微通道换热器用于重力热管系统分析

微通道换热器用于重力热管系统分析
摘要：轻工工程制冷装备制造是工业生产当中重要的内容，需要利用微通道
换热器对于重力热管系统进行辅助设计，保证制冷的效果。

海信家电集团股份有
限公司，通过对于与微通道换热器用于重力热管系统分析，能够了解到微通道换
热器用于重力热管系统试验，并且分析微通道热器用于重力热管系统优化，同时
阐述出微通道热器用于重力热管系统数值模型设计。

关键词：微通道换热器；重力热管；换热能力；工业制造
引言：微通道换热器技术在工业生产当中有换热效果好、产品质量轻、制冷
剂充注量少的特点，使得在热管背板系统当中使用过程能够进一步的减少机房污染，并且保障机房内部的洁净度。

并且因为微通道换热器能够减少机房的PUE，
利用自然冷源，需要很低的能耗就能够得到更大的冷量。

所以，在工业生产当中，大力研究微通道换热器用于重力热管系统具有极大价值。

一、微通道换热器用于重力热管系统试验
（一）重力热管系统试验
根据重力热管制冷剂压降原理分析，热管式换热器内部循环在本质上依靠的
是气液密度差与冷源和重力热管高度差驱动，在工作当中，蒸发上升段内部气体
密度比较小，但是冷凝下降段内液体密度更大，从而就在有高度差的条件下进行
自然循环。

在设计过程当中，根据2款微通道重力热管转换器，在2个换热器当
中总第一个换热器使用的是扁管、单个通道湿周为4、流道截面积在1.1、水力
直径的数值为1.10、流通数为20；第二个换热器使用的是扁管，单个通道湿周
在7.3、流道截面积为1.7、水力直径的数值为1.24、流道数为14。

在焓差室内
进行试验，所控制过程依据的是《热管传热性能试验方法》，蒸发器侧干球温度、湿球温度控制在35℃与24℃，冷凝侧环境温度依据5℃、10℃、15℃当中进行试验，研究蒸发器与冷凝器环境的温差，应用的温度环境为30℃、25℃、20℃，共
计测试出30组数据。

见图1。

图1热管工作原理与特性
（二）换热器进口制冷剂分配与蒸发器换热能力分析
在蒸发器换热能力当中，根据试验能够了解到蒸发器换热能力到5200到15500w的范围当中，同时两个换热器都在同一侧当中，当处于冷凝器侧环境温差
的条件时，风速越是大，相应的换热能力也就越是大，但是换热能力增幅也就越小。

控制在同一个风速当中，冷凝器侧环境当中温度也就越低，换热能力也就越
是高，并且这两个换热器的关系呈现出线性递增关系。

同时在冷凝器侧环境温度
越是低，相应的制冷剂冷凝相变温度越是低，所蒸发的相变温度相应也就会降低，并且所产生的结果是蒸发器侧环境温度一定的情况下，使得蒸发器侧换热温差也
就增大，换热能力也就得到了提升，同时在风速高于10%的情况下出现了一定的
变化，所以也就能够证明高风速下换热能力优势更加的明显[1]。

在换热器进口制冷剂分配过程当中，主要的试验所得到的结果为由于室外温
度的提升，冷凝器表面的温度就可以从10.9℃提升到了20.7℃，温差从7.3℃转
化缩小到了6.3℃，并且温差较大，同时在蒸发器出口制冷剂过热度较小；在蒸
发器表面温度变化不大的情况下，温差也就比较小，冷凝器出口制冷剂过冷度较大。

另外，在蒸发器进口管都是过冷液进入，同时水平方向当中温度分布也呈现
出均匀状态，在冷凝器出口管当中利用的是过冷液体，相应的温度分布也就更加
的均匀。

同时在温度沿制冷剂当中的流动方向，也就是换热器高度方向都发生变化，同时在水平方向换热器扁管当中的差异更加小，并且各个扁管当中的制冷剂
温度分布也都比较的均匀，所以也就不会使用分配器进行设置。

根据试验总结而言，其中所得到的研究成果为：第一个换热器的换热能力要高于第二个换热器的
能力在5%到10%，在水力直径越是大的微通道热器在重力热管当中的转换能力就
会越小；在蒸发器进口当中的制冷剂是过冷态，制冷剂呈现在蒸发器当中分配也
更加的均匀，同时也并不需要利用分配器进行帮助运转[2]。

二、微通道换热器用于重力热管系统优化
（一）换热器高度差优化分析
在经过试验以后，得到相关的数据后就需要进行优化分析。

在分离式重力热
管中的动力主要在于管道当中的制冷剂中的密度差，密度差与温度差之间会呈现
出正比例关系。

也就是证明了换热器的高度也就决定了分离式重力热管系统的动
力最大程度。

根据优化的方式也能够了解到，分离式重力热管系统当中，换热管
当中基本是两相换热，在不涉及到制冷剂工作状态当中的影响，系统换热率基本
正比于制冷剂流量。

同时依据数据的模型能够了解到，在进行到两相流动过程当中，以2500为临界参考数值，在小于这个值时制冷剂处在扁管当中的压降和制
冷剂流量呈现出线性的关系，在大于这个值的过程当中，制冷剂在扁管当中的压
降和制冷剂流量呈现出二次方关系。

（二）换热器结构尺寸优化
分离式热管系统当中最为主要的构件是就是微通道热器，这一构件的参数系
统的换热性能对于整体结构性能具有极大的重要性，所以在进行优化的过程当中
需要重点进行优化，从而保证整体设备的正常运转。

重点的内容在于换热器流程
的优化、扁管尺寸的优化、翅片参数优化、百叶窗参数的优化。

在优化过程当中，换热器流程数从四流程降低到一流程的情况下，压力也就从21788Pa，降低到了1476pa，并且在这个过程当中蒸发器平均换热系数衰减了45%。

这也就证明了在
系统压头不足的情况下，利用设计较少的微通道热器流程数，能够降低系统循环
压降，也就证明在系统散热负荷较低、制冷剂流量较小的情况下，还继续使用单
流程微通道热器的方式并非是有效的，所以在优化的过程当中，还需要根据实际
的需求来进行换热器的流程选择。

系统稳定运行的过程当中，受热器换热能力当中，具有最大的流量，这样地情况下，蒸发器也就可以将饱和液相制冷剂蒸发为
饱和气相制冷剂，而冷凝器也正好可以将饱和液相制冷剂冷凝为饱和气相制冷剂。

并且冷热段温差和这一时刻的流量当中呈现出正比关系[3]。

三、微通道换热器用于重力热管系统数值模型设计
（一）热管系统计算流程
在系统当中换热器的换热能力限制和系统动力限制中需要考虑到两个方面，并且需要结合热管系统进的稳定性，设计出一套系统性的工作流程，并且能够根据相关参数进行调整，找到一个最为适宜，满足于热管系统稳定运行是各个限制条件的可行方案，并且形成模型进行输出。

着整个系统进行模型的过程当中，还要对于蒸发器、上升管、冷凝器、下降管当中进行设计。

同时还要保证各个构件当中除了制冷剂在连接处状态当中不会相互干扰，所以还要对于各个构件进行独立建模，然后还需要利用计算机上编写程序来完成计算模型，实现最终的求解。

在热管系统当中，上升管和下降管当中冷剂气液分离，系统稳态工作当中管道的液位是不断地发生着变化的，同时在液相制冷剂并不可以利用上升管进入到冷凝器，而不能够利用下降管进入到蒸发器当中，在这样的情况下热管系统稳态工作过程中，蒸发器出口当中制冷剂都是气相，冷凝器出口制冷液也都是液相。

根据这一方式来看，蒸发器进口制冷剂都是液相，并且冷凝器进口制冷剂都是气相。

根据相关的研究，微通道热器在进出口制冷剂也会随着冷剂质量的增加而减小，并且依据热管系统稳定工作当中的限制，蒸发器和冷凝器的进出口差值不能够小于工作时制冷剂饱和状态当中的气化潜热。

并且对于饱和状态下的制冷剂，存在于制冷剂流量使得蒸发器能够将制冷剂将饱和液相蒸发成为饱和气相，这个流量是蒸发器受换热能力限制的最大流量。

但是由于饱和温度影响到了换热器的传热温差，也就影响到了换热器换热能力，最大流量也就会受到换热器能力的限制。

并且要是由于饱和温度的提升，蒸发器换热温差也就会减小，并且冷凝器换热温差也就会增加，相反的情况下就会出现相反的影响，这里的流量也就是热管系统受换热器换热能力的最大流量。

在出现热管系统当中受循环压头不足的情况当中，因为制冷剂流量和各个制冷剂的情况是不可知的，并不能够直接的进行求解，但是问题在于热管系统稳定运行过程当中还要满足一定的限制条件，也就是需要保证蒸发器出口制冷剂都是气相，并且保障冷凝器出口制冷剂都是液相，另外还要保障蒸发器进口制冷剂都
是液相，冷凝器进口制冷剂都要保证为气相。

同时还要保障制冷剂在系统当中循
环后焓值不变，并且还要保证制冷剂在系统当中循环后压力不变。

在开始以后就要设置蒸发器出口状态为饱和气相，并且调整温度，同时求上
升管以及冷凝管的值，判断是否是在出口为饱和或过冷液相，在不是的情况下就
要减少上升管的值，在是的情况下继续求出下降管的值以及蒸发器的值，判断出
口焓值的误差是否小于1%，在不是的情况下，还要测定出出口焓值是否小于设定值，在是的情况下需要减小温度，在不是的情况下就要增大温度，在判断为出口
焓值误差小于1%的情况下，就要判断出口压力误差是否小于1%，若是的情况下
就可以直接结束，不是的情况下，就需要重新调整数值，并且在上升管求值这一
步重新进行操作[4]。

（二）微通道热器计算模型
微通道热器在结构当中，是由两个换热器也就是上升管以及下降管所组成，
在进行研究时需要利用微通道热器建立起计算模型，并且在空气侧参数与进口制
冷剂压力以及焓值的情况当中，利用模型来计算出制冷剂的出口压力与焓值。

在
这一计算的过程当中较为重要的步骤在于，需要建立起微通道换热器空气侧模型，并且在微通道换热器制冷剂侧进行建模，最后在确定好微通道换热器计算流程，
同时在确定了计算流程以后还要保证仿真模型的程序得到实现。

在微通道换热器空气侧模型当中，这一空气侧也就是波纹型的百叶窗翅片结构，作用在于可以将空气流过的百叶窗翅片使得流动边界，进行转换形成热度。

在微通道换热器制冷剂侧建模过程当中，分成为过热蒸汽段，另外还有两相气液
段与过冷液体段，这样做的原因在于不同的制冷剂相态，与制冷剂的传热与流动
当中具有不相同的特性。

在实际的进行数值模型求解的过程当中，对于微通道换
热器还要作出实现的假设，也就是需要在制冷剂是管道当中的唯一流动物，并且
还要保证流动方向没有任何的热传递现象，并且制冷剂在同一个流程当中流量是
相等的，还要保证换热器在工作稳定的情况当中，空气侧参数以及制冷剂参数不
会随着时间的变化而变化，此外也要忽略掉管道内外热阻与不凝性气体之间的热
传导情况，最后还要保证在换热器的迎风面当中，空气的质量流量处于均匀分布
的情况之下，同时也在这一基础之上需要忽略掉系统向四周环境出现漏热的情况。

（三）分离式重力热管试验研究
在仿真模型试验当中，需要依赖于计算机编程技术，利用python编程语言
进行编程，在这一过程当中，主要的仿真模型程序代码为三个方面，也就是微通道换热器建模部分代码、上升，下降管建模部分代码、系统计算流程部分代码，编写程度的过程当中，主要需要实现接口和实现分离，并且保障能够便于程序的修改与维护。

在试验的过程当中，首先需要了解到试验台的搭建需要以及原理、同时要理清试验工况与步骤、并且需要对于试验数据分析同时还要注意到对于模型验证的准确性，并且还需要对于不同的高度差与温差当中的系统转化变化进行记录，并且总结出不同高度差下系统压力分布的变化情况，测定出不同蒸发器风量下的系统换热量与压力的变化。

根据整个实验的数据以及计算值当中来看，出现的误差要小于10%，并且根据以往的数据分析出和其他的试验数据之间也基本
符合。

结语：综上所述，微通道换热器对于工业制冷制造具有极大的价值，利用微通道换热器用于重力热管系统试验，测试出蒸发器换热能力以及换热器进口制冷剂分配。

在重力热管系统优化方面，需要换热器高度差优化分析，并且对于换热器结构尺寸优化，在数值模型设计当中，需要理清热管系统计算流程，建立起微通道热器计算模型，分离式重力热管试验研究。

参考文献：
[1]谢冰冰,李耀祥.微通道换热器在地铁车辆空调上的试验研究[J].技术与
市场,2022,29(06):56-59.
[2]杜玉清.微通道换热器用作热泵型空调器室外换热器相关技术分析[J/OL].制冷与空调:1-6[2022-07-26].
[3]马志恒,李丰,赵日晶.竖插翅片微通道换热器排水性能研究[J].制冷与空调,2022,22(05):79-84.
[4]袁鑫森,袁俊飞,曹艺飞.入口流速对间断微通道内流型演变及流量分配特性影响[J/OL].过程工程学报:1-10[2022-07-26].。