微通道換熱技術在臥式冷凍柜中的應用

劉高飛 陳國良

（海信家電集團股份有限公司，廣東 順德 528303 ）

0 引言

換熱器是制冷系統主要的傳熱部件，換熱器的好壞直接影響了系統的綜合性能。目前高端立式冷藏陳列柜的制冷系統大多采用銅管鋁翅片蒸發器和冷凝器，管徑普遍采用的是直徑7 mm及以上的銅管，隨著銅資源的日益枯竭，電解銅價格日益攀升，造成產品制造成本居高不下，系統銅材的替代問題引起了行業領域的普遍關注[1]。鋁作為銅材的替代品之一，其價格對穩定、低廉，采用微通道換熱器，可以減少對銅材的依賴，緩解銅材漲價造成的成本壓力。微通道換熱器具有高傳熱系數、高表面積-體積比、低傳熱溫差、低流動助力等優勢，正逐步應用于商用、家用制冷行業。

1 微通道換熱器簡介

微通道，也稱為微通道換熱器，就是通道當量直徑在10 μm～1 000 μm的換熱器。它由集流管、多通道扁管和百葉窗翅片3個部分組成，集流管將不同根數的扁管組合成一個流程，由不同流程組成冷凝器。集流管起分流和合流的作用，同時也是整個冷凝器的結構支架。制冷劑進入微通道冷凝器后，與傳統單進單出冷凝器的區別在于：微通道冷凝器中制冷劑由聯接管道首先進入分流集流管[2]，然后分流至各制冷劑扁管與空氣進行傳熱，最后到合流集流管合成一路，進入下一流程的分流集流管，如圖1所示。

2 微通道換熱器的主要優點

微通道換熱器的集流管中有隔片隔斷，每段管子數量不同，呈逐漸減少趨勢，制冷劑剛進冷凝器時呈氣態，比容大，管子數也較多，隨著制冷劑被冷凝成液體，比容變小，需要的扁管數也相應減少，這樣布置能夠降低制冷劑側的壓降，以此保證制冷劑在冷凝器后半段時仍保持較高的流速和換熱系數[3]。該變流程的設計，可以使冷凝器有效容積得到最合理的利用。銅管鋁翅片換熱器在空氣吹過管道時，通常在管后側形成渦旋死區，換熱面積減小，換熱性能受到了一定的限制，而微通道換熱器，由于運用了扁管，扁管厚度小于銅管，減小了管后側渦旋死區，且扁管換熱長度長于銅管，延長空氣流經扁管的時間，增大了換熱器空氣側換熱效率，如圖2 所示。

在相同運行工況下，制冷劑冷凝溫度和壓力較低，制冷劑流動和換熱增強，總換熱能力有了提高，在相同迎風面積下，微通道換熱器制冷劑側壓降降低，僅為銅管鋁翅片換熱器的20%～30%。整體換熱性能比銅管鋁翅片換熱器高出30%以上。

圖1 微通道換熱器示意圖

圖2 空氣側流程圖

3 微通道換熱器在臥式冷凍柜上的應用

根據國標要求，臥式冷凍柜的主要性能指標有耗電量、儲藏溫度、拉溫速度、冷凍能力等，這幾個指標的好壞直接影響到冷柜的品質和性能，從而影響冷柜的產品競爭力。

要想提升冷柜的性能，在控制成本的前提下，最有效的方式就是優化換熱方式，提升散熱性能，常見的換熱器有蛇管冷凝器、翅片冷凝器、絲管冷凝器、微通道冷凝器，其中蛇管冷凝器和絲管冷凝器換熱效率相對較低，不能滿足性能要求高、換熱量大的產品的要求，只能使用換熱性能更好的翅片冷凝器和微通道換熱器，尤其對于容積超過500 L的臥柜來說，冷凍能力是一個非常重要的指標，如果冷凍能力小，用戶在使用過程中，會經常出現柜內食品凍壞的現象，嚴重影響了客戶對產品的認可度，也對售后維修產生非常不利的影響。

為了對比2種換熱器的優劣利弊，以下實驗將用到的BD-520臥式冷凍柜如圖3所示。

根據標準要求，選定的臥式冷柜產品BD-520，滿足國標3級能效，需要做到耗電量值為1.57 kWh/24 h，分別配用翅片冷凝器和微通道冷凝器，進行測試，并對測試結果進行分析。

圖3 BD-520臥式冷凍柜

3.1 拉溫試驗對比

空載條件下，分別使用翅片冷凝器和微通道冷器，在3個箱體上進行測試，測試結果見表1。

表1 40℃空載拉溫測試結果（測溫點位置：1/2 h）

從表1的測試結果可以得出：

使用翅片冷凝器，空載最低溫度的平均值為：

（-29.3-29.5-29.7）/3= -29.5℃；而使用微通道換熱器，耗電量平均值為：（-31.5-31.0-31.7）/3= -31.4℃。

因此，同等條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，空載最低溫度能降低約1.1℃。

3.2 能耗測試對比

分別使用翅片換熱器和微通道換熱器，在3個箱體上進行能耗對比，測試結果見表2。

表2 25℃耗電量（冷凍）測試結果（單位：kW·h/24 h）

從表2的測試結果可以得出：使用翅片冷凝器，耗電量平均值為：（1.690+1.701+1.692）/3=1.694 kW·h/24 h；使用微通道換熱器，耗電量平均值為：（1.549+1.565+1.540）/3=1.551 kW·h/24 h。

因此，在同等條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，能耗降低約：

（1.694-1.551）/1.694×100%= 8.4%。

3.3 儲藏溫度測試對比

分別使用翅片冷凝器和微通道冷凝器，在3個箱體上進行儲藏溫度對比，測試結果見表3。

表3 40℃儲藏溫度儲藏溫度測試結果

從表3的測試結果可以得出，在溫度相同的條件下，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，在40℃環境下做儲溫測試，壓縮機開停比（按百分比）降低約：（69.5+70.9+70）%/3-（64.3+65.2+64.0）%/3=5.6%。

3.4 冷凍能力對比

分別使用翅片冷凝器和微通道冷凝器，在3個箱體上進行冷凍能力測試，測試結果見表4。

表4 25℃冷凍能力測試結果（負載42 kg到達-18℃）

從表4的測試結果可以得出，使用翅片冷凝器，3臺樣機冷凍能力折合成24 h冷凍能力分為：39.1 kg/24 h，38.8 kg/24 h，39.4 kg/24 h，平均冷凍能力為：（39.1+38.8+39.4）/3=39.1 kg/24 h。

使用微通道換熱器，3臺樣機冷凍能折合成24h冷凍能力為：44.2kg/24h，43.8 kg/24h，44.6 kg/24h，平均冷凍能力為 ：（44.2+48.8+44.6）/3=44.2 kg/24h

因此，使用微通道冷凝器比翅片冷凝器，冷凍能力明顯提升，提升比例為：

（44.2-39.1）/44.2×100% =11.5%。

3.5 冷凝器溫度對比

在40℃高溫環境下，分別測試冷凝器出口溫度，來定性估計冷凝器的散熱性能。冷凝器溫度測試結果見表5。

表5 兩種換熱器冷凝溫度測試結果（40℃環溫）

從表5的測試結果可以得出，同等環境溫度下，使用微通道換熱器比使用翅片換熱器，冷凝器溫度下降了約2℃。

4 結語

通過對比分別使用2種冷凝器測試數據可知，微通道冷凝器具有更高效的換熱效率，冷凝器出口溫度、能耗、壓縮機開停比以及冷凍能力等方面都具有明顯的優化，同時具有微通道尺寸小，重量輕，成本低等優點，在當前節能減排的大背景下，微通道散熱器必將在制冷設備各個領域被廣泛應用。