不同扁管壁厚设计的微通道换热器性能和整机性能的试验研究

陈晨+周鹏

摘 要：本文提出了一种用于比较不同设计的换热器传热性能的测试方法和数据分析方法。对比测试分析了变频螺杆式风冷冷水机组用0.28mm扁管壁厚的微通道换热器和加厚型0.32m扁管壁厚的微通道换热器的性能差异。测试时，环境温度从35℃～43.3℃，改变压缩机的运行频率从50Hz～203Hz以改变进入微通道换热器的制冷剂质量流速；改变风机频率从20Hz～60Hz，以改变进风风量，评估不同扁管壁厚设计的微通道在换热器传热性能和整机性能的差异。采用0.32mm扁管壁厚的微通道换热器，相比于标准0.28mm扁管壁厚的微通道换热器，在环境温度为35℃～43.3℃时，冷凝温度增大约0.57℃～0.78℃，制冷量降低了4.2%～6.9%，压缩机功率降低了1.8%～5.2%，机组COP降低3.2%～5.3%。

关键词：微通道换热器；扁管壁厚

1.前言

0.28mm扁管壁厚和加厚型0.32mm扁管壁厚的微通道换热器的设计相同点和不同点在于：

1. 扁管的制冷剂通道数和通道水力直径相同，其加工过程和制造公差要求相同；

2. 单片换热器的扁管总数相同，流程间的分程隔板在气管头管中的位置相同，流程布置扁管数量相同；

3. 翅片的翅型规格相同，由于扁管壁厚不同，两根扁管之间的中心间距相同时，扁管间的翅片区域的翅片高度不同，扁管壁厚加厚到0.32mm后，翅片高度减小0.08mm，会引起翅片侧传热面积减小，风机设计不变时，0.32mm扁管壁厚的微通道换热器的空气侧阻力损失加大，流经微通道换热器的风量减小。对于传热热阻主要在空气侧的微通道换热器来说，空气侧传热性能由于迎面风速减小和传热面积减小而降低。

2. 0.28mm和0.32mm扁管壁厚的微通道性能测试数据对比

2.1确定测试方案和数据分析的方法

微通道换热器性能对比测试是在同一台机组上进行测试的。为了准确和方便地比较不同结构参数设计的微通道换热器的性能优劣，设计和试验数据分析的步骤如下：

1.分别测试环境温度为35℃，37.8℃，40.5℃，43.3℃。在每一个环境温度值，改变压缩机的运行频率为50Hz，75Hz，100Hz，125Hz，150Hz，175Hz，200Hz，203Hz用以改变管内制冷剂侧质量流量和冷凝换热量，调节风机变频器输出频率为60Hz，45Hz，25Hz改变风机转速和进入微通道换热器的风机风量。以确保性能的比较是基于不同的管内制冷剂侧质量流速和不同的风侧风量条件。

2.在测试过程中通过无需调整制冷剂冲注量，在每一个环境温度测试点的所有变压缩机频率和风机频率工况，均通过改变电子膨胀阀的开度使冷凝器的冷凝器出口制冷剂的温度在各个测试工况下保持基本相同。在降低压缩机运行频率时，冷凝器的出口制冷剂温度会逐步降低，当无法保证各个工况点的环境温度完全相同以及冷凝器出口制冷剂液体温度完全相同时，可以通过以下方法对实验数据进行修正。

3.冷凝器出口的制冷剂液体温度的修正方法如下：冷凝器进口饱和温度减去进风温度等于冷凝器的传热温差，dTsat=Tsat，coil-Tair，on，冷凝器出口的制冷剂温度为Tliq，out，每一个环境温度点的所有Tliq，out测试数据的平均值减去各测试项目的液相温度Tliq，out，按照下来公式修正冷凝器的传热温差，dTsat，correct= dTsat-（Tliq，average-Tliq，out）*0.29，由于冷凝器的平均换热温差既取决于冷凝温度又取决于液相温度，当某个测试工况的液相温度较低时，其修正后的传热温差会减小。

4.绘制传热温差dTsat，correct= dTsat-（Tliq，average- Tliq，out）*0.29与微通道换热器的换热量的关系曲线，可以发现，换热器的换热量与传热温差成正比例或近似二次曲线的关系。即通过传热温差和传热量的关系分析不同设计的微通道换热器的传热性能，将所有影响因素全部归结到传热温差和传热量的数据中。

2.2扁管壁厚对微通道传热性能的影响

某两组同工况运行的测试数据，要进行比较，须要求运行工况须完全相同，如环境温度、进/出水温度、水流量、压缩机频率、风机频率等，单独对比分析某些数据是可行的。

在43.3℃环境温度工况点，不同传热量对应的冷凝器进口的冷凝温度从45℃～65℃升高时，单片微通道换热器盘管的换热量从15kW～120kW提高。同样冷凝温度时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的传热量相比0.32mm设计的高3.4%～10.0%，3.4%对应大传热量和大传热温差的工况，随着传热量和传热温差的降低，这一数值逐步升高，平均高约4.9%。反之，同样冷凝传热量时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的冷凝温度相比0.32mm设计的低0.4℃～0.87℃，平均低0.60℃。

由于冷凝温度和过冷度的影响，制冷量和功率降低4.4%～9.4%和-0.1%～5.0%，平均降低5.4%和1.8%，机组COP降低0.6%～4.4%，平均降低3.2%。

对比37.8℃和40.5℃环境温度工况的测试数据，可以看到两种环境温度下的对比测试数据结论基本一致，同样冷凝温度时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的传热量相比0.32mm设计的高约1.8%～13.4%，平均高6.8%，反之，同样冷凝传热量时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的冷凝温度相比0.32mm设计的低0.38℃～0.96℃，平均低0.78℃。

由于冷凝温度和过冷度的影响，制冷量和功率降低2.5%～12.1%和1.4%～11.2%，平均降低6.9%和5.2%，机组COP降低1.1%～4.4%，平均降低3.1%。

在35℃环境温度测试工况点，同样冷凝温度时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的传热量相比0.32mm设计的高约1.1%～11.4%，平均高4.1%，反之，同样冷凝传热量时，0.28mm扁管设计的微通道换热器的冷凝温度相比0.32mm设计的低0.32℃～0.97℃，平均低0.57℃。

由于冷凝温度和过冷度的影响，制冷量和功率降低1.6%～10.9%和-0.8%～7.5%，平均降低4.2%和3.0%，机组COP降低3.0%～9.9%，平均降低5.3%。

3.结论

本文提出了一种用于比较不同设计的换热器传热性能的测试方法和数据分析方法。对比测试分析了0.28mm扁管壁厚的微通道换热器和加厚型0.32m扁管壁厚的微通道换热器的性能差异。

（1）测试时，环境溫度从35℃～43.3℃，改变压缩机的运行频率从50Hz～203Hz以改变进入微通道换热器的制冷剂质量流速；改变风机频率从20Hz～60Hz，以改变进风风量，评估不同扁管壁厚设计的微通道在换热器传热性能和整机性能的差异。

（2）采用的数据分析方法，即通过传热温差和换热量的关系分析不同设计的微通道换热器的传热性能，将所有影响因素全部归结到传热温差和换热量的数据中，用以分析不同换热器的性能差异。

（3）试验测试结果表明：采用0.32mm扁管壁厚的微通道换热器，相比于标准0.28mm扁管壁厚的微通道换热器，在环境温度为35℃～43.3℃时，冷凝温度增大约0.57℃～0.78℃，制冷量降低了4.2%～6.9%，压缩机功率降低了1.8%～5.2%，机组COP降低3.2%～5.3%。

参考文献：

[1] 章熙民，任泽霈，等.传热学[M].第五版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 陶文铨，数值传热学[M]，陕西：西安交通大学出版社1988：431-451endprint