微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景_丁汉新

与铜管铝翅片换热 器相比, 微通道换热器 应 用于制冷空调领域存在着明显的 优势, 主要表 现 在以下几方面:
1) 高效紧凑 由于微通道换热器 由多孔扁管、翅片与管 子 之间采用焊接的方式形成, 与 铜管铝翅片换热 器
收稿日期: 2011-06-17 作者简介: 丁汉新, 硕士, 研究方向为风冷换热器设计和微通道应用。
图 2 微通道换热器与铜管铝翅片换热器空气侧气流组织比较
表 1 为一相同功率、相同能效, 制冷剂为 R22 的微通道换热器空调器与铜管铝翅片空调器的比 较。由表可见, 使用微通道换热器可节 省约 40% 的空间, 质量减少约 36. 7% , 系统的制冷剂充注量
为铜管铝翅片机组的 48. 3% ; 达到相同的换热效 果所需的风量较小, 可使用较小叶轮直径的风扇, 进一步节省安装空间。
迎风面积/ m2 1. 588 0. 972
2) 节材降成本 表 2 为某型号的微通道换热器空调器与铜管 铝翅片空调器的经济性分析。由表可见, 微通道换 热器的使用, 相对于铜管铝翅片换热器而言, 不仅体 现在部件自身的层面, 即部件的材料、仓储及运输上 具有的优势; 在系统层面也有着显著优势, 除压缩 机成本有所增加外, 其制冷剂的充注量更小, 可选 用较小叶轮直径的风扇, 在机组外壳、仓储和运输 上的综合成本明显缩减, 其综合成本优势明显。 3) 良好的抗腐蚀性 制冷系统 的设 备会 安装在 各种 不同 的环 境 中, 包括具有腐蚀性的 区域, 如海 水等, 会 导致设 备由于不正确的保护而过早地 失效, 其中 最常见 的为 2 种不同材料间的电化学腐蚀。在铜管铝翅 片换热器的铜铝接触处经常出 现该现象, 使得换 热器性能 降低, 翅片 腐蚀、脱 落。为缓 解/ 降 低电
化学腐蚀, 通常采用在铝翅片 上喷涂一些材料 来 隔绝翅片和铜管, 或翅片和铜 管上镀一层环氧 树 脂, 或采用铜翅片。而微通道换热器中集流管、扁 管及翅片采用铝合金及配合一定 的涂层, 材料 的 属性相似, 极大地降低了电位腐蚀的速率。此外, 涂层( 又称为牺 牲层) 的使 用, 使得铝管和翅片 只 有牺牲层在腐蚀完全后, 扁管才会有腐蚀发生, 从 而进一步强化了换热器的抗腐蚀性能。
铜管铝翅片换热器 微通道换热器
表1 尺寸/ mm 2 050 775 21. 65 1 350 720 18
微通道换热器与铜管铝翅片换热器的比较[ 2]
净质量/ k g 制冷剂充注量/ kg 风量/ ( m3 / h )
14. 48
3. 29
5 605
9. 16
1. 59
3 652
风扇叶轮直径/ mm 560 445
领域。
所谓微通道换热器, 其较为通行、直观的定义 为水力直径小于 1 mm 的换热器。
如图 1 所示, 微通 道换热器主要由 3 部分 组 成, 即内部具有多个平行孔的 扁管、集流管 ( 又 称 头管) 以及翅片组成。微通道 换热器的加工绝 大 部分是在钎焊炉中完成。 1 微通道换热器应用于制冷空调领域的优势
表 2 微通道换热器的经济性分析[ 3]
冷凝器成本
制冷系统成本
成本变化/ 元 变化/ % 成本变化/ 元 变化/ %
材料
53. 58
14
制冷剂 风机
压缩机
81. 77
51
606. 06
50
- 192. 40
11
外壳
173. 16
47
仓储
0. 48
39
28. 86
49
运输
2. 31
38
157. 86
50
对于制冷空调行业而言, 如何提供一个稳定可 靠、高能效的产品是该领域一直以来的一大命题[1] 。 单纯依靠提高系统中的零部件性能( 如使用高效压 缩机、高效风机) 或增加换热器的面积以提高产品的 能效比, 势必增加了设备的成本, 造成大量不可再生 资源的浪费, 同时增加了消费者购买的成本。
近年来, 随着铜价的一路攀升, 空调系统铜材 的替代问题引起了行业领域的 普遍关注, 业内人 士一直在积极寻求铜材的替代技术。铝作为铜材 的替代品之一, 其价格 相对稳定、低廉, 采 用铝制 微通道换热器, 可明显降低空调的制造成本、提高 产品的市场竞争力。目前, 微通道换热器 已广泛 应用于汽车空调行业, 随着加工工艺、技术及新型 铝材的开发, 正逐步应 用于家用和商用制 冷空调
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第 11 卷
图 1 微通道换热器结构示意图
相比: 翅片与扁管间采用钎焊技术, 消除由换热管 到翅片间的接触热阻, 提高了导热性能。 铜管铝
翅片换热器, 微通道换热器应用了扁管, 其 产生的热边界层有益于强化空气侧的传热[1] 。此
外, 其空气侧的气流组织更好, 减小了迎风阻力和由 此而 产 生 的 噪 声, 可 有 效 地 降 低 风 扇 的 功 耗。
2) ( A nhui U niv ersity of T echnolog y)
ABSTRACT Micro- channel heat ex changer ( MCH X) has been increasing ly applied int o R& A C field due t o it s charact erized as high ef f icient heat tr ansf er perf ormance, compact f orm and price advant age, and has becom e a hot point of R& A C f ield and it s relat ed f ield. Analyzes t he advant ages of M CH X applied int o R& AC f ield, po int s out t he pr oblem s related t o t he applicat ion and f abricat ion of M CH X, including reliability and heat tr ansf er perf orm ance, describes t he relat ed technique on enhancing M CH X s perf ormance and its development t rend brief ly. KEY WORDS micro- channel heat ex chang er ( M CH X ) ; refr ig erat ion; air- condit ioning; heat tr ansf er per for mance; reliabilit y
器, 是目前亟待解决的问题之一。 2. 2 凝结水
微通道换热器采用平行流动的扁管代替了铜 管铝翅片换热器的圆管, 增大 了凝结水与换热 器 间的接触角和接触面, 凝结水在排除的过程中, 黏 性力与重力相当, 排水的速度 直到脱落之前几 乎 保持同一速度, 使得换热器表 面的凝结水不易 排 除。而在铜管铝翅片 换热器中, 黏性力作用小 于 重力, 凝结水在脱落过程中处于不断加速的状态, 其排除速度远高于微通道换热器[ 9-11] 。实 验研究 发现[ 11] , 对于同样垂直放置的铜管翅片换 热器和 微通道换热器, 铜管翅片换热器 80% 的凝 结水可 在 1 s 的时间内排除, 而微通道换热器则需要近 10 s 的时间。此外, 微通道经过钎焊后, 在其 铝管和 翅片上残留一定的钎剂, 形成 凹凸不平粗糙的 表 面, 一方面为换热器壁面湿空 气凝结时提供了 凝 结核心, 另一 方面也 增加 了凝 结水 排除的 难度。 堆积在换热器表面的凝结水形成了很大的传热热
图 3 微通道换热器与铜管铝翅片换热器的 循环腐蚀试验结果
4) 可持续发展 相对于 铜管铝翅片换热器, 微 通道换热器绝 大部分为铝材, 在回收时无须进行铜铝分离处理, 提高了材料的循环利用效率, 降低了回收的成本。 在换热器加工过程中, 可更多地采用自动控制, 也 不会产生铅、铬、汞和镉等重金属 离子, 对 环境保 护更为有利。此外, 系统制冷剂的充注量减少, 意 味着更少的制冷剂泄漏量以及环境污染。 2 微通道换热器应用于制冷空调领域存在的 困难 微通道换热器在家用制冷及商用制冷空调系 统的应用目前仍处于发展的初 期阶段, 由 于换热 器的设计、尺寸以及使 用环境与汽车行业 存在较 大区别, 因此, 如何更好地解决生产过程中的工艺 问题和质量问题、更好 地优化制造流程以 适应更 广泛系列的产品的低量生产, 是微通道换 热器应 用于制冷空调领域所面临的主要问题。
第11卷 第 4 期 2011年8月
REFRI GERA T ION A ND A IR- CON DIT ION IN G
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微通道换热器及其在制冷空调领域的应用前景
丁汉新1) 王利1) 任能2)
1) ( 江森自控楼宇设备科技( 无锡) 有限公司) 2) ( 安徽工业大学)
摘 要 微通道换热器以其高效的换热性能、紧凑的结构及成本上的优势, 正逐步应用于 商业、家用 制冷空 调行业, 与其相关的研究受到越来越多的关注, 成为相关领域的一 个研究热 点。 本文分析微 通道换热 器的 优势及其应用于制冷空调领域所产生的效益; 指出当前微通道 换热器应用 于制冷空 调领域存在 的问题, 包 括可靠性和换热性能; 分析在提高微通道换热器性能上所采取的措施及其发展趋势。 关键词 微通道换热器; 制冷; 空调; 换热性能; 可靠性
微通道换热器中多孔扁管的使用, 使得制冷剂流 道被分成若干个平行通道, 其换热系数 h= N u k/ d ( Nu 为努塞尔数; k 为导热系数; d 为水力直径) 由于 水力直径明显的减 小得到了显著的 提高。此外, 制冷剂被分布到若干个通道中, 其质量流量和 速 度只是适当的增加了, 不会带 来过多的内部压 力 损失。基于此, 微通道换热器 的换热性能相对 于 铜管铝翅片换热器有着显著的提高。如图 2 所示。