新型微通道换热器流路设计及翅片开窗实验研究

位兴华，赵日晶，黄东

（西安交通大学能源与动力工程学院，西安，710049）

微通道换热器具有单位体积换热面积大，制冷剂充注量少，高效紧凑的优点。同时，微通道换热器中的扁管及翅片都为铝，与铜管相比，可以大幅降低成本［1］。研究表明，微通道换热器应用于空调系统，质量可以减小为铜管翅片换热器的60 %，制冷剂充注量减少50 %，系统能效提升6 %［2］。当微通道换热器作为蒸发器使用时，扁管内为气液两相流动，液相制冷剂的分配不均会导致各个支路出现“干蒸”或者“供液过多”，会对换热器的整体性能产生很大的影响［3，4］。扁管的孔径大小对换热性能、压降及制冷剂充注量有很大影响。T kvlkarnic［5］研究了不同的扁管尺寸对换热器压降的影响。Kim and Groll［6］通过实验对比研究了微通道换热器和传统绕片式换热器在分体式空调中的性能。结果表明，使用微通道换热器，迎风面积减小23 %，制冷模式下的能效提高1 %～6 %。李徽等［7］将微通道换热器应用到饮料柜中的冷凝器，结果表明比铜管翅片冷凝器具有更高的能效。Bullard［8］等分析了采用微通道换热器的窗式空调的系统性能。李红旗研究了微通道换热器在热泵型空调中的应用，结果表明系统的制冷、制热能效提高20 %以上［9］。李程等［10］提出了适用于微通道换热器的换热关联式及压降关联式。Gherhardt和Ribatski［11］研究工质为R134a的微通道换热器内的沸腾换热特性，结果表明换热器的性能随着微通道入口液体过冷度的降低而提升。刘赵淼，逄燕［12，13］研究了微通道尺寸和表面粗糙度对摩擦系数的影响，发现摩擦系数随着Re的增大而减小。隆瑞［14］等模拟研究了多孔介质对微通道换热器的影响，发现对流换热系数得到显著提高，加热面平均温度降低。

新型插片式微通道换热器的特点在于，翅片上下连接为一体，竖直布置。翅片表面可以开窗及加波纹，从而增大换热器空气侧的扰动，破坏边界层，增强换热。同时在结霜工况下运行时，除霜后的化霜水可以沿着竖直翅片顺利排出，翅片表面不会滞留水。微通道换热器的流路设计会直接影响到制冷剂的分配，进而对每个支路的换热量产生影响。所以本文对两种不同流路设计的微通道室内机换热器进行了对比实验研究。另一方面，翅片开窗虽然会增强换热器空气侧的换热，在室外长时间使用会造成积灰现象，使得热阻增大，空气侧阻力增大。所以本文对比研究了全开窗及半开窗微通道室外机的性能。

1 实验系统原理及测试工况

实验系统原理如图1所示，主要包括四个主部件：压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器。其中压缩机为LG定速涡旋压缩机，型号为APG0KAC,能力为1匹，频率为60 Hz，POE润滑油充注量为740 mL，工质为R410a。室外机冷凝器采用微通道换热器，对比研究翅片全开窗与半开窗对系统性能的影响。膨胀阀型号为丹佛斯TR6-067U3506，工作介质为R410a，平衡点温度15 ℃，最大工作压力4.55 MPa。室内机蒸发器采用微通道换热器，对比研究三支路四流程与四支路四流程两种流路设计对系统性能的影响。室内机及室外机微通道换热器的参数在下文中做了详细介绍。实验在焓差室内进行，室外机及室内机分别安装在焓差室的两侧。测试工况包括制冷及制热两种工况，如表1所示。其中制冷工况又分为四种测试条件，标冷工况A室外温度为35 ℃，低温制冷工况室外温度较低，为27.8 ℃。干工况C的相对湿度低，仅为9.8 %。D工况中，运行6 min，内风机延迟90 s后停机，随后停机24 min。制热工况包括三种测试条件，室内温度均为21.1 ℃，标热H1工况室外干球/湿球温度分别为8.3 ℃/6.1 ℃。结霜工况H2的室外侧温度较低，干球/湿球温度分别为1.7 ℃/0.6 ℃。低温制热工况的室外侧温度进一步降低，干球/湿球温度分别为-8.3 ℃/-9.4 ℃。

图1 实验系统原理图

表1 制冷及制热工况参数

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2 换热器参数

2.1 微通道室内机换热器参数

对比研究两种微通道室内机，两者的设计参数大致相同，区别仅在于流路不同。扁管长度为476 mm，宽度为20 mm，高度为2 mm，扁管数为74根.翅片为百叶窗，翅片宽度为27 mm，开窗角度为32，开窗高度为0.67 mm，片间距为1.3 mm，槽间距为7.7 mm，翅片数为342±2.集管外径为25 mm，长度为584.1 mm，壁厚为1.5 mm。两种微通道室内机的流路设计如表2所示，四支路四流程是指，微通道换热器分为四个支路，其中每个支路有四个流程，流动方向如图2（a）所示。三支路三流程是指，微通道换热器分为三个支路，其中每个支路有四个流程，流动方向如图3（a）所示。为了对比研究流路设计对换热性能的影响，两种室内机的扁管总数保持一致，均为74 根。两种微通道室内机中各个支路的扁管数如表2所示。

图2 四支路四流程微通道室内机

图3 三支路四流程微通道室内机

表2 两种微通道室内机扁管数分配

2.2 微通道室外机换热器参数

微通道室外机换热器结构如图4所示，分为两个支路，每个支路有三个流程，并且每个流程的扁管数一样。流程1至流程3的扁管数分别为11、8、7。室外机整机形状为G折弯，共有52根扁管，扁管长度1872 mm，宽度20 mm，高度2.1 mm。翅片为百叶窗，片间距1.4 mm，槽间距10.5 mm，翅片数1319±2。翅片开窗能够破坏换热器空气侧的流动边界层，增强扰动，强化换热。但是同时也会增大空气侧阻力，增大压降。为了进行对比实验，微通道室外机开窗形式分为两种：半开窗与全开窗，结构如图5所示。

图4 两支路三流程微通道室外机流路分配设计

图5 微通道室外机换热器开窗类型

3 实验结果分析

3.1 微通道室内机性能对比

两种不同流路设计的微通道室内机制冷及制热能力实验结果如表3所示。三支路四流程微通道室内机的制冷及制热能力、能效均优于四支路四流程。四支路四流程微通道室内机的能耗在制冷A、B工况及制热H2工况下低于三支路四流程。两种微通道室内机无论是标准制冷工况还是标准制热工况下各支路出口温度均存在一定差异，表明支路出口过热/冷度不均匀，将导致系统性能的恶化。以标准制冷工况A及标准制热工况H1为例，分析微通道室内机出口温度对系统性能的影响。通过温度传感器测量了两种微通道室内机的最后支路的出口温度，结果如表4所示。三支路四流程微通道室内机的出口过热度最大差值为3.3 ℃，过冷度最大差值为5.7 ℃。四支路四流程微通道室内机的出口过热度最大差值为5.8 ℃，过冷度最大差值为7.1 ℃。因此，三支路四流程能力优于四支路四流程的原因是其支路出口温度均匀性有所改善，表明分液更加均匀，换热器的能力充分发挥。

表3 微通道室内机能力能效对比

表4 微通道室内机下支路出口温度对比

3.2 全开窗/半开窗微通道室外机对比

制冷A工况下室外机性能对比结果如表5所示。半开窗微通道室外机的制冷能力下降2.66 %，耗功升高0.46 %，制冷能效EER下降3.04 %。全开窗微通道室外机制冷能力较高的原因是换热面积增大，冷凝温度/压力降低，冷凝器出口温度由37.5 ℃降低至37.3 ℃，同时过冷度由6.8 ℃提升至7.1 ℃，过冷度的增大使得制冷量增加。排气压力的降低使得耗功降低，最终EER提升。

表5 全开窗/半开窗微通道室外机能力能效对比

制热时，H1和H2工况出现了不同的结果。H1工况下，全开窗微通道室外机的能力能效与半开窗微通道室外机基本持平。在结霜工况H2下，半开窗微通道室外机的能力上升9.45 %，耗功基本相同，COP上升9.26 %。全开窗微通道室外机结霜工况性能较差的原因是空气侧阻力增大，风机进入“失速区”，风量迅速衰减，制热量降低。另一方面是，全开窗微通道室外机换热面积增大，蒸发温度降低，易于结霜。最终结霜速度加快，使得制热能力衰减。全开窗微通道室外机结霜工况下制热能力较差，半开窗微通道室外机的结霜工况下制热能力更好。

4 结论

本文通过实验对比研究了两种微通道室内机性能及两种微通道室外机性能。两种微通道室内机分别为三支路四流程与四支路四流程微通道换热器，两种微通道室外机分别为全开窗及半开窗微通道换热器。实验在焓差室中进行，在四种制冷工况及三种制热工况下对系统的能力及能效进行测量，得出以下主要结论：

（1）三支路四流程微通道室内机的制冷及制热能力、能效均优于四支路四流程。四支路四流程微通道室内机的能耗在制冷A、B工况及制热H2工况下低于三支路四流程。

（2）三支路四流程微通道室内机的出口过热度最大差值为3.3 ℃，过冷度最大差值为5.7 ℃。四支路四流程微通道室内机的出口过热度最大差值为5.8 ℃，过冷度最大差值为7.1 ℃。表明三支路四流程微通道室内机的制冷剂分配更均匀。

（3）全开窗微通道室外机结霜工况性能较差的原因是空气侧阻力增大，结霜速度快，制热能力衰减快。半开窗微通道室外机在结霜工况下的制热能力更好。

本研究得到山东省重大科技创新工程项目（2019JZZY020813）资助。