微通道换热器在商用冷柜上的应用研究

董雪鹏

松下冷链(大连)有限公司 辽宁大连 116600

随着近年来铜价的持续上涨，如何降低制冷系统中的铜含量渐渐引起了业界同行的极大兴趣。通过积极地寻找与研究，价格相对便宜的铝进入了大家的视野。而采用铝管加工的微通道换热器相较于传统翅片管式换热器，具有结构紧凑、换热效率高、体积小、质量轻等优势。使用微通道换热器的商用冷柜更是可以显著降低生产成本，并提高产品市场竞争力[1]。相信随着加工技术的发展，新型铝材的深入研究，微通道换热器必将更加广泛的应用于家用与商用产品上。

1 微通道换热器的发展与现状

微通道换热器的概念最早提出于20 世纪80 年代初。而首台具有实际意义的微通道换热器诞生于1985 年。微通道换热器起初的研究主要是为了解决微电子领域高密度电子器件冷却问题和微电子机械系统的传热问题。

但随着技术的进步与生产工艺的提升，微通道换热器的技术也向着其他领域拓展。我国最早采用微通道换热器技术的是汽车空调行业，主要目的是为了解决替换传统氟利昂制冷剂的制冷剂在使用过程中，高工作压力面临的问题。

当前，微通道换热器产品的形状可根据需求而变化。从形状上划分，大体可分为I 形、L 形、U 形、V 形、C 形和G 形等多种。根据行数划分，则可分为单行、双行和多行。而依据弯曲方法划分，则有芯弯曲、扁管弯曲等。

1.1 测试标准与测试方法

微通道换热器的标称运行条件应基于家用和商用制冷系统的应用条件，同时还应参考行标QB/T4681-2014《房间空气调节器用微通道热交换器》与JB/T 11967-2014《冷冻空调设备冷凝器用微通道热交换器》。

测试时应选取相同测试条件，可根据“制冷单元”中给出的空气焓差与制冷剂流量，分别计算微通道换热器的热交换能力，并根据标称运行条件记录相应数据。在测定相关数据时还应记录微通道换热器两端压力，其测定点应分别距离出入口5-10 倍管径处[2]。

1.2 微通道换热器安全性测试及要求

根据行业标准及热交换器的相关安全要求，可采用以下方法进行测试：先将微通道换热器放入氦气测试箱中，放电后再充入氦气，使用氦气检漏仪测定氦气泄漏量。氦气检漏仪在使用时必须符合氦气泄漏的非破坏性探测方法要求。在设计压力下微通道换热器的制冷剂泄漏量不应超过2g/a。

微通道换热器应进行压力测试，包括液压测试与气动测试。经过抗压强度测试后，应无泄漏及明显变形。

微通道换热器还需满足耐压性测试和疲劳性能测试的要求，且最终的抗压强度试验压力应至少为设计压力的五倍。经耐压性测试和疲劳性能测试后，微通道换热器应无泄漏、裂纹、爆裂等现象。

1.3 微通道换热器耐腐蚀性测试及要求

微通道换热器的耐腐蚀性一直是其设计难点。微通道换热器的集热管、扁管和散热片均由具有相似材料特性的铝合金制成，这大大提高了电化学腐蚀的速度。因此微通道换热器的扁管表面通常需要防锈处理。这样虽然可以有效的保护金属，但防锈层的存在也会影响换热器的传热系数。设计过程中如何平衡两者，也是设计人员需要着重考虑的。

微通道换热器的耐腐蚀性测试方法和要求可参考如下方法。首先要配置盐溶液，需使用电导率非常低的蒸馏水或去离子水配制5% 含量的NaCl 盐溶液，并搅拌均匀保证盐溶液中无固体悬浮颗粒。测试时采用冷盐雾测试法，测试温度为盐雾箱内温度35℃，饱和柱温度47℃。喷雾时所用空气必须通过过滤器净化并进行除油处理。实验压力应在0．7-1．7MPa 范围内。喷雾方法应采用间歇性定期喷雾：先喷雾30 分钟，然后在98%湿度条件下喷涂盐水蒸汽90 分钟，如此反复。除非另有说明，否则样品必须垂直支撑或悬挂在6°至45°之间，且盐雾箱中样品的主表面应平行于盐喷雾的主要喷射方向[3]。测试需连续进行360 小时。测试完成后，需进行2．1MPa 的耐压试验1 分钟，微通道换热器应无变形、泄漏、裂纹等不良现象。盐雾测试装置如图1 所示。

图1 盐雾试验测试装置示意图

2 微通道换热器的设计计算

微通道换热器在设计时，需先确认管内外传热介质的流量及进出口温度，然后通过计算获得换热器的传热面积与结构尺寸。换热器传热计算公式为Qk=KcA∆tm。当求得换热器热负荷Qk、平均传热温差∆tm和传热系数Kc后，及可根据公式算得所需传热面积A。

2.1 传热系数Kc

微通道换热器根据制冷剂的流向可分为：过热气相区、气液两相区和过冷液相区，不同相区的传热系数Kc应根据不同换热关联式进行计算。但由于管外空气侧换热热阻远比管内制冷剂侧换热热阻大，是微通道换热器的主要热阻。故在工程应用中，可对微通道换热器的传热系数Kc直接进行估算，一般取微通道换热器的传热系数Kc为其管外空气侧换热系数ha的0．75 倍，即Kc=0．75ha。

管外空气侧换热系数ha可由公式ha=jRePr1/3λP-1求得，式中：j 为根据Kimand Bullard关联式计算得的因子，Re为雷诺数，Pr 为普朗特数，λ为空气热导率，P 为间距。

由此可得微通道换热器的传热系数Kc=0．74ha=0．75jRePr1/3λP-1。

2.2 传热面积及结构尺寸

根据柜内设计温度和使用环境，确定蒸发温度t0和冷凝温度tk，选定制冷剂R134a，计算得到单位质量制冷量q0。根据商用冷柜在单位时间内保温层的冷损失和柜内负载的降温要求，可计算得到系统设计制冷量Q0。从而得到制冷系统的质量流量：G。G=Q0/q0。

依据质量流量G 与制冷量Q0选择合适的压缩机，选定压缩机后，可根据制冷量和压缩机COP 值，求得换热器热负荷Qk和平均传热温差∆tm：Qk=Q0/COP+Q0，式中：t1为换热器进风口温度；t2为换热器出风口温度。

依据公式Kc=0．75jRePr1/3λP-1求得Kc，在求得换热器热负荷Qk、平均传热温差∆tm和传热系数Kc后，根据公式Qk=KcA∆tm可以得到所需传热面积A0。

参考冷柜的实际布局，规划微通道换热器的各项结构尺寸，确定实际传热面积A1。校核计算传热面积A0与实际传热面积A1，最终确定传热面积A 及微通道换热器的结构尺寸。

3 微通道换热器的应用优势

采用微通道换热器的商用冷柜将更加具有成本优势，从材料成本角度出发，采用全铝材质的换热器，远比采用铜管铝翅片的换热器便宜的多。同时，相同工况条件下，同等性能的全铝材质换热器，整体体积也会相应减小，重量也会相应减轻，系统运行时所需冷媒量也可相应减少。

微通道换热器良好的性能能够很好的满足商用冷柜的各项性能要求，采用微通道换热器的样机在满负荷的状态下拉温度时间会相应缩短，可以更好的满足客户需求，同时减少运行时间也会有效降低产品的能耗，提高产品竞争力。

相比于传统换热器，微通道换热器具有换热效率高、重量轻、体积小、制冷剂需求量少等优势。选用微通道换热器的商用冷柜，可有效提升制冷系统的整体性能。无论从材料成本、运行费用还是运行性能来讲，应用微通道换热器的商用冷柜都更具有竞争力，更能满足用户要求，是一种应用前景较广阔的新型换热器。

4 结语

在商用冷柜的风冷系统中使用微通道换热器时，安全要求可延续冷却系统换热器的现有测试方法和要求。同时由于微通道换热器的特殊性，要严格确认其耐腐蚀性。由于我国高效、节能、环保等政策的进一步出台。相信微通道换热器必将成为制冷行业的主流趋势。同时随着人们对微通道换热器兴趣的增加，相关行业的发展必将迎来新的高度。