空调用铝扁管换热性能研究

王旭 孙凯 闫彩霞 孙云峰 甄琦

（内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古呼和浩特 010018）

空调换热器性能的改善对降低能耗、提升空调产品质量具有重要意义，而微通道换热器因其结构紧凑、耐腐蚀、换热效率高等特点在制冷空调领域优势日趋凸显。通道换热器首先被美国使用在民用空调上，其在美国家用空调市场占比约40%，韩国和日本相当，约占30%，而中国只占5%左右［1,2］。多孔铝扁管作为微通道换热器的一类，在汽车空气调节系统和空调方面有较大的潜力可挖掘。按照曾翠婷[2]的估算，到2025 年，我国空调行业对铝扁管的需求预计为67 000 t。陈然[3]对平行流铝扁管吸附床进行了模拟研究，分析了翅片间距、翅片厚度、翅片高度以及吸附剂含量等因素对吸附床换热效果的影响，从而优化调整吸附床的结构，提高其换热性能。唐晟[4]对基于多孔铝扁管的电子芯片热沉性能展开研究，建立了数值计算模型，比较了孔道数目、高宽比等对换热性能的影响效果。孙显东[5]设计了铝扁管热性能测试系统，测试了HCFC-22 在扁管的传热系数和压降，并利用数据对两相流传热系数和摩擦压降模型进行了比对。代传民[6]测试了室内机采用平行流换热器与普通管翅式换热器的空调器性能，结果证明相对于普通管翅式换热器的柜机，采用平行流换热器时，其制冷量提高了10.2%。多孔铝扁管换热器可减少制冷剂充注量、提高换热系数，因此开展相关研究对降低生产成本、提高产品质量有重要意义。

由于多孔铝扁管内单双相流动影响变量多、热质传递相态转化复杂，气液两相流的热质传递很难得到精确的数学解析解，目前两相流问题的研究还相当依靠实验方法。近些年，随着数值计算的蓬勃发展，拓展了两相流问题的研究方式。数值计算可以纳入多种影响因素，可以获取流场的局部细节，可以弥补实验离散数据的不足。但数值计算的准确性有待核实，而实验的离散数据需要进行处理并用数学模型的形式描述，才可能得到一般通用的数学模型。准确可靠的多孔铝扁管内换热特性是其推广使用的关键。可靠的铝扁管换热数据依赖实验研究，因为管内的热质传递、相态转变非常复杂。因此，本文对多孔铝扁管内的冷凝过程压降和换热进行了测试。此外，还将测试结果与文献公开的模型进行了对比，给出了预测精度较高的关联式。

1 实验设备

研究中多孔铝扁管的测试管路包括三个回路：（1）HCFC-22 回路（含测试铝扁管段）；（2）冷却测试铝扁管段的水回路；（3）把制冷剂加热到设定干度的预热段水回路。

HCFC-22 回路主要包含以下部件：制冷剂容器、加压泵、流量计、预热段、测试铝扁管段、冷凝段等。水回路主要包含以下部件：加压泵、流量计、板式换热器、恒温槽。

本文测试的多孔铝扁管的结构参数如下：流道数目：10；流道内宽：1.6 mm；流道内高：1 mm；外宽：1.8 mm；外高：1.8 mm。多孔铝扁管结构示意图如图1 所示。

图1 多孔铝扁管结构示意图

2 测试工况和数据计算

2.1 测试工况

测试采用的制冷剂为HCFC-22，选定的冷凝测试工况为：饱和温度分别为47℃、40℃和30℃，质量流率在200 kg·m-2s-1～600 kg·m-2s-1之内，平均热流密度在6 kW·m-2～25 kW·m-2，入口侧平均干度为0.8，出口侧平均干度为0.1。

2.2 数据计算

测试得到的数据经过一定的演算方可得到制冷剂侧的换热系数。总换热量由水侧的热量平衡来计算得到。

其中Qt,ts-测试段换热量，Cpl,w,ts-测试段进出口水平均温度下热容，mw,ts-测试段水的质量流量，Tw,ts,in-测试段进水侧温度，Tw,ts,out-测试段出口水平均温度。

制冷剂进口侧干度xin根据预热段热量平衡计算得出。制冷剂一侧的加热量Qt,ph包含两方面，由过冷态加热到饱和状态的显热Qsens和由饱和态转化为气液两相的潜热Qlat：

其中Qt,ph-预热段换热量，cpl,w,ph-预热段水侧进出口平均温度下热容，mw,ph-水质量流量，Tw,ph,in-进口侧水温，Tw,ph,out-出口侧水温，Qsens-制冷剂显热，Qlat-制冷剂潜热，Cpl,ref-预热段未饱和前制冷剂平均温度下的热容，mref-制冷剂单位截面质量流量，Tsat-制冷剂测试压力下的饱和温度，Tref,ph,in-制冷剂进口侧温度，hlv-制冷剂的汽化潜热，xin-预热段制冷剂出口平均干度。

测试段制冷剂出口平均干度由下式计算：

其中Xout-测试段出口制冷剂平均干度。

对数平均温度LMTD由扁管外的进出口水温及管内测试压力下制冷剂的饱和温度计算得到。

在忽略污垢热阻的情况下，扁管内制冷剂换热系数为：

其中hco-制冷剂侧换热系数，Ani-基于多孔铝扁管管内的实际换热面积，Ao-测试铝扁管的外换热面积，do-测试铝扁管的外当量直径，h0-水侧换热系数，di-铝扁管的内当量直径，kw-铝扁管的导热系数。

经过广泛的实验验证，证实Gnielinski 公式[7]能可靠预测管内单相湍流的换热系数，其适用范围为0.5＜Pr＜2 000 以及3 000＜Re＜5×106。因此本文选用Gnielinski 公式来计算管外水侧的换热系数h0：

其中f-Fanning 摩擦系数，Re-雷诺数，Pr-普朗特数，μbulk-中心温度对应的水粘度，μw-壁面温度对应的水粘度，kw-为平均温度下水的导热系数，da-是外套管水力直径。

Fanning 摩擦系数f选用Petukhov 关联式[8]（适用于3000＜Re＜5×106的光管）：

2.3 实验不确定度

实验中测量仪器包括铂电阻、压力变送器、差压计、流量计，这些设备都委托具有资质的公司进行设备校准。直接和间接得到的参数都按照Moffat[9]描述的步骤计算了不确定度。通过单向流热平衡实验来检验装置是否准确。在预热段和测试段实验数据中，两侧工质换热量的偏差在±5%内。压差的最大偏差为量程的±0.05%，换热系数的最大偏差为±9.9%。

3 数据分析

3.1 冷凝压降

如图2 所示，给出了多孔铝扁管质量流速和压降之间的关系，随着单位截面质量流率的增大，压降也随之增大，且增加的趋势呈指数，因此增加越来越快。

图2 冷凝压降与质量流速之间的关系

本文中采用四种模型来预测实验压降，四种模型分别为Choi et al.[10]、Beattie and Whalley[11]、Muller-Steinhagen and Heck[12]、Friedal[13]模型，这四种冷凝压降关联式如表1所示。

表1 四种冷凝压降关联式的描述

图3 给出了实验压降和预测压降之间的关系。由图3 可知，采用的多个公式中，Beattie and Whalley 模型预测精度最高，预测86.2%测试结果的偏差在±30%之内。Choi 模型和Friedel 模型预测的精度相当，Choi 模型预测值偏高，Friedel 模型预测值偏低，二者均可预测79.3%测试结果的偏差在±30%之内。Muller-Steinhagen and Heck 模型的预测精度最差，其预测75.8%测试结果的偏差在±30%之内。

图3 冷凝压降与预测压降之间的关系

3.2 冷凝换热系数

图4 给出了制冷剂两相冷凝换热系数与质量流率间的关系。质量流率的增加，换热系数也随之增加，开始时换热系数较小，而后期的换热系数增加较快。

图4 冷凝换热系数与质量流率间的关系

本文采用四种模型来预测冷凝换热系数，这四种模型分别为Akers et al[14]、Koyama et al[15]、Yang and Webb[16]以及Shah[17]，四种冷凝模型如表2 所示。

表2 四种冷凝模型的描述

图5 给出了实验换热系数和预测换热系数之间的关系，由图上可以看出，Akers et al 可预测75.8%的数据点偏差在±20%之内，96.6%的数据点偏差在±30%之内，预测精度最高；Koyama et al 可预测89.6%的数据点偏差在±30%之内，Yang and Webb 可预测82.7%的数据点偏差在±30%之内，Shah 的预测精度最低。

图5 实验换热系数和预测换热系数之间的关系图

4 结论

通过实验研究HCFC-22在多孔铝扁管的流动和传热特性，并将实验结果与已公开发表的研究者的模型进行对比，得到以下结论：

（1）多孔铝扁管内两相流的压降和冷凝换热系数都随质量流率的增大而增大。质量流速较小的时候增加缓慢，而在质量流速较大的时候增加较快。

（2）Beattie and Whalley 模型预测压降的精度最高，预测86.2%的测试点偏差在±30%内，Choi 模型和Friedel模型预测的精度相当。

（3）Akers et al 模型预测换热系数的精度最高，可预测75.8%的测试点在±20%之内，Koyama et al 和Yang and Webb 模型预测精度次之。推荐Akers et al 模型中Reeq采用Moser,K.W 公式计算。