微通道換熱器在商用冷柜上的應用研究

董雪鵬

松下冷鏈(大連)有限公司 遼寧大連 116600

隨著近年來銅價的持續上漲，如何降低制冷系統中的銅含量漸漸引起了業界同行的極大興趣。通過積極地尋找與研究，價格相對便宜的鋁進入了大家的視野。而采用鋁管加工的微通道換熱器相較于傳統翅片管式換熱器，具有結構緊湊、換熱效率高、體積小、質量輕等優勢。使用微通道換熱器的商用冷柜更是可以顯著降低生產成本，并提高產品市場競爭力[1]。相信隨著加工技術的發展，新型鋁材的深入研究，微通道換熱器必將更加廣泛的應用于家用與商用產品上。

1 微通道換熱器的發展與現狀

微通道換熱器的概念最早提出于20 世紀80 年代初。而首臺具有實際意義的微通道換熱器誕生于1985 年。微通道換熱器起初的研究主要是為了解決微電子領域高密度電子器件冷卻問題和微電子機械系統的傳熱問題。

但隨著技術的進步與生產工藝的提升，微通道換熱器的技術也向著其他領域拓展。我國最早采用微通道換熱器技術的是汽車空調行業，主要目的是為了解決替換傳統氟利昂制冷劑的制冷劑在使用過程中，高工作壓力面臨的問題。

當前，微通道換熱器產品的形狀可根據需求而變化。從形狀上劃分，大體可分為I 形、L 形、U 形、V 形、C 形和G 形等多種。根據行數劃分，則可分為單行、雙行和多行。而依據彎曲方法劃分，則有芯彎曲、扁管彎曲等。

1.1 測試標準與測試方法

微通道換熱器的標稱運行條件應基于家用和商用制冷系統的應用條件，同時還應參考行標QB/T4681-2014《房間空氣調節器用微通道熱交換器》與JB/T 11967-2014《冷凍空調設備冷凝器用微通道熱交換器》。

測試時應選取相同測試條件，可根據“制冷單元”中給出的空氣焓差與制冷劑流量，分別計算微通道換熱器的熱交換能力，并根據標稱運行條件記錄相應數據。在測定相關數據時還應記錄微通道換熱器兩端壓力，其測定點應分別距離出入口5-10 倍管徑處[2]。

1.2 微通道換熱器安全性測試及要求

根據行業標準及熱交換器的相關安全要求，可采用以下方法進行測試：先將微通道換熱器放入氦氣測試箱中，放電后再充入氦氣，使用氦氣檢漏儀測定氦氣泄漏量。氦氣檢漏儀在使用時必須符合氦氣泄漏的非破壞性探測方法要求。在設計壓力下微通道換熱器的制冷劑泄漏量不應超過2g/a。

微通道換熱器應進行壓力測試，包括液壓測試與氣動測試。經過抗壓強度測試后，應無泄漏及明顯變形。

微通道換熱器還需滿足耐壓性測試和疲勞性能測試的要求，且最終的抗壓強度試驗壓力應至少為設計壓力的五倍。經耐壓性測試和疲勞性能測試后，微通道換熱器應無泄漏、裂紋、爆裂等現象。

1.3 微通道換熱器耐腐蝕性測試及要求

微通道換熱器的耐腐蝕性一直是其設計難點。微通道換熱器的集熱管、扁管和散熱片均由具有相似材料特性的鋁合金制成，這大大提高了電化學腐蝕的速度。因此微通道換熱器的扁管表面通常需要防銹處理。這樣雖然可以有效的保護金屬，但防銹層的存在也會影響換熱器的傳熱系數。設計過程中如何平衡兩者，也是設計人員需要著重考慮的。

微通道換熱器的耐腐蝕性測試方法和要求可參考如下方法。首先要配置鹽溶液，需使用電導率非常低的蒸餾水或去離子水配制5% 含量的NaCl 鹽溶液，并攪拌均勻保證鹽溶液中無固體懸浮顆粒。測試時采用冷鹽霧測試法，測試溫度為鹽霧箱內溫度35℃，飽和柱溫度47℃。噴霧時所用空氣必須通過過濾器凈化并進行除油處理。實驗壓力應在0．7-1．7MPa 范圍內。噴霧方法應采用間歇性定期噴霧：先噴霧30 分鐘，然后在98%濕度條件下噴涂鹽水蒸汽90 分鐘，如此反復。除非另有說明，否則樣品必須垂直支撐或懸掛在6°至45°之間，且鹽霧箱中樣品的主表面應平行于鹽噴霧的主要噴射方向[3]。測試需連續進行360 小時。測試完成后，需進行2．1MPa 的耐壓試驗1 分鐘，微通道換熱器應無變形、泄漏、裂紋等不良現象。鹽霧測試裝置如圖1 所示。

圖1 鹽霧試驗測試裝置示意圖

2 微通道換熱器的設計計算

微通道換熱器在設計時，需先確認管內外傳熱介質的流量及進出口溫度，然后通過計算獲得換熱器的傳熱面積與結構尺寸。換熱器傳熱計算公式為Qk=KcA?tm。當求得換熱器熱負荷Qk、平均傳熱溫差?tm和傳熱系數Kc后，及可根據公式算得所需傳熱面積A。

2.1 傳熱系數Kc

微通道換熱器根據制冷劑的流向可分為：過熱氣相區、氣液兩相區和過冷液相區，不同相區的傳熱系數Kc應根據不同換熱關聯式進行計算。但由于管外空氣側換熱熱阻遠比管內制冷劑側換熱熱阻大，是微通道換熱器的主要熱阻。故在工程應用中，可對微通道換熱器的傳熱系數Kc直接進行估算，一般取微通道換熱器的傳熱系數Kc為其管外空氣側換熱系數ha的0．75 倍，即Kc=0．75ha。

管外空氣側換熱系數ha可由公式ha=jRePr1/3λP-1求得，式中：j 為根據Kimand Bullard關聯式計算得的因子，Re為雷諾數，Pr 為普朗特數，λ為空氣熱導率，P 為間距。

由此可得微通道換熱器的傳熱系數Kc=0．74ha=0．75jRePr1/3λP-1。

2.2 傳熱面積及結構尺寸

根據柜內設計溫度和使用環境，確定蒸發溫度t0和冷凝溫度tk，選定制冷劑R134a，計算得到單位質量制冷量q0。根據商用冷柜在單位時間內保溫層的冷損失和柜內負載的降溫要求，可計算得到系統設計制冷量Q0。從而得到制冷系統的質量流量：G。G=Q0/q0。

依據質量流量G 與制冷量Q0選擇合適的壓縮機，選定壓縮機后，可根據制冷量和壓縮機COP 值，求得換熱器熱負荷Qk和平均傳熱溫差?tm：Qk=Q0/COP+Q0，式中：t1為換熱器進風口溫度；t2為換熱器出風口溫度。

依據公式Kc=0．75jRePr1/3λP-1求得Kc，在求得換熱器熱負荷Qk、平均傳熱溫差?tm和傳熱系數Kc后，根據公式Qk=KcA?tm可以得到所需傳熱面積A0。

參考冷柜的實際布局，規劃微通道換熱器的各項結構尺寸，確定實際傳熱面積A1。校核計算傳熱面積A0與實際傳熱面積A1，最終確定傳熱面積A 及微通道換熱器的結構尺寸。

3 微通道換熱器的應用優勢

采用微通道換熱器的商用冷柜將更加具有成本優勢，從材料成本角度出發，采用全鋁材質的換熱器，遠比采用銅管鋁翅片的換熱器便宜的多。同時，相同工況條件下，同等性能的全鋁材質換熱器，整體體積也會相應減小，重量也會相應減輕，系統運行時所需冷媒量也可相應減少。

微通道換熱器良好的性能能夠很好的滿足商用冷柜的各項性能要求，采用微通道換熱器的樣機在滿負荷的狀態下拉溫度時間會相應縮短，可以更好的滿足客戶需求，同時減少運行時間也會有效降低產品的能耗，提高產品競爭力。

相比于傳統換熱器，微通道換熱器具有換熱效率高、重量輕、體積小、制冷劑需求量少等優勢。選用微通道換熱器的商用冷柜，可有效提升制冷系統的整體性能。無論從材料成本、運行費用還是運行性能來講，應用微通道換熱器的商用冷柜都更具有競爭力，更能滿足用戶要求，是一種應用前景較廣闊的新型換熱器。

4 結語

在商用冷柜的風冷系統中使用微通道換熱器時，安全要求可延續冷卻系統換熱器的現有測試方法和要求。同時由于微通道換熱器的特殊性，要嚴格確認其耐腐蝕性。由于我國高效、節能、環保等政策的進一步出臺。相信微通道換熱器必將成為制冷行業的主流趨勢。同時隨著人們對微通道換熱器興趣的增加，相關行業的發展必將迎來新的高度。