微通道蒸發器在室內空調器上的應用研究

郭曉峰，　胡朝發，　陳華康，　曹　勇（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

微通道蒸發器在室內空調器上的應用研究

郭曉峰，胡朝發，陳華康，曹勇
（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519070）

微通道換熱器以高效、低成本等優點在空調上得到廣泛應用，但目前微通道換熱器在蒸發器中應用較少。本文通過對微通道蒸發器與銅管翅片式蒸發器進行實驗測試，旨在對微通道蒸發器優勢及問題進行初步分析。

微通道換熱器； 蒸發器； 室內空調器

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.014

S

0　引言

隨著制冷空調行業的不斷發展，各國能效標準也在不斷升級，同時市場競爭壓力的日益增加，如何提供一個高能效、低成本、穩定可靠的產品成為空調領域新生的一大命題。

近年來，隨著銅價的一路攀升，換熱器降成本已勢在必行。目前換熱器降成本的研究主要有兩個方向：一種是小管徑換熱器的研究，例如￠5管換熱器已經開始應用到家用空調器中；另外一種測試銅材的替代技術，目前行業內研究較多的是鋁代銅方案，如全鋁微通道換熱器。

微通道換熱器作為一種緊湊式高效換熱器，通道直徑減小，利用微通道強化相變傳熱特性強化管內制冷劑對流換熱［1，2］。同時平行流動結構有利于降低空氣側流動阻力從而可減小風扇耗功率［3］，全鋁換熱器結構降低了材料消耗量和材料成本。微通道換熱器在家用和商用空調單冷機上用作冷凝器已顯示出明顯技術優勢，但用于蒸發器時由于均勻分液、凝露及凝結水排除等技術問題，尚處于研究探索之中［4］。筆者以美國戶式中央空調室內機為載體，在A型蒸發器上展開對比實驗測試，分析微通道蒸發器在應用中存在的優勢和問題。

1　測試樣機信息

1.1樣機信息

測試樣機采用變頻美國戶式中央空調系統，額定制冷量2Ton，標準測試靜壓25Pa，一臺室內機采用銅管翅片式蒸發器，另外一臺采用微通道蒸發器，分別搭配同一臺單冷室外機測試。

1.2換熱器參數

根據樣機尺寸和能力設計需求，結合廠家提供的微通道換熱器選型計算軟件及換熱器價格，選用20.6mm扁管的微通道換熱器，微通道換熱器及原機銅管翅片換熱器單片詳細設計尺寸見表1、表2。

微通道蒸發器在外觀、迎風面積等方面與原機翅片式蒸發器基本相同，換熱器外觀照片如圖1所示。同時，為保證測試準確性，對微通道蒸發器兩側及頂部進行密封操作，密封后外觀照片如圖2所示。

表1　翅片管式蒸發器尺寸參數

表2　微通道蒸發器尺寸參數

圖1　微通道換熱器密封前

圖2　微通道換熱器密封后

2　樣機實驗測試方案

樣機試驗測試工況［5］見表3，分別在A2、凝露工況下進行測試分析，對微通道換熱器的風阻、單位迎風面積換熱量、壓降、冷媒分布、凝露及凝結水排除等方面進行確認，具體測試方案見表4。

表3　試驗測試工況

表4　實驗測試方案

為了保證試驗數據的準確性，并針對所需測試的項目，增加微通道蒸發器進出口溫度測點，在蒸發器每一路的進出口布置熱電偶，并利用錫箔紙和線扎使其緊固在扁管表面。同時在蒸發器背風側布置熱電偶，用來測試蒸發器上下出風溫差及左右單片蒸發器出風溫差。并且在蒸發器進出口管路增加壓力測點，用來測試蒸發器換熱壓降。

3　實驗測試及數據分析

3.1風阻對比分析

評定一款換熱器的好壞，風阻是其中一項重要因素。換熱器的風阻越小，同功率下風機的風量就會越高。

試驗數據如圖3所示，在干盤管測試試驗時，微通道蒸發器風量相對銅管翅片式蒸發器風量提升1.03%；名義制冷工況測試時，微通道蒸發器風量相對銅管翅片式蒸發器風量提升1.67%，微通道蒸發器不管在干盤管工況還是名義制冷工況下風量均偏高，說明該尺寸下微通道蒸發器風阻低于銅管翅片式蒸發器。此外，從干盤管工況到名義制冷工況下，微通道蒸發器的風量降低量僅是銅管翅片式蒸發器的69.6%，說明微通道蒸發器在空調制冷時，蒸發器表面凝結水膜面積低于銅管翅片式換熱器。

3.2性能對比分析

評定一款蒸發器的好壞，性能是其決定性的影響因素。蒸發器性能越好，同尺寸下室內空調器的換熱量越高，相對用戶來說空調的性價比就越高。為了更好的描述蒸發器的性能，筆者從以下三個方面進行分析研究。

圖2　風量測試對比

3.2.1蒸發器單位面積換熱量

試驗數據如圖4所示，從圖中可以看出，試驗中微通道蒸發器換熱量是銅管翅片式蒸發器102.5%。通過對比蒸發器分析發現，微通道扁管的外表面積是銅管翅片式換熱器的3～3.5倍，同時內部微通道強化換熱，提高蒸發器的換熱量；另一方面，微通道蒸發器具有更小的風阻，蒸發器的迎面風速更高，強化蒸發器的表面換熱性能。

圖4　換熱量測試對比

3.2.2蒸發器壓降

蒸發器的壓降反饋系統在推動冷媒在蒸發器中蒸發換熱時所需要耗功的多少，一定程度上影響空調器的整機能效。

實驗數據如圖5所示，從圖中可以看出該微通道蒸發器的壓降只有翅片式蒸發器壓降的15.7%，降低了蒸發器的壓降。分析實驗數據微通道蒸發器壓降較低的原因有以下兩個方面：1），由于采用微通道蒸發器后，系統冷媒關注量大大降低，使得空調系統中冷媒循環量減少所引起；2），由于翅片式蒸發器采用噴嘴加毛細管實現蒸發器均勻分液，導致翅片式蒸發器壓降偏大。

圖5　壓降測試對比

3.2.3蒸發器冷媒分布及灌注量

從實驗數據可以看出，采用微通道蒸發器后系統灌注量減少了25%，由于微通道蒸發器利用微尺度效應來強化換熱，內部制冷劑流通截面積減少，限制了制冷劑的流通量，同時微通道蒸發器內部容積要小于銅管翅片式換熱器，可容納的制冷劑體積減少。

從圖7可以發現，微通道蒸發器各個出管溫度呈現先升高后下降的趨勢，并且分路最高換熱溫差接近8℃。從蒸發器結構分析，由于第1路到第9路依次遠離蒸發器入口，所以流路的流動阻力也依次增加，導致前4路制冷劑流通量較多，出口溫度較低。

圖6　制冷劑灌注量對比

圖7　蒸發器出管溫度曲線

3.3凝露及冷凝水排除分析

在凝露工況下，將壓縮機頻率調至額定頻率，穩定運行4h后，檢查內機凝露情況，圖為拍到凝露照片，風機兩側及底部有大量凝露水及很大的水滴，但是靠近蒸發器出口兩側的機殼上沒有任何凝露水，所以從以下兩個方面對凝露問題進行分析。

圖8　蝸殼凝露圖

圖9　微通道結構圖

3.3.1蝸殼表面凝露問題

從圖8來看，蒸發器蝸殼上存在大量凝露水，尤其是在電機一側，同時在蝸殼底部有大量凝露水已匯集成水滴狀，部分凝露水已經滴落。在觀察微通道蒸發器時，發現有較多的凝露水沒有匯集到接水盤內，直接滴落到底部的過濾網上。蒸發器出風溫度分布如圖10所示。

圖10　蒸發器出風溫差

從實驗現象看出，由于靠近蒸發器機殼上并無任何凝露水，所以可以判斷風機上的凝露水并不是由于迎面風速過高將蒸發器表面的凝結水帶至風機表面。

依據測試數據分析，從微通道蒸發器各個分路出口溫差的現象可分析，凝露主要由于以下兩個方面造成：1）由于微通道蒸發器結構所導致，微通道蒸發器分路流向是從左到右，導致微通道蒸發器內制冷劑溫度分布為左冷右熱，使得兩側出風換熱溫差達到5℃以上，當冷熱氣流在蝸殼表面匯集時出現凝露現象；2）受風機結構影響，在風機右側存在直流電機，其橫截面積達到進風口的80%，使得右側風阻明顯高于左側，導致蒸發器右側風量偏低，加劇了左右出風溫差的問題。

3.3.2蒸發器表面凝露水排除問題

由于其蒸發器翅片結構與排水方向垂直導致微通道蒸發器冷凝水排除效率低，出現蒸發器表面水滴匯集滴落。微通道換熱器采用平行流動的扁管代替了銅管鋁翅片換熱器的圓管，增大了凝結水與換熱器間的接觸角和接觸面，凝結水在排除的過程中，粘性力與重力當，排水的速度直到脫落之前幾乎保持同一速度，使得換熱器表面的凝結水不易排除［6］，進而凝露水在蒸發器表面匯集成滴，滴落至過濾網上。若過濾網上長期有凝露水存在，會導致細菌滋生，影響空調空氣質量。

4　結語

以上通過對微通道蒸發器和翅片式蒸發器在室內空調器上的實驗對比發現，在性能方面，微通道蒸發器擁有更高效的傳熱性能、更低的流動阻力、更好的氣流組織；在成本方面，微通道蒸發器擁有更低的材料成本、緊湊的結構設計、更少的制冷劑灌注量。這些優勢的存在不僅可以實現空調器的成本降低，同時也有利于環境的可持續發展。雖然微通道蒸發器存在如此多的優點，但微通道蒸發器在室內空調器上的應用仍存在以下難點需要改善：

（1）換熱器的結構設計：通過研究平行流扁管的方向、翅片的結構及翅片與扁管之間的裝配方式等不同方式組合，尋求提升微通道蒸發器冷凝水排除效率的結構設計，解決凝露水滴落的問題；

（2）蒸發回路設計：微通道蒸發器左進右出的流路結構設計導致左右側出風溫差偏大，通過研究蒸發器結構、分路設計等方面，改善出風換熱溫差，解決空調器的凝露問題。

［1］Westphalen D，Roth K W，Brodrick J.Emerging technologies：microchannel heat exchangers［J］.ASHRAE Journal，2003，45（12）：107～109.

［2］Carrier Inc.Microchannel technology：more efficient，compact，and corrosion resistant technology for aircooled chiller applications［EB/OL］.

［3］Jacobi A M，Park Y，T afti D，et al.An assessment of the state o f art，and potential design improvements，for flat-tube heat exchangers in air conditioning and refrigeration applications-Phase I［R］.ARTI-21 Final Report，2001.

［4］劉納，李俊明，李紅旗.采用微通道換熱器的熱泵型空調器性能研究［J］.制冷與空調，2011，11（4）：96～99.

［5］ARI 210/240-2008，Performance Rating of Unitary Air-Conditioning& Air-Source Heat Pump Equipment［S］.

［6］丁漢新，王利，任能.微通道換熱器及其在制冷空調領域的應用前景［J］.制冷與空調，2011，11（4）：111～115.

tudy of Micro-channel Evaporator Used in Indoor Air-conditioner

GUO Xiao-feng， HU Zhao-fa， CHEN Hua-kang， CAO Yong
（Gree Electric Appliances Inc.of Zhuhai，Zhuhai 519070，China）

Microchannel heat exchanger is widely used in air conditioner for high heat exchange efficiency and low cost，but less used as evaporator.Based on the measured results of micro-channel evaporator and aluminum fin-copper tube evaporator，this study shows the advantage and disadvantage of micro-channel evaporator.

microchannel heat exchanger； evaporator； indoor air conditioner

TM925.1

B

2095-3429（2014）06-0052-04

郭曉峰（1989-），男，山東人，工程師，主要從事商用及特種空調系統研發工作。

2014-12-15

2015-03-09