循環風機等元器件組成。

2.2 設備元器件型號

毛細管型微通道冷凝器的結構：三排并聯，單排為480mm（長）×450mm（寬）×11mm（高），流程為98層、49層、25層，每層4根，每根銅毛細管外徑為0.7mm，內徑為0.35mm。

常規冷凝器的結構：6排，每排21層，每排管距12.7mm，每層管距21mm，銅管外徑7mm，壁厚0.5mm，每根管有效長度為450mm。翅片厚度0.115mm，翅片間距1.7mm。其迎風面積與毛細管型微通道冷凝器相同。

圖3 風冷空調的系統原理圖

其余設備元器件不變，規格型號如下：

壓縮機：谷輪壓縮機ZR28 K3E-PFJ；

膨脹閥：丹佛斯TEN2-04；

內循環風機：施樂百RH25V-2EP.WD.1R，風量為1220m3/h@200Pa；

外循環風機：EBM S2E300-AP02-30，風量為2550m3/h@120Pa；

蒸發器：5排，每排18層，每排管距12.7mm，每層管距21mm，銅管外徑7mm，壁厚0.5mm，每根管有效長度為340mm。翅片厚度0.115mm，翅片間距1.7mm。

制冷劑：R134a；

沖注量：毛細管型微通道冷凝器用量為1200g，傳統冷凝器用量為2500g。

2.3 實驗方法及步驟

1）按照實驗原理圖將工裝搭好。風冷空調通過送、回風道與負載箱進行連接，風道、負載箱做保溫處理。在冷凝器進、出口處安裝溫度、壓力傳感器，以便記錄；

圖4 實驗原理圖

2）將實驗箱內部環境溫度升高至35℃，確保環境溫度一致。利用調壓器將負載箱內部的加熱器調節發熱功率為3kW、3.5kW、4kW、4.5kW、5kW；

3）開啟空調，待運行穩定后（內循環進出風溫基本穩定），分別記錄冷凝器進出口溫度與壓力，共計5組。同時采用萬用表測量壓縮機的實際電流與電壓，記錄數據；

4）整理數據，將銅管鋁翅片安裝在空調中再按上述方法測試一遍，記錄數據。

3 實驗結果與分析

本實驗所采用的冷凝器不一樣，一個是毛細管型微通道冷凝器，另一個是傳統的鋁翅片銅管式冷凝器。除此之外，工況、實驗設備、記錄時間段都相同，保證了實驗的對比性。

3.1 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的出口壓力

由圖5可知，毛細管型微通道冷凝器的出口壓力整體呈現上升趨勢，3kW時出口壓力最小，為1.25MPa，此時內環境溫度為24℃左右。加熱器功率為5kW時，出口壓力最大，為1.36MPa，此時內環境溫度29℃左右。傳統冷凝器的出口壓力趨勢與毛細管型微通道冷凝器的出口壓力趨勢大體相同，只是超過前者0.1～0.2MPa。隨著加熱器的功率不停上升，蒸發器中制冷劑的相態隨之變化，冷凝器中制冷劑的相態也發生相應的變化，由液體狀態到汽液混合狀態，因此冷凝壓力才會呈現上升趨勢。

圖5 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的出口壓力對比

3.2 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的進出口溫度

由圖6可以看出，加熱器功率小于4kW時，兩種冷凝器的進口溫度呈緩慢上升趨勢。大于4kW時，進口溫度呈穩定狀態，毛細管型微通道冷凝器的進口溫度為66℃左右，傳統冷凝器的進口溫度為79℃左右，而前者的出口溫度基本穩定在18℃左右，后者的出口溫度基本穩定在24℃左右。因此可以從溫差角度看，毛細管型微通道冷凝器的穩定性優于傳統冷凝器。

圖6 在加熱器不同功率下兩種冷凝器進出口溫度

3.3 在加熱器不同功率下兩種冷凝器的COP

隨著加熱器功率的增加，在采用不同冷凝器的系統中負載箱內的溫度不斷升高。由圖7可知，待兩種系統穩定后，采用毛細管微通道冷凝器的制冷系統COP先不斷升高后略微下降最后平穩，最高值接近1，平穩值為0.9左右。而采用傳統鋁翅片銅管冷凝器的系統COP在不斷上升左后趨于平穩，其最高值接近0.6，平穩值為0.57左右。因此，在相同工作環境下，采用毛細管微通道冷凝器的制冷系統COP比采用傳統鋁翅片銅管冷凝器的系統高出50%～58%，而且由圖可清晰的看出前者的最小值比后者的最大值大。由此可得出在熱負載功率不斷上升的情況下，毛細管微通道冷凝器的性能比傳統鋁翅片銅管冷凝器好。

圖7 在加熱器不同功率下兩種冷凝器進出口溫度

綜上所訴，在系統的性能上，毛細管型微通道冷凝器比傳統冷凝器高出20%～30%。在結構空間上，前者的體積及重量是后者的一半左右，大大減少了資源浪費，并給設備節省了一部分空間，為設備向小型化甚至微型化提供了可能。在環境保護上，前者的制冷劑沖注量也是后者的一半左右，這不僅節約資金而且保護環境。

4 誤差分析

1）在鋁翅片銅管冷凝器安裝溫度傳感器和壓力傳感器時，無法保證安裝位置與微通道冷凝器完全一致，存在較小誤差。

2）環境工況溫度無法精確調節，誤差在±0.5℃之間，存在較小誤差。

5 結束語

毛細管型微通道冷凝器與傳統冷凝器相比，性能、結構上有明顯的優勢。在未來的微型化、小型化發展中，因其結構緊湊、性能優越的特點定會得到廣泛應用。不過在其工藝制作過程中，會出現尺寸精度不好把握、焊接難度太大等問題，這也是接下來發展過程中要解決的難點。