微通道蒸发器高风速湿工况性能试验研究

魏文建，王炎峰

（1.浙江水利水电学院 先进换热与能源应用研究所，杭州 310018；2.浙江盾安热工科技有限公司，浙江诸暨 311835）

符号说明：

A——面积，m2；

cp——比热，J/（kg·℃）；

D——管径，m；

δ——厚度，m；

σ——风侧净流通截面与迎风面积之比；

ε——效率；

G——质量密度，kg/（m2·s）；

h——对流换热系数，W/（m2·℃）；

H——高度，m；

m——质量流量，kg/s；

Nu——努赛尔数；

NTU——换热单元数；

P——间距，m；

Pr——普朗特数；

Q——换热量，W；

Re——雷诺数；

t——温度，℃；

U——总换热系数，W/（m2·℃）；

V——速度，m/s；

W——宽度，m；

η——翅片效率；

l——导热系数，W/（m·℃）；

μ——动力黏度，Pa·s；

ξ——淅湿系数；

K——局部阻力系数；

下标：

1，2——进口、出口；

a——空气；

c——流通截面；

eq——当量；

f——翅片；

i，o——内侧、外侧；

lv——窗；

t——扁管；

w——水；

HF，NF——亲水箔、光箔。

0 引言

微通道换热器具有结构紧凑、重量轻、传热效率高、制冷剂充注量少以及便于回收循环利用等优势，被广泛应用于汽车空调和家商用空调机组的冷凝器［1-3］。微通道换热器用作蒸发器时，空气侧的翅片冷表面与湿空气接触，使湿空气中的水蒸气在翅片冷表面凝结析出。不同于传统翅片管换热器竖直平板式翅片，微通道换热器多采用百叶窗折叠式翅片，该翅片结构可增强换热，但在湿工况下会恶化表面凝水排除能力，增加空气侧流动阻力［4-8］。微通道换热器的排水性能对室内工作环境和人体舒适性有着重要影响，特别是近年来越来越多的微通道换热器应用于机房机柜冷却以及大型数据中心冷却，其排水不畅会造成漂水现象，直接影响空调区域工作设备的运行安全性。

盛伟等［9-11］对微通道换热器的结霜及霜水排除性能进行了研究。研究发现微通道换热器由于紧凑翅片和扁管结构易于结霜和霜堵，折叠式翅片使霜水排除不彻底，致使霜工况下性能严重衰减。徐象国等［12］对空调换热器用新型微小尺度肋片的表面排水性能进行了定性分析及滴水凝水试验，认为新型微小尺度肋片能有效减少表面凝水滞留量，且提出了针对最小凝水滞留量的最佳肋片叶面宽度判断依据。刘璐等［13］对微通道换热器百叶窗翅片排水性能进行了研究，通过对不同开缝角度和开缝数量的百叶窗翅片排水性能进行CFD 模拟，发现翅片上残留水量与开缝角度没有明显的单调关系；翅片上残留水量随着开缝数量增加而增加。MAHVI 等［14-16］对超疏水和超亲水表面特性的微通道换热器的结霜特性及霜水排除特性进行了研究。LIU 等［17］采用“动态浸渍”试验法对普通和亲水翅片管换热器排水性能进行了试验研究，发现普通换热器挂水呈珠状而亲水表面无挂水现象，但存水比较普通表面高出1 倍以上。YANG 等［18］对翅片管换热器湿工况下不同积灰情况翅片间水桥生成进行数学建模分析。

综上所述，现有文献都是从微通道换热器的霜工况换热性能、结霜特性以及霜水残留方面进行了研究。微通道换热器在实际工程工况，特别是高风速湿工况下的性能、凝水滞留以及漂水特性的对比分析研究尚未见公开报道。本文目的是针对数据中心冷却等高风速工况，从不同翅片密度、不同表面特性（普通表面和亲水表面）及不同空气湿度（常规工况和高湿工况），对微通道蒸发器换热性能、风阻、凝水滞留及漂水特性进行较为全面的对比分析和试验研究。

1 试验设计及方法

虽然“动态浸渍”方法简便，能迅速反映翅片存水性能，但其缺点是仅能反映被测件的残余水量，较难确切模拟实际工况下的排水特性、临界漂水风速以及对风阻及换热的影响［17］。本文基于不同翅片密度、不同运行工况以及不同翅片表面，从翅片凝水滞留、风阻和换热性能等3 个维度评价微通道换热器的性能变化。

1.1 试验工况

根据微通道换热器工程应用及工况要求，试验工况设计包括常规工况和高湿工况2 种情况。为了弱化沿管程温度变化的影响，管程进出口温差控制在4 ℃以内，其中管内进口水温为8 ℃，出口水温为12 ℃。对高风速和不同湿度工况进行试验研究，以识别临界漂水风速，风速的设定范围为3.5～6.5 m/s。具体试验工况参数见表1。

表1 微通道换热器测试工况Tab.1 Test conditions of MCHX samples

1.2 试验样品

试验采用2 种翅片密度和2 种表面特性的微通道换热器进行对比测试，共制作测试了4 台微通道换热器样机，具体型号信息见表2。表3 列出了被测样机的详细结构参数。不同翅片表面的前进接触角和后退接触角见表4。被测样机结构、翅片结构及详细参数如图1 所示。

图1 被测样机翅片结构Fig.1 Structures of fins and test sample with the fins

表2 被测换热器样机类型Tab.2 Categories of test samples

表3 微通道换热器结构参数Tab.3 Geometric parameters of test samples

表4 不同翅片表面的接触角Tab.4 Contact angle of different fin surfaces （°）

1.3 试验设计

所有测试在焓差室中进行，被测件侧向竖直安装于测试风道内，其背面出风端布置有摄像机用于研究翅片表面凝水流动、滞留和水桥形成。在背面底部安放有湿敏试纸用于研究换热器背面漂水特性，从而识别漂水临界风速。

1.4 试验数据整理方法

采用效率-单元数法进行传热分析，以便得到UA 的表达式。总换热量为风侧换热量与水侧换热量的算术平均值，即：

用叉流换热器的ε-NTU 的表达式为：

根据效率定义式，可得试验测试样机换热效率为：

根据传热学知识，湿工况下总传热热阻为：

管内侧对流换热系数计算采用Sieder-Tate 层流计算式为［19］：

翅片效率采用Schmidt 迭代计算方法为［20］：

其中 NuHf＝hoHf/λa，ReHf＝ρVmaxHf/μa

换热器风侧阻力系数f 根据文献［21］方法计算得到：

2 结果与讨论

本文对不同翅片密度微通道换热器的换热能力及风阻在高风速和不同空气入口含湿量下的表现进行对比，同时分析了亲水表面和非亲水表面微通道换热器的性能、凝水滞留及对临界漂水风速。

2.1 常规工况性能对比

对于不同翅片密度的2 种翅片表面微通道换热器，换热因子j 在测试风速范围内随雷诺数Re的改变几乎没有变化，表明在高风速下Re 数对于蒸发器开窗翅片影响弱化。阻力系数f 随雷诺数Re 的增加而显著降低。由表5 可知，翅片间距对换热因子j 的影响较小。亲水表面处理的微通道换热器换热因子j 与同样测试条件下的光箔翅片微通道换热器换热因子j 差别不明显。表5 同时给出了亲水表面翅片相对于光箔翅片换热因子j的相对变化大小。可见，在不同风速和不同翅片密度下，两种翅片表面的换热因子j 差别小于1%。表明亲水处理对微通道换热器换热的影响可以忽略。由表6 可知，空气阻力系数f 随着翅片间距的减小而增大。需要强调的是相对于光箔翅片表面，亲水处理表面样品风侧阻力系数f 不但没有降低，反而增大。亲水表面微通道换热器运行于相对低风速3.5 m/s，即在雷诺数Re 约为2 000 时，阻力系数f 增加约为5%；在高风速为6.5 m/s 时，对应雷诺数Re 约为3 600 时阻力系数最高增加8%。表明亲水表面微通道换热器并不能改善换热能力、降低风阻及增强排水，相反，会造成风侧阻力损失增加。

表5 不同表面特性常规湿度工况换热性能Tab.5 Heat exchange performance for different surface treatment under normal humidity conditions

表6 不同表面特性常规湿度工况风阻特性Tab.6 Air friction characteristics for different surface treatment under normal humidity conditions

2.2 高湿工况性能对比

同常规工况相比在高湿工况下不同翅片密度的2 种翅片表面微通道换热器，换热因子j 随雷诺数Re 的变化不明显，阻力系数f 随着雷诺数Re 的增加而降低。相对于常规湿度工况，在高湿工况下的阻力系数f 略有增大。亲水处理表面的微通道换热器换热变化不明显，但会恶化风侧阻力损失。由表7 可见，换热因子j 随翅片密度和表面特性的变化小于1%。表8 列出了高湿工况下风阻特性，可见翅片间距对阻力系数f 的影响显著，阻力系数f 随着翅片间距的减小而增大。同时，相较光箔翅片，高湿工况下亲水翅片会使风阻系数f 增加4% ～ 9%，且不同表面特性下风阻变化随着翅片密度和风速的变化不明显，反映亲水处理不能有效改善微通道换热器的排水性能，相反，会增加凝水滞留，恶化翅片表面排水。

表7 不同表面特性高湿工况换热性能Tab.7 Heat exchange performance for different surface treatment under high humidity conditions

表8 不同表面特性高湿工况风阻特性Tab.8 Air friction characteristics for different surface treatment under high humidity conditions

2.3 翅片表面凝水滞留和水桥

通过改变翅片密度、入口空气含湿量和入口风速大小，对2 种翅片表面微通道换热器排水情况以及翅片水桥形成进行了研究。图2 示出了凝水在竖直折叠翅片表面的典型滞留形态。图中翅片表面亮白为凝水滞留，近扁管表面灰色区域为水膜覆盖。表9 列出了不同片距、不同风速以及常规工况和高湿工况下凝水滞留及水桥对比结果。

图2 微通道换热器翅片表面凝水滞留Fig.2 Stagnant water on serpentine fin surface of MCHX

表9 微通道换热器凝水滞留及水桥现象Tab.9 Water retention and water-bridge forming for microchannel heat exchanger

在常规湿度下，光箔表面当翅片间距大于1.7 mm 时，基本没有发现水桥产生。而在高湿工况下，2 种翅片密度下均发现水桥形成。如图2（a）中，对于未做亲水处理的光箔微通道换热器，常规工况下其翅片表面凝水多聚集于翅片与扁管焊接处及折叠翅片的R 角处。随着湿度的增加和凝水增多，翅片R 角处的凝水向内延伸，同时竖直扁管表面的水膜增厚，凝水滞留增多，如图2（b）所示。对于高湿工况下的光箔翅片，其翅片表面凝水多以“间歇性水膜”呈现。在翅片密度较大时更加明显，此时，在翅片开窗附近且近R 角内侧有水桥产生，如图2（c）所示。随着风速的增加，翅片的亲水表面使凝水膜化，形成大面积连续性水桥，如图2（d）所示，凝水滞留最多。这种情况造成风阻增加，翅片积水增加，排水困难。表明微通道换热器亲水处理不能改善凝水排出或滞留形态。相对于光箔表面，亲水表面连续性大面积水桥易于形成，在翅片间距较小时尤其显著。

2.4 漂水临界风速

试验中通过测试湿敏试纸的颜色变化来判断换热器在当前状况下是否漂水。图3 示出了典型状态下的试纸颜色变化情况以及对漂水特性的定性描述。微通道换热器漂水情况并不严重，但表面亲水处理增大漂水风险。如图4（a）所示，常规工况下，光箔和亲水箔均无漂水现象。而在高湿工况下，光箔无漂水现象，亲水箔在风速4.5 m/s 和较小翅片间距1.7 mm 时，出现轻微漂水，当风速增大到6.5 m/s 时，2 种翅片间距均出现严重漂水现象。由于亲水处理表面改善表面润湿性，表面水膜增厚，凝水滞留增多，并在翅片间形成大面积连续性水桥，致使局部风速增大造成漂水。

图3 漂水定性描述Fig.3 Qualitative description of water carry-over

图4 不同表面特性翅片在常规和高湿工况下的临界漂水风速Fig.4 Critical air velocity for carry-over under different surface treatments and humidity conditions

3 结论

（1）对于微通道换热器，亲水表面处理效果不明显，甚至会恶化其热力性能。对换热因子j 影响不大；不会降低风阻，相反，使风侧阻力系数f 增加。

（2）在测试工况条件下，亲水表面处理对换热因子j 的影响小于1%，使风阻系数增大4%～9%，并且翅片密度、空气湿度和风速对j 和f 的影响不敏感。

（3）亲水表面微通道换热器增加连续性水桥形成机会，造成排水恶化并增大漂水风险。在常规工况下光箔和亲水箔均未发现有漂水现象。在高湿工况下，光箔未发现漂水，亲水箔在风速4.5 m/s和较小翅片间距1.7 mm 时，出现轻微漂水。