微通道换热器在地铁车辆空调上的试验研究

谢冰冰，李耀祥

(石家庄国祥运输设备有限公司，河北 石家庄 050035)

0 引言

微通道换热器因其质量轻、结构紧凑、换热效率高等优点广泛应用于家用空调、商用空调及交通运输空调/制冷领域。但目前尚无轨道运输空调批量使用案例和经验。

地铁车辆空调高度低，为保证冷凝水排放顺畅，室内换热器不宜使用微通道。因此本文主要研究将微通道换热器作为地铁空调机组的冷凝器进行使用的情况。

1 地铁空调机组介绍

计划在盐城运行的200 km中速磁浮项目为科研项目，要求所有车辆及其全部设备在盐城暨周边配套基础设施建设项目线路上能可靠运营。列车通信采用实时以太网，采用双通道冗余设计，每个车在车顶中间设置一台空调机组，空调机组采用嵌入式安装。该项目空调机组(见图1)是扁平结构，冷凝腔在中部，蒸发腔在两端，共有两套完全相同的制冷系统。微通道冷凝器比常规铜管铝翅片冷凝器重量减少约70%。而且微通道冷凝器的体积也较常规铜管铝翅片换热器有大幅减少，这对于保证地铁空调结构紧凑、轻量化的要求至关重要。

2 微通道冷凝器结构介绍

本项目使用单排微通道换热器，结构如图2所示。微通道换热器分上下两部分，上部共有33路平行扁管，下部共有19路扁管，入口管在上部分，出口管在下部分。入口管和出口管位于微通道换热器同一端侧。压缩机排出的高温、高压气体制冷剂通过入口管进入微通道冷凝器，制冷剂被分配到上部的33路扁管中并向对向流动。制冷剂到达微通道冷凝器另一端后改变方向，进入冷凝器下半部分。制冷剂沿着下部的19路扁管流到出口管，最后流出微通道冷凝器。根据微通道冷凝器的结构布局，可以将换热面积大的上部视为主要换热区，即高效区；将换热面积小的下部视为辅助换热区，即过冷区[1]。

图1 地铁车辆空调外观结构

图2 微通道换热器结构

3 空调机组冷凝器空气侧气流分析

受到地铁隧道高度的限制，空调机组厚度都非常小。因此冷凝单元的冷凝器必须倾斜放置，并且倾斜角度非常大，与水平面的夹角小于30°，这样相对于垂直放置的冷凝器来说，冷凝气流就变得不那么均匀了。

针对冷凝单元的空气侧气流速度分析结果，对冷凝单元进行纵向切割，可以直观地看到气流的流动轨迹(见图3)。气流方向如图3箭头所示:在冷凝风机进风口负压区吸引力的作用下，空气经过左、右两个微通道冷凝器后，在冷凝腔改变方向向上，最后通过冷凝风机排出空调机组。

图3 空气流动CFD仿真图

图4是冷凝器表面风速分布情况。从上往下俯瞰整个冷凝器，上部是靠近冷凝风机的一边，下部是靠近空调底板的一边。从分析结果不难看出，风速高的区域位于微通道冷凝器的中下部，风速低的区域位于靠近风机的上部。

图4 冷凝器风速分布

4 正向或反向安装微通道冷凝器的试验对比

根据气流分析结果，发现微通道冷凝器正向安装和反向安装时，换热效果会有不同。所谓正向安装是指上进下出，符合液态制冷剂流动特点；反向安装则指下进上出。图5～6为正反安装的示意图。

图5 正向安装 图6 反向安装

当微通道冷凝器正向安装时，制冷剂从靠近风机侧的上部进入微通道冷凝器，从靠近空调机组底板的下侧流出冷凝器。当微通道冷凝器反向安装时，制冷剂从靠近空调机组底板处进入微通道冷凝器，从靠近风机侧流出微通道冷凝器。

结合空调机组冷凝器的风速分布情况，看出在微通道冷凝器正向安装时，高效区约有一半区域处于风速较低的区域，而过冷区则完全处于风速较高的区域，制冷剂经过高效区时与外界风的换热效果差，经过过冷区时换热效果好。但是在微通道冷凝器反向安装时，高效区基本上全部处于风速相对较高的区域，过冷区处于风速较低的区域。高效区可以与外界空气进行充分换热，从而提高了换热效率。

本文分别进行了微通道冷凝器正向安装及反向安装的测试，试验数据显示1号系统冷凝器正向安装时过冷度7.66℃，而反向时过冷度仅为4.56℃。测试数据对比如表1所示。

表1 微通道冷凝器正向及反向安装试验结果对比

由于地铁空调机组的两个制冷系统完全对称，故本次仅分析1号系统。微通道冷凝器正向安装时，冷凝器入口的高温气体温度是76.4℃，由于从靠近风机侧进入冷凝器，该部位的风速比较低，风量较小，外界空气的换热温差就加大，此时测得该部位的冷凝出风温度是52.9℃(东北冷凝出风)。当制冷剂流到冷凝器的另外一侧时换热基本完成，换热温差就降低了。此时测得的该部分的冷凝出风温度是47.5℃(东南冷凝出风)。两台冷凝风机出风温度相差5.4℃，这也从侧面反映了换热的不均匀性。

微通道冷凝器反向安装时，冷凝器入口的高温气体温度是83.2℃，制冷剂从靠近空调机组底板侧进入冷凝器，该部位的风速较高，风量大，换热效率高，此时测得的该部位冷凝出风温度是46.4℃(东北冷凝出风)，从正向安装时的52.9℃降低到46.4℃，说明微通道冷凝器反向安装时，由于风量较大，在冷凝器下部的入口区域冷媒与空气侧的换热效果得到了提高。当制冷剂流到冷凝器上部出口时出风温度是44.9℃(东南冷凝出风)。两台冷凝风机的出风温度差1.5℃，说明冷凝器换热趋于均匀了。

根据制冷剂在冷凝器中的焓值的变化和流量可以计算出冷凝器侧制冷剂换热量[2]:

Q=xw(h2-h1)=xρV(h2-h1)

(1)

其中，Q是冷凝器侧换热量，W；x是制冷剂与制冷剂-润滑油混合物的质量比，为方便对比，此处均取1。ρ是制冷剂密度，kg/m3；V是制冷剂体积流量；m3/sh2是冷凝器入口焓值，J/kg；h1是冷凝器出口焓值，J/kg；w是制冷剂质量流量，kg/s。正向安装时冷凝器换热量为Q正，反向安装时的换热量为Q反。

根据压缩机的排量及压缩机的工作频率可以得到压缩机的排气量，即压缩机吸气口制冷剂的体积流量V是5 400 cm3/s。

将以上数据带入公式(1)得到:

Q正=25.7 kW

Q反=26.7 kW

按照能量守恒原理，冷凝器换热量=蒸发器制冷量+送风风机功耗+压缩机功耗。根据实测各部件电参数反推出冷凝器的散热量为:

Q正=15.85+0.67+6.68=23.2 kW

Q反=19.26+0.69+6.25=26.2 kW

微通道冷凝器反向安装换热量比正向安装提高了3 kW。

分别将冷凝器正向安装和反向安装的系统状态在P-h(压-焓)图中标示出来(见图7)。循环1为正向安装，循环2为反向安装。图中的水平冷凝线，代表反向安装的青色比正向安装的红色长，说明冷凝器反向安装换热量大；等熵压缩线表明红色循环压比大，说明压缩机功耗大。

微通道冷凝器从正向安装改到反向安装，机组制冷量由15.85 kW提高到19.26 kW，COP(制热能效比)也由1.9提高到2.5。由此可见，地铁空调机组微通道冷凝器正向安装和反向安装对换热效果影响非常大，进而提升了空调机组的制冷量及COP。

图7 冷凝器正反安装制冷循环在P-h图上的表示

5 结语

经过分析研究，本文认为，鉴于地铁空调冷凝侧风路特点及微通道冷凝器的结构特点，在微通道冷凝器的使用中应尽量避免微通道换热的高效区靠近风速较低的地铁空调冷凝风机侧。