Ｎｏ．９，２０１４， Ｖｏ１．３３（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２８） 文章编号：ＩＳＳＮ１００５—９１８０（２０１４）０３—０４４一Ｏ６ 全铝微通道换热器在空调中的应用 周子成 ［摘要］ 近年来，全铝微通道换热器在空调中的应用获得了成功，使空调器提高了效率，降低了成本。 本文综述全铝微通道换热器在空调中应用的结构、传热和试验。 ［关键词］微通道；换热器；传热准则 ［中图分类号］ＴＢ６５７．５；ＴＫ１７２ ［文献标示码］Ｂ ｄｏｉ：１０．３６９６／Ｊ．ＩＳＳＮ．１００５—９１８０．２０１４．０３．０１０ Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｌｌ・－－ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｉｎ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ＺＨＯＵ Ｚｉｅｈｅｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ａｐｐｒｏｖｅｄ ｔｏ ｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅ— ｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｌｌ—ａｌｕｍｉｎｕｍ ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｒｅ ｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ；Ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ １ 引言 近年来，虽然铜管铝翅片的换热器在空调中的 国密苏里设有工厂，在２０１３年销量增长５０％。美 国开利早期在屋顶机中采用微通道换热器，近期开 始应用于冷水机组。而约克、特灵、大金也已在美 应用仍是主流，但是由于铜材价格不断上涨，制造 国市场的屋顶机标准产品中使用微通道换热器。在 日本，最早是柯罗那在一些Ｅｃｏ Ｃｕｔｅ热泵热水器 中使用，２０１２年１月２６日，大金推出了Ｚｅａｓ系列 商已经开始寻求采用铝管来降低成本。铝管和铝翅 片冷凝器的应用已经有１０余年的历史。２０世纪７０ 年代，美国ＧＥ公司和开利的子公司Ｂｒｙａｎｔ公司已 经在空调室外机中使用。然而，铝管和铜连接管的 现场焊接是一个难题，因而全铝换热器并未获得广 ５ＨＰ热泵空调系列使用全铝微通道换热器。室外机 从原来的８０ｋｇ降至５９ｋｇ。２０１３年７月８ Ｅｔ，三菱 电机宣称从２０１３年１０月１ １３起，在Ｇｒａｎ系列 ＶＲＦ多联机中的１５个机型室外机中采用扁平管换 热器。传热效率提高３０％。８ＨＰ机的ＡＰＦ达到 泛应用。全铝微通道换热器改进的技术进步，使它 在空调中获得了新的应用，在２００８年，Ｌｕｖａｔａ和 Ｄｅｌｐｈｉ两家公司开始商业化销售微通道换热器，开 利和其他制造商开始在空调中采用它，现在，主要 的日本汽车空调制造商如电装（Ｄｅｎｓｏ），三电 （Ｓａｎｄｅｎ）和我国制造商如三花、盾安等都批量生 产全铝微通道换热器。三花丹佛斯在浙江杭州和美 ５．９，是业界最高的效率。 浙江三可热交换系统有限公司设计开发的微通 道冷凝器和蒸发器在制冷量为２．５冷吨的户式 空调与铜管翅片换热器的对比试验表明，采用微通 道换热器后换热器重量减少４０．８％，制冷剂充注 收稿日期：２０１４—７—８ 作者简介：周子成（１９３５一），男，教授，主要从事制冷空调的理论研究和新产品设计。Ｅｍａｉｌ：ｚｉｃｈｅｎｇｚｈｏｕ＠１６３．ｃｏｎ 第３３卷第３期（总１２８期） 量减少５０．７％，系统性能提高６％以上。 ２ ０ １ ４年９月 制 冷 值得重视的。一是微通道换热器的合理结构，二是 微通道换热器的换热关联准则式，三是建立微通道 虽然全铝做通道换热器在汽车空调中应用已有 ２０余年，但在制冷空调中的应用只是近几年的事， 因为它需要解决更多的难题，其中主要是热泵型机 组室外机在寒冷气候时的结霜和除霜问题。 换热器完善的换热试验装置。 ２ 结构 通常将直径在０．００１Ｉｌｌｎｌ到１ｍｍ的通道称为徽 通道。 全铝微通道换热器比传统的铜管铝箔换热器主 要有以 优点：（１）效率高，（２）制冷剂充灌量 少，（３）换热器只有一种金属，容易回收利用， （４）腐蚀较慢。 微通道换热器的结构主要由阴部分组成： （１）具有多条并联微通道的管板，（２）连接多块 管板进、出端的进、出集管，（３）管板之问的扩 展表面， （４）连接进、出集管的制冷剂锏铝接 管。图１示ⅢＪ 一种空调用蒸发器和冷凝器的结 构例子。 全铝微通道的传热关系是换热器没计的关键技 术，已公佰的资料尚不够系统完整，本文将综述了 部分准则关系式 、 微通道换热器在空调领域的应用，有 方面是 （ｂ） 管 制冷制进 （ｄ） 图１ 做通道换热器的结构 （ａ）蒸发器；（ｂ）冷凝器；（Ｃ）冷凝器结构示意 ；（ｄ）和（ｅ）扩腱表面结构示意图。 ３ 俜执 微通道的传热过程取决于传热表面积 ，它 与微通道直径Ｄ或液力直径Ｄ 呈线性变化，另一 方面，微通道的流量取决于微通道的横断面积４ｃ， 它随Ｄ 呈线性变化，因此，传热表面积与容积之 比Ａｓ／Ｖ随１／Ｄ而变化，当Ｄ减小时，Ａｓ／Ｖ增大。 对于一个微通道在层流区，传热系数ｈ与微通道直 径呈反比变化，即ｈ ｏｃ １／Ｄ。当直径减小时，传热 系数增大，如图２所示。 垛 蕞 迎 ｍ数量级 ｍｍ数量级 通道宽度或直径，Ｄ 图２微通道直径Ｄ对传热系数ｈ的影响（在层流区） ３．１微通道中单相流的流动摩擦系数．厂和泊肃叶 数（Ｐｏ） 摩擦系数（．厂）是表面粗糙度的度量，并且影 响压力降（△ｐ）和传热系数（ｈ），泊肃叶数 （Ｐｏ）是在流体流动中代表完全发展的层流摩擦数 值的度量，对于常规管道它们具有如下关系： Ｐｏ＝ｆＲｅ＝Ｃ （１） 其中ｃ是常数，取决于流道的几何形状，对 于常规的层流，Ｐｏ通常于雷诺数Ｒｅ，对于 圆管，与达西摩擦系数和雷诺数的乘积保持为定 值，即Ｐｏ＝ｆ Ｒｅ＝６４。在传热中通常使用摩擦 系数或范宁摩擦系数（ｃ，），而在流动分析中通 常使用达西摩擦系数（１厂），它们之间的关系是－厂 ＝４ 。 一般地说，在微通道中的－厂是大于常规管道中 的，但各种文献中说法不一，有大于、等于或小于 常规中的说法。 在圆管或非圆管的湍流流动中，常规光滑管著 名的布拉休斯准则式如下： Ｎｏ．９，２０１４， Ｖｏ１．３３（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２８） ０ ．３１６＝ 或 ＝０ ．０７ ９１ （２） ， ／ （如 ）＝ＡＲｅ ＝（０．０９２９＋ ）Ｒｅ（－ｏ．２６２－０． ３２９３ （３） ／ …ｆ（，ｎ ）称为表观范宁摩檫系数，适用于发 达的和发展中的湍流流动。 是干度，Ｄ是流道直 径。 Ｙｕ—ｔａｎｇ Ｃｈｅｎ得出了实验的摩擦系数公式： ‘厂： ，一 Ｌ １ （４）、 ， ｐｆ Ｖｊ 式中： ｇ 一单位换算因子，ｇ ＝１．０，ｋｇｍ／Ｎｓ ； △ｐ一进、出口问的压降，Ｐａ； ａｐ：Ｋ （５） ｇ Ｄ 一微通道的水力直径，ｍ； 一流道长度，ｍ； ｐ厂制冷剂的密度，ｋｇ／ｍ。； 一制冷剂的流速，ｍ／ｓ； Ｋ一压降系数 Ｃｈｏｉ等人得出了湍流流动中的摩擦系数与雷 诺数之间的关系式： ，：０．１４０Ｒｅ一。・ 在各种文献报告中，．厂有不同的值，在微通道 的厂是常规厂的０．５至５倍。 ３．２微通道中单相流的临界雷诺数Ｒｅ 经典的圆形管内流动的Ｉ临界雷诺数是Ｒｅ。 ＝ ２３００。通常当Ｒｅ＞２３００时开始从层流向湍流转变。 在微通道内的流动中，多数报告是层流开始转变时 的Ｒｅ ＜２３００，某些报告是当通道的液力直径减小 时，开始转变得早。另外有些报告是转变出现较 晚，发生在Ｒｅ≥２５００．一些作者报告认为在圆形 微通道中转变的临界雷诺数在２３００＜Ｒｅ＜３０００， 在矩形管中２１００＜Ｒｅ＜２７００．完全发展成湍流流动 时在Ｒｅ＞４０００。 ３．３微通道中单相流的努赛尔数（Ｎｕ）传热特性 在微通道中，努赛尔数通常是较高的，一些作 者认为Ｎｕ类似于＿厂、Ｐ０、Ｒｅ的趋势。在层流区， Ｎｕ是与雷诺数的０．３到１．９６次方成正比，在湍流 区，一些作者建议采用Ｄｉｔｔｕｓ—Ｂｏｅｌｔｅｒ关系式或 Ｇｎｉｅｌｉｎｓｋｉ准则式按下式估算微通道的Ｎｕ数： 第３３卷第３期（总１２ ０ １ ４年９月 ２８期） 制 Ｎｕ＝ＮｕＧ （１＋Ｆ） （６ａ） 式中： Ｆ－７．６×１０ Ｒｅ［１一（ ）］ ＝ ， Ｎｕ：１．８６（ＲｅＰｒ） ／。（＿Ｏｈ） 。 （８ａ） ０．１１６５（ （ （８ｂ） Ｎｕ＝［Ｎｕｌ ＋０．７ ＋（Ｎｕ２—０．７） ＋Ｎｕ３ ］ ６ ５（Ｒｅ Ｐｒ ＝（ （ ｒ Ｎｕ：１．８６Ｒｅ。１ Ｐｒ １ ，（ ） 。（ ） （９ａ） 冷 ４７ Ｎｕ＝０．００８０５ Ｒ４‘ （９ｂ） Ｈｉｈａｒａ和Ｓａｉｔｏ提出了Ｒ２２／Ｒ１ １４混合物在水 平管蒸发时的如下两相换热准则式： Ｎｕ ＝０．０２３［Ｒｅ（１一ｘ）ｒ Ｐｒ （１０ａ） Ｎｕ＝Ｎｕｌ［ｃ Ｂ。１０ ＋ｃ２㈦ ］（１０ｂ） 其中Ｃ 、Ｃ 、Ｃ，取决于混合制冷剂的混合百 分比。 之后，Ｈｉｈａｒａ等又提出了一个Ｒ１２／Ｒ２２和 Ｒ１ １４／Ｒ２２混合物在水平管的如下实验准则式： Ｎｕｌ［Ｂｏｌ０ ３（ 】（１１） Ｋａｎｄｌｉｋａｒ提出了一个如下准则式： Ｎｕ＝Ｃ１ ｃ ｚ（２５Ｐｒ）Ｃ５＋Ｃ３ Ｂ０ Ｆ （１２） 其中ｃ 、Ｃ２、Ｃ，、ｃ４、Ｃ５是流量的函数。 和 是与蒸发和对流有关的准则数，Ｆ 是弗劳得数。 Ｂ。＝ｑＡｉ 一 —ｐ ｇ Ｄ 式中： ｑ 一临界热流，Ｗ／ｅｒａ ； Ｇ一质量流速，ｋｇｍ。／ｓ； ｉ一焓，Ｊ／ｋｇ； ｇ一重力加速度，９．８１ ｍ／ｓ ； Ｐ 和Ｐｌ一蒸汽和液体的密度，ｋｇ／ｅｍ。。 Ｋｌｉｍｅｎｋｏ使用了２１种流体得出了下列准则 式： Ｎｕ＝。．。８７［Ｒｅ 一 ］ ： （ ） 。（ ） ∞ （１３） 式中 和Ｋ 是蒸汽和液体的导热系数。 Ｃｈａｔｐ等提出了在进口有相变时的蒸发和冷凝 的准则式，其冷凝准则式如下： Ｎｕ＝０．０２３［Ｒｅ（１一 ）］ ｐｒｏ ｇ（Ｘ）（１４） 式中： ｇ（ ）： （１５） 式中 是Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉ参数， 是干度。 ３．６ ＣＯ：超临界区的传热准则式 表１综合了在ｃＯ 超临界区的传热准则式 。 Ｎｏ．９，２０１４， Ｖｏ１．３３（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１２８） ４测试微通道换热器的试验装置 图３给出了一个独特的风洞试验装置的例子， 试验箱的内截面积在ｘ—Ｙ平面上与周围环境无热 保温层。 在试验箱进口Ａ—Ａ’断面和出口Ｂ—Ｂ’断 面上开设许多小孑Ｌ，以便测量空气流速和温度型面 分布。在试验箱顶部还开有两个小孔，以便使用数 交换。因而，只有微通道内的流体与流过的空气进 行热交换。为了测量风｝同进口的空气流速，在ｘ— Ｙ平面上设置毕托管与热电偶。毕托管ｉ贝０出的静压 与全压连接到高精度数字风管校正器，以及数据采 集系统和空气流压差传感器。图４示出了测量部分 的示意图。试验箱３０５ｍｍ×３０５ｍｍ，Ｚ方向（气流 方向）的长度为６１０ｍｍ。试验箱具有厚壁并带有 字湿度传感器测量空气流的湿度。试验箱顶部有一 个较大的门，用以安装微通道换热器试件。风洞在 没有阻碍物时空气最高流速可达到３ｍ／ｓ，在有试 样时最高流速可达到１７ｍ／ｓ。风洞内设有一个热交 换器，依靠流过的热水或冷水，对空气提供补充的 加热量或制冷量。 热丝风速计被安装在风洞的上游，用于监测和 第３３卷第３期（总１２８期） ２ ０ １ ４年９月 制 冷 —呲 Ｘ ■ 吣 ■ ＜ 微通ｌ道换ｌ ｌＪ 一 假 热器Ｉ ｌ＋ｚ ＰＧ５ ＰＮｌ 矮 匮 ＢＶ７ 二二二— ——善 ． ＰＮＲＶ ＭＦ 艟 堇 图 Ｂ Ｖ ． ＩＦＭ叶轮流量计 。热器 ＇针ＩＪＮＪ阀，２￣“ … ｃＨ ｃＤ ＰＦＭ数字流量计 喜 “控 堡 、． ＡＴＭ ＦＢＭ ＢＶ１ ０嚆 图３试验微通道换热器的风洞试验箱 毕托静压管 ＾压输出信号。除了测量断面上的湿度传感器是单独 Ａ 一，— ． 输出和处理以外，其他所有输出信号都联接到数据 采集系统。 ｐｌ－ ｌ￣！ｚ ｆ 、 日 》 ＾ ＜ 媛 ５ 结论 全铝微通道换热器不仅有优良的传热性能，而 且显著降低了材料成本，最近已在空调换热器上获 得了成功的应用。国内已有较成熟的生产技术，使 微通道换热器在空调器中的规模化使用成为可能， 是一种有发展前途的新型换热器。 、▲ｐ ｈ×： 测量Ｖａ和Ｔａ分布 面的孔 －～ 图４风洞试验箱的测试部分结构 补充测量中心线上的空气流速。 在进口和出口断面上安装了两个温度测量网 格，以便精确测量通过风洞微通道换热器的空气流 的温度，在进口断面（Ａ—Ａ’）上有等距离的３× ３＝９个网格点，在出口断面（Ｂ—Ｂ’）有５×５＝ ２５个网格点。校正的温度探头安装在每个网格点， ６参考文献 ［１］Ｍｅｓｂａｈ Ｇ．ｋｈａｎ ｅｔ ａ１．，Ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ ｈｅａｔ ｅｘ— ｃｈａｎｇｅｒ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１ １ ［２］Ａｎｋｅ Ｈａｌｂｒｉｔｔｅｒ ｅｔ ａ１．，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，２００２ ｓｐｒｉｎｇ ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｎｅｗ Ｏｒｌｅａｎｓ，ＬＡ． 连接到自动测量的数据采集装置。 一个液体处理系统可以是闭式或开式，泵从水 箱吸取液体并泵送到加热设备和微通道换热器，热 的液体传热给流过微通道换热器的冷空气，然后返 回水箱或排至大气。 一［３］Ｒ．Ｒ．Ｒｉｅｈｌ ｅｔ ａ１．，Ｃｏｍｐａｉｒｓｏｎ ｏｆ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｃｏｒｒｅｌａ— ｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ——ａｎｄ Ｔｗｏ——Ｐｈａｓｅ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ Ｆｌｏｗｓ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｏｌｉｎｇ 个１２８通道的数据采集装置可以接收电压、 ［４］Ｊ．Ｐ．Ａｌｄａｎａ ｅｔ ａ１．，Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｈｅａｔ Ｆｌｕｘ ｏｆ ＣＯ２ ｉｎ ａ Ｍｉｃｒｏ— ｃｈａｎｎｅｌ ａｔ Ｅｌｅｖａｔｅｄ Ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ＡＣＲＣ ＴＲ一 １９５，２００２ 电流和频率信号，为了获得设备和测量的同质化， 所有测量和传感器选用电压激励型，并要求只是电
