微通道換熱器結(jié)霜性能的試驗(yàn)研究

盛 偉,劉鵬鵬,丁國良

(1.河南理工大學(xué),河南焦作 454000； 2.上海交通大學(xué),上海 200240)

制冷空調(diào)

微通道換熱器結(jié)霜性能的試驗(yàn)研究

盛 偉1,2,劉鵬鵬1,丁國良2

(1.河南理工大學(xué),河南焦作 454000； 2.上海交通大學(xué),上海 200240)

針對不同冷媒溫度及空氣露點(diǎn)溫度，試驗(yàn)研究了微通道換熱器的結(jié)霜性能。結(jié)果表明，在結(jié)露工況下，換熱器壓力損失和換熱量絕對值變化不大，且在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后基本穩(wěn)定不變(壓力損失11 Pa,換熱量減小27 W )，在換熱器背風(fēng)面出現(xiàn)液體水不斷疏出；在凝露結(jié)霜工況下，在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后，換熱器壓力損失和換熱量絕對值變化不大(壓力損失68 Pa,換熱量減小20 W)，迎風(fēng)面和背風(fēng)面均有結(jié)霜，迎風(fēng)面相對于背風(fēng)面結(jié)霜較少；在凝華結(jié)霜工況下，沒有出現(xiàn)凝露現(xiàn)象而直接結(jié)霜，換熱器壓力損失明顯增加(壓力損失533 Pa)，換熱量呈拋物狀下降，(換熱量減小300 W)，且在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后背風(fēng)面出現(xiàn)嚴(yán)重霜堵。研究結(jié)果為微通道換熱器在蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

蒸發(fā)器；結(jié)霜;露點(diǎn)溫度；微通道換熱器；制冷性能試驗(yàn)

1 前言

微通道換熱器最早于1981年美國學(xué)者Tuekerman提出[1],相比于傳統(tǒng)的翅片管換熱器，微通道換熱器以其體積小、重量輕、換熱效率高、制冷劑充注量少等優(yōu)勢[2]，正在受到研究者和使用者的關(guān)注。由于這種換熱器較小的翅片間距，導(dǎo)致其作為蒸發(fā)器應(yīng)用時(shí)遇到了霜堵及水堵的問題。Moalem研究了不同工況下微通道換熱器應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的結(jié)霜性能的影響，結(jié)果表明，結(jié)霜性能主要取決于換熱器表面溫度，空氣濕度對結(jié)霜速度影響較大[3,4]。梁媛媛等建立了微通道換熱器作為蒸發(fā)器的干、濕兩種工況下的傳熱模型，得到了模型的制冷劑側(cè)及空氣側(cè)壓降的誤差分別在±15%和±10%以內(nèi)，為微通道換熱器作為蒸發(fā)器設(shè)計(jì)提供了理論分析方法[5]。張劍飛等通過改變迎面風(fēng)速、雷諾數(shù)、迎風(fēng)面積和環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行微通道空氣側(cè)阻力測試，結(jié)果表明當(dāng)換熱量與迎風(fēng)面積相同時(shí)，微通道換熱器與平翅片管式換熱器的空氣阻力基本相同，可認(rèn)為微通道換熱器的扁管結(jié)構(gòu)和較小的換熱器厚度能夠有效的降低空氣阻力[6]。劉鹿鳴等對微通道換熱器進(jìn)行了親水和疏水表面處理，結(jié)果表明經(jīng)過親水表面處理的換熱器換熱量比原換熱器性能提升4%～6%，壓降降低14%～16%，且對防腐蝕方面具有一定作用[7]。孫少鵬等討論了微通道換熱器作為蒸發(fā)器的空氣側(cè)表面材料處理和翅片結(jié)構(gòu)間距的影響，結(jié)果表明，采用親水防腐處理后及改變翅片間距，利于凝水排出[8]。Kyoungmin Kim等對微通道換熱器前后霜層生長均勻性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，其霜層主要集中在微通道換熱器前端，導(dǎo)致前后兩端結(jié)霜量不均勻，致使換熱器性能迅速下降[9]。Liang-Liang Shao等通過在結(jié)霜條件下對微通道換熱器與翅片管式換熱器的性能對比發(fā)現(xiàn)，在霜層生長期，制冷劑在微通道換熱器內(nèi)部分布是影響換熱器性能的關(guān)鍵因素之一[10]。Bo Xu等對一種具有排水功能的新型翅片微通道換熱器與波紋狀和百葉窗狀微通道換熱器在濕工況和結(jié)霜工況進(jìn)行對比，結(jié)果表明，風(fēng)速為1 m/s時(shí)，在濕工況下新型換熱器及波紋翅片換熱器比百葉窗換熱器壓降分別降低63%和35%，在結(jié)霜工況下，新型換熱器具有較穩(wěn)定的性能而波紋翅片換熱器性能明顯下降[11,12]。丁國良等對微通道換熱器建立了三維數(shù)值模型，該模型為微通道換熱器作為蒸發(fā)器、冷凝器、氣體冷卻器等提供了快速的計(jì)算方法，與試驗(yàn)結(jié)果對比，換熱量預(yù)測偏差在±5%以內(nèi)[13～15]。上述研究結(jié)果從不同方面研究和改善了現(xiàn)有微通道換熱器作為蒸發(fā)器所遇到的優(yōu)化設(shè)計(jì)、排水不暢及霜堵等問題。

根據(jù)結(jié)霜機(jī)理，只有當(dāng)主流濕空氣進(jìn)入低溫?fù)Q熱器表面的溫度邊界層時(shí)，凝露和結(jié)霜過程才會(huì)可能發(fā)生[16-19]。當(dāng)?shù)蜏負(fù)Q熱器表面溫度低于露點(diǎn)溫度，但高于0 ℃時(shí)(以下簡稱第一類工況)，空氣中的水蒸氣會(huì)在換熱器表面凝露；當(dāng)?shù)蜏負(fù)Q熱器表面溫度低于露點(diǎn)溫度，且低于0 ℃時(shí)(以下簡稱第二類工況)，濕空氣中的水蒸氣凝露并逐漸凍結(jié)為霜(凝露結(jié)霜)；當(dāng)?shù)蜏負(fù)Q熱器表面溫度和濕空氣露點(diǎn)溫度均低于0 ℃時(shí)(以下簡稱第三類工況)，濕空氣中的水蒸氣會(huì)直接凝華為霜(凝華結(jié)霜)。本文針對露點(diǎn)溫度和微通道換熱器內(nèi)冷媒溫度的差異，對凝露、凝露結(jié)霜及凝華結(jié)霜3種不同工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，為微通道換熱器在蒸發(fā)器領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)裝置與過程

圖1所示為試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置，其分為4個(gè)部分：恒溫恒濕的濕空氣發(fā)生裝置(包括調(diào)速風(fēng)機(jī)，加濕裝置，空氣溫度調(diào)節(jié)器，流量計(jì)等)，換熱器測試段和觀測段，低溫液體機(jī)(產(chǎn)生低溫冷媒)以及數(shù)據(jù)采集與處理裝置。圖2為測試用微通道換熱器。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

圖2 測試用微通道換熱器

試驗(yàn)分別在第一類工況、第二類工況和第三類工況下進(jìn)行。風(fēng)速采用在風(fēng)道出口安裝不同直徑噴嘴，并采集噴嘴前后壓差經(jīng)計(jì)算機(jī)由伯努利方程計(jì)算確定，測試段風(fēng)道尺寸為200 mm×200 mm。試驗(yàn)中打開一個(gè)噴嘴，保持計(jì)算機(jī)顯示風(fēng)道流速為2 m/s,風(fēng)速波動(dòng)范圍不超多±2.5%。分別測試每一工況下濕空氣進(jìn)出微通道換熱器溫度(干球溫度)(測試誤差±0.1 ℃)、濕空氣進(jìn)出換熱器露點(diǎn)溫度(測試誤差±0.1 ℃)、冷媒進(jìn)出微通道換熱器溫度(測試誤差±0.1 ℃)、濕空氣進(jìn)出微通道換熱器壓力損失(壓損)(采用GC62微差壓計(jì)，測試精度±1.0% )。微通道換熱器換熱量采用下式，并通過數(shù)據(jù)采集進(jìn)入計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)計(jì)算求得:

Q=CmMmΔT

式中Cm——載冷劑比熱Mm——載冷劑質(zhì)量流量(質(zhì)量流量計(jì)采用OVAL公司生產(chǎn)的型號為CA010L 11SA12BA1100，測試精度：±0.1 %)

ΔT——換熱器出入口溫差

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 第一類工況試驗(yàn)

微通道換熱器在第一類工況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3，4所示。

(a) 濕空氣溫度的變化

(b) 低溫冷媒的溫度變化

(c) 壓力損失的變化

(d) 換熱量的變化

圖3 第一類工況下溫度、壓力損失、換熱量隨時(shí)間的變化

(a) 迎風(fēng)面

(b) 背風(fēng)面

圖4 第一類工況下試驗(yàn)1 h后的換熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面照片

由圖3可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，壓力損失逐漸增大，而換熱器換熱量在逐漸下降。試驗(yàn)進(jìn)行到1 h，壓力損失和換熱損失基本穩(wěn)定。試驗(yàn)進(jìn)行1 h換熱量下降4.5%，壓力損失雖然相對值上升近60%，但是絕對值變化不大(壓力損失11 Pa,換熱量減小27 W )。從圖4可以看出，迎風(fēng)面沒有結(jié)露，在背風(fēng)面有水不斷疏出。

3.2 第二類工況試驗(yàn)

微通道換熱器在第二類工況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖5，6所示。

(a) 濕空氣溫度的變化

(b) 低溫冷媒的溫度的變化

(c) 壓力損失的變化

(d) 換熱量的變化

圖5 第二類工況下溫度、壓力損失、換熱量隨時(shí)間的變化

(a) 迎風(fēng)面

(b) 背風(fēng)面

圖6 第二類工況下試驗(yàn)1 h的換熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面照片

由圖5可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，壓力損失逐漸增大，而換熱器換熱量先增大后減小，且中間出現(xiàn)突變現(xiàn)象，并進(jìn)而引起冷媒出口溫度的突變，可能由于結(jié)霜初期霜層強(qiáng)化換熱所致，而隨著時(shí)間進(jìn)行及霜層厚度的增加，換熱效果開始下降。試驗(yàn)進(jìn)行到1 h，換熱量下降4.3%，壓力損失絕對值變化不大(壓力損失68 Pa,換熱量減小20 W)。從圖6可以看出，迎風(fēng)面和背風(fēng)面均有結(jié)霜。迎風(fēng)面相對于背風(fēng)面結(jié)霜較少，背風(fēng)面結(jié)霜較均勻。

3.3 第三類工況試驗(yàn)

微通道換熱器在第三類工況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖7，8所示。由圖7可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，壓力損失呈拋物線增大。在該工況下，因快速結(jié)霜，換熱器換熱量隨壓降呈拋物線下降，沒有出現(xiàn)圖5所示的突變現(xiàn)象。試驗(yàn)進(jìn)行到1 h，換熱量下降66%，壓力損失及換熱損失絕對值量很明顯(壓力損失533 Pa,換熱量減小300 W)。從圖8可以看出，迎風(fēng)面基本未見霜，背風(fēng)面嚴(yán)重霜堵。

(a)濕空氣溫度的變化

(b)低溫冷媒的溫度變化

(c)壓力損失的變化

(d)換熱量的變化

圖7 第三類工況下溫度、壓力損失、換熱量隨時(shí)間的變化

(a)迎風(fēng)面

(b)背風(fēng)面

圖8 第三類工況下試驗(yàn)1 h的換熱器迎風(fēng)面和背風(fēng)面照片

綜合上述結(jié)果表明，在第一類工況下，換熱器壓力損失和換熱量絕對值變化不大，且在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后基本穩(wěn)定不變。由于風(fēng)速吹掃原因，僅在換熱器背風(fēng)面出現(xiàn)液體水不斷疏出。由于這個(gè)過程沒有析霜，因此，這個(gè)工況也可以簡稱為結(jié)露工況。在第二類工況下，迎風(fēng)面和背風(fēng)面均有結(jié)霜，迎風(fēng)面相對于背風(fēng)面結(jié)霜較少。究其原因?yàn)樵囼?yàn)過程中，濕空氣先結(jié)露并在風(fēng)速的吹掃小，在背風(fēng)面凝結(jié)，之后凍結(jié)為霜，因此出現(xiàn)背風(fēng)面結(jié)霜較迎風(fēng)面結(jié)霜較為均勻的現(xiàn)象。因此，這個(gè)工況也可以簡稱為凝露結(jié)霜工況。在第三類工況下，換熱器壓力損失明顯增加，換熱量呈拋物狀下降，在背風(fēng)面出現(xiàn)嚴(yán)重霜堵。究其原因?yàn)樵囼?yàn)過程中，濕空氣先經(jīng)過換熱器迎風(fēng)面溫度迅速降低，并在背風(fēng)面處直接凝華。該工況下，沒有出現(xiàn)凝露現(xiàn)象，直接結(jié)霜。因此，這個(gè)工況也可以簡稱為凝華結(jié)霜工況。上述試驗(yàn)現(xiàn)象與前述結(jié)霜機(jī)理表述吻合。上述結(jié)論表明，作為蒸發(fā)器應(yīng)用的微通道換熱器可以在第一類工況下使用，在第二類工況下需要化霜使用，而對于第三類工況，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及條件下微通道換熱器因嚴(yán)重霜堵則不能使用。

4 結(jié)論

(1)在結(jié)露工況下，換熱器壓力損失和換熱量絕對值變化不大，且在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后基本穩(wěn)定不變(壓力損失11 Pa,換熱量減小27 W )，在換熱器背風(fēng)面出現(xiàn)液體水不斷疏出。作為蒸發(fā)器在該工況下可以使用。

(2)在凝露結(jié)霜工況下，在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后，換熱器壓力損失和換熱量絕對值變化不大(壓力損失68 Pa,換熱量減小20 W)，迎風(fēng)面和背風(fēng)面均有結(jié)霜，迎風(fēng)面相對于背風(fēng)面結(jié)霜較少。作為蒸發(fā)器在該工況下需要化霜使用。

(3)在凝華結(jié)霜工況下，沒有出現(xiàn)凝露現(xiàn)象而直接結(jié)霜，換熱器壓力損失明顯增加(壓力損失533 Pa)，換熱量呈拋物狀下降(換熱量減小300 W)，且在試驗(yàn)進(jìn)行1 h后背風(fēng)面出現(xiàn)嚴(yán)重霜堵。作為蒸發(fā)器在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及條件下微通道換熱器因嚴(yán)重霜堵則不能使用。

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Experimental Research on Frost Performance of MicroChannel Heat Exchanger

SHENG Wei1，2,LIU Peng-peng1,DING Guo-liang2

(1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.Shanghai Jiaotong Univerisity,Shanghai 200240,China)

Frost performance of the micro channel heat exchanger (MCHE) was experimentally investigated according to the dew temperature of moisture air and medium temperature.The results show that,in the dew conditions,the changes of pressure loss and the heat transfer capacity are not obvious,the change values are 11 Pa and 27 W respectively,and water drains out only from the reversed surface of the MCHE.In the dew and frost conditions,the changes of pressure loss and the heat transfer capacity are not obvious,the change values are 68 Pa and 20 W respectively,dew is occurred first,and then frost,the frost on the MCHE surface faced air is smaller than that reversed air.In the sublimation conditions,the changes of pressure loss (the value is 533 Pa) and the heat transfer capacity (the value is 300 W) are obvious,sublimation is occurred，the frost on the MCHE surface faced air is very smaller than that reversed air,and the MCHE is seriously blocked for one hour experiment later.

evaporator;frost;dew point temperature;micro channel heat exchanger;refrigeration performance test

1005-0329(2017)01-0060-06

2016-07-29

2016-07-29

中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M561993);河南省動(dòng)力工程及工程熱物理一級重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目(660415/008)

TH12;TB657

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.011

盛偉(1977-)，男，博士，副教授，主要從事制冷新技術(shù)理論與應(yīng)用的研究，通訊地址：454000 河南焦作市高新區(qū)世紀(jì)大道2001號，E-mail：weisean@163.com。