微通道换热器在家用空调中的应用

科技综述

微通道换热器在家用

空调中的应用

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清华大学　张会勇☆　李俊明　王补宣

摘要　基于对国内外微通道换热器特别是微通道百叶窗式换热器应用于家用空调系统的

最新研究成果的分析,探讨了微通道换热器用于家用空调系统的优点及有待解决的问题,指出了进一步研究的方向。

关键词　微通道换热器　空调器　百叶窗肋片　扁管　应用

Ap p li c a ti o n of mi c r o c h a n n e l h e a t e x c h a n g e rs

i n re si d e nt a ir c o n diti o n e rs

By Zhang H uiyong ★,Li Junming and Wang Buxuan

Abs t r a ct Based on t he analysis on t he lasted research achieveme nts f or t he application of microchannel heat excha ngers ,in p articular t he microcha nnel louver heat excha ngers in resident air conditioners at home and abroad ,discusses t he advantages a nd p roblems need t o be solved ,a nd p oints out t he direction of f urt her research.

Keywor ds microchannel heat excha nger ,air conditioner ,louver fin ,flat tube ,application ★Tsinghua University ,Beijing ,China

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国家高技术研究发展计划(863)课题资助项目(编号:2006AA05Z207),国家自然科学基金资助项目(编号:50676045)

0　引言

上世纪80年代以来,微通道内的传热及微通道换热器的研究进展很快。采用微通道不仅可以强化管内传热,使换热器紧凑、高效,而且还可以提高管道的耐压能力。目前,微通道换热器已在部分汽车空调器中应用,其在家用空调器中的应用也呈

现出明显的增长趋势。家用空调器中,单冷空调器的冷凝器采用微通道换热器的技术业已成熟,但微通道蒸发器由于涉及到气液两相的均匀分流及热泵工况下融霜水的排除等技术还不是很成熟,国内外一些高等学校及有影响力的企业正在展开研究。

微通道换热器应用于家用空调器可采用多种结构形式。换热管一般采用有多个微通道的带状铝管,而肋片形式有多种:片状肋、开缝肋、错列肋和百叶窗肋等。目前受到最多关注的是百叶窗式微通道换热器,其结构示意图见图1。

采用微通道换热器的技术优势在于:

通道直径

F h 肋高　F p 肋间距　L p 窗间距　L a 窗角　L d 肋长　L h 缝高

图1　百叶窗结构示意图

减小,管内换热增强,耐压能力提高;空气侧流动阻力可大大降低,减小了风扇功率,换热面积相同时传热性能与目前广泛采用的肋片管式结构相比有所增强[1];采用全铝结构,抗腐蚀能力得到提高[1];

①☆

张会勇,男,1979年4月生,在读博士研究生100084　清华大学热能系工程热物理研究所

(010)62792328

E -mail :zhanghuiyong03@mails.t 收稿日期:2008-06-10一次修回:2009-01-16二次修回:2009-07-20

肋片安装在铝带管之间,由于铝带管的宽度稍大于肋片宽度,肋片不易遭受破坏而变形[2];采用整体焊接技术,接触热阻可忽略不计,现有肋片管式换热器通常采用胀管工艺,接触热阻会随着时间的推移不断增大,甚至导致肋片与管道发生脱离,大大降低系统的性能;流道体积减小,制冷剂充注量可明显减少,有利于环境保护;换热器紧凑、高效,材料成本更低[2];内部的多路通道使总流动长度减小,避免了单管多程的模式,可以减小管内制冷剂两相流动的压降[3]。K im等人的研究表明,维持换热能力不变的条件下,微通道换热器体积和质量分别减少55%和35%,单位体积传热能力要比传统的肋片管式换热器高14%～33%[4]。总之,微通道换热器总体性能明显优于传统的肋片管式换热器。

采用微通道换热器改进空调器性能目前尚存在许多技术难点:影响换热器性能的因素较多,包括流动深度F d(即肋片的宽度)、肋高(F h)、肋间距(F p)、窗角(L a)、窗间距(L p)、风速(v a)、平均流动角(F a)等,尚无通用性好的对流换热和流动阻力计算方法;结霜后融霜水不能完全排除,对传热性能有所影响,相关的研究还很不足。

由上述可见,空调器采用微通道换热器的技术优势明显,但也存在一些有待深化研究的技术难点。本文主要介绍百叶窗式(条缝形)肋片微通道换热器的研究现状,为进一步的改进研发工作提供参考。

1　百叶窗肋片微通道换热器空气侧的流动特点空气侧的热力性能与空气的流动特点密切相关,因此有必要研究百叶窗式微通道换热器内空气的流动特点。空气的流动受较多因素影响,最重要的影响因素是雷诺数Re、窗角L a、肋窗间距比F p/ L p等,另外,结露、霜也对空气的流动有一定的影响。

边界层在每个条缝形窗的条缝边缘都会重新发展以致不会太厚,有利于换热。当空气流速较高时,每个窗后会出现漩涡,对相邻条缝的边界层产生扰动,对换热有利,但会导致流动阻力增大。

空气流动可分为两类,一类是通过肋片间的主通道流动,可称为主流(duct2directed),另一类是沿条缝间隙的流动,可称为窗流(louver2directed),其中窗流所占的比例可用流动效率F e来表示,当全部流动为窗流时,其数值为1。当然,流动效率越高,窗流所占比例越大[5]。

Re是影响空气流动的一个主要因素。随着Re的增大,窗流所占比例不断增加,换热增强。Re 较小时,边界层可能在相邻条缝间发展,导致边界层迅速增厚,阻塞流道[6]。研究发现,一般上边界层要比下边界层厚,这种差别将随Re增大而减小[7]。

为了反映窗流在全部流动中所占的比例,定义了平均流动角F a,它是参考窗角提出的一个等效概念。随着Re的增大,流动效率提高,平均流动角F a增大,逐渐趋近于一个小于窗角L a的固定值[8]。影响平均流动角F a的因素有窗角L a、肋窗间距比F p/L p等,肋窗间距比的影响较大,而窗角的影响较小[9]。Achaichia等人给出了一个可用于计算平均流动角F a的公式[8,10]:

Fα=0.936-

243

Re L

p

-1.76

F p

L p

+0.995Lα(1)

式中　Re L

p

为特征长度L p下的雷诺数。

随着Re的增大,流动会出现波动现象,且从下游向上游延伸,临界雷诺数Re3为900左右[11]。这种波动对换热有利,而对压降影响不大[12]。窗角的增大可使流动不稳定现象提前出现,肋间距对不稳定的影响较小;随着窗角和肋片厚度的增加,这种不稳定会更快地向上游传播[13]。

换热系数随流动深度F d的增大而减小,肋间距对换热系数的影响较小[14]。

Beamer等人认为流动效率对流动压降的影响极小[15]。在Re较大时,流动以窗流为主,压降主要来自于摩擦损失,而随着Re的减小,流动逐渐趋向于主流,窗此时的影响以粗糙度体现,增大了阻力,弥补了摩擦损失的减小,因此整体上减弱了流动效率对流动压降的影响。流动压降随肋间距的增大而减小。当流动深度F d较大时,流动压降和换热系数随L a的变化存在最大值。当L a<19°时,随着F p的增大,换热系数减小,当L a>23°,随着F p的增大,换热系数增大[14]。

2　百叶窗式微通道换热器空气侧的换热和压降关联式

2.1　空气侧换热性能

空气侧换热性能的影响因素较多,很难保持其他因素不变而对单一的因素进行研究,因此一般把