毛細(xì)管冷凝器用于液冷源小型化的可行性研究

李 健，張烽成，王 輝，徐 軍

（1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州賀斯特科技股份有限公司，江蘇 常州 213127）

1 引言

隨著電子電路的集成化程度的不斷提高和大功率的電子元器件增加，電子設(shè)備體積不斷變小，其熱流密度卻越來(lái)越高，有實(shí)驗(yàn)證明，電子元器件的可靠性程度與溫度高低成反比[1]，所以需要及時(shí)對(duì)電子熱負(fù)載進(jìn)行散熱。在傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，負(fù)載的散熱方式以傳導(dǎo)、自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷為主，隨著電子元器件熱流密度的不斷增大，傳統(tǒng)散熱方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足散熱需求，液冷散熱技術(shù)比空氣冷卻效率高出（100～2000）倍[2]，液冷散熱技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)載電子設(shè)備。相應(yīng)的散熱裝置在散熱能力和體積等方面要求也更加嚴(yán)格。由于液冷源系統(tǒng)包括泵、冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、管路等，部件較多，所以應(yīng)用的主要問(wèn)題是系統(tǒng)的小型化[3-5]。對(duì)制冷系統(tǒng)中的冷凝器進(jìn)行小型化研究，使用毛細(xì)管組進(jìn)行制造冷凝器，以達(dá)到提高換熱量，并縮小換熱器所需空間的目的，對(duì)其尋求過(guò)冷處理方法，進(jìn)一步提高其換熱量，并通過(guò)理論計(jì)算和換熱量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其可行性。

2 毛細(xì)管冷凝器

2.1 毛細(xì)管換熱器介紹

對(duì)于毛細(xì)管冷凝器在制冷中的應(yīng)用，大家最熟悉的莫過(guò)于在建筑節(jié)能方面，使用塑料毛細(xì)管網(wǎng)換熱器作為調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的最新技術(shù)，提高人的生活質(zhì)量，其毛細(xì)管規(guī)格一般為幾個(gè)毫米以上，且換熱介質(zhì)為水。而所要介紹的毛細(xì)管換冷凝器是使用外徑為φ0.7mm，內(nèi)徑φ0.35mm 的金屬質(zhì)毛細(xì)管冷凝器[6]，換熱介質(zhì)為制冷劑R134a。其微小的內(nèi)徑造就了它的換熱秘密，在一定范圍內(nèi)其換熱系數(shù)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的管板翅片換熱器，但是正因如此使得制冷劑在其內(nèi)部的冷凝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，以至于對(duì)毛細(xì)管冷凝器的換熱計(jì)算至今也沒(méi)給出相應(yīng)的定論，只能依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尋求它的換熱規(guī)律。

2.2 毛細(xì)管冷凝器設(shè)計(jì)

使用的毛細(xì)管冷凝器結(jié)構(gòu)為：三排并聯(lián)，單排規(guī)格為集液管中心距L1=300mm，集液管長(zhǎng)L2=124mm，集液管外徑D=11mm，單排毛細(xì)管層數(shù)為4 層，單排毛細(xì)管根數(shù)62 根，每根銅毛細(xì)管外徑為φ0.7×0.183。因使用毛細(xì)管作為換熱器，其單排風(fēng)阻將很小，為節(jié)省設(shè)計(jì)空間，使得結(jié)構(gòu)緊湊，將三排毛細(xì)管進(jìn)行疊層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其正面和側(cè)面，如圖1、圖2 所示。

圖1 毛細(xì)管冷凝器正視圖Fig.1 Capillary Condenser Front View

圖2 毛細(xì)管冷凝器側(cè)視圖Fig.2 Capillary Condenser Side View

2.3 冷凝器制冷量及綜合傳熱系測(cè)定

由于毛細(xì)管內(nèi)徑微小，制冷劑在其內(nèi)部的冷凝過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)其理論換傳系數(shù)的計(jì)算造成了困擾，所以，使用冷量測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)定其實(shí)際綜合傳熱系數(shù)。冷量測(cè)試原理圖，如圖3 所示。

圖3 冷量測(cè)試原理圖Fig.3 Schematic Diagram of the Cold Test

表1 器件選型Tab.1 Selection of Devices

其中所選主要制冷器件及型號(hào)，如表1 所示。

測(cè)試過(guò)程如下：

（1）按照實(shí)驗(yàn)原理圖將測(cè)試系統(tǒng)工裝搭建完成，并放置到圖4 的恒溫測(cè)試庫(kù)中，最后進(jìn)行對(duì)設(shè)備充注R134a 制冷劑。

（2）將恒溫庫(kù)內(nèi)部環(huán)境溫度升高至35.5℃，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度一致。

（3）開(kāi)啟液冷設(shè)備，運(yùn)行10s 后，利用調(diào)壓器將自制的熱負(fù)載功率緩慢調(diào)節(jié)升高，直至整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后（冷凝器出風(fēng)溫度基本穩(wěn)定）保持不變，記錄冷凝器進(jìn)出風(fēng)溫度t1與t2，冷凝器前后壓力表的數(shù)值P1和P2，同時(shí)采用風(fēng)速儀測(cè)量出風(fēng)口風(fēng)速v，記錄數(shù)據(jù)；測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，如圖5 所示。

圖4 恒溫測(cè)試庫(kù)Fig.4 Thermostatic Test Library

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.5 Test Site Map

經(jīng)冷量實(shí)驗(yàn)測(cè)試記錄數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表2 冷量測(cè)試數(shù)據(jù)記錄Tab.2 Cold Test Data Record

整理表2 所記錄的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將v 帶入風(fēng)量計(jì)算式（1）求得冷凝風(fēng)量q。

式中：q—冷凝風(fēng)量；a—通風(fēng)口截面面積；v—風(fēng)速，其中面積a=L1

式中：Q—制冷量；c—空氣比熱；ρ—空氣密度，在環(huán)境溫度35℃，環(huán)境壓力為一個(gè)大氣壓下，取值如下：

c=1.056kg·℃，ρ=1.1m3/kg

計(jì)算得此時(shí)毛細(xì)管冷凝器的制冷量，Q0=0.349kW=349W。

觀察冷凝器前后壓力數(shù)值p1=13.1bar 和p2=11.5bar，分析前后壓力有較小壓差，是因?yàn)橹评鋭┰诿?xì)管換熱器內(nèi)冷凝液化壓力所有減小，并且說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行正常，未出現(xiàn)毛堵等現(xiàn)象，取p1和p2的平均值12.3bar 作為冷凝壓力，通過(guò)查詢(xún)R134a 制冷劑的冷凝壓力與冷凝溫度對(duì)應(yīng)表，得出，在冷凝壓力p=12.3bar 時(shí)，其冷凝溫度t0=50.5℃。

通過(guò)冷凝溫度計(jì)算換熱量的所需計(jì)算參數(shù)和數(shù)值，如表3所示。

表3 換熱計(jì)算參數(shù)Tab.3 Heat Exchange Calculation Parameters

將參數(shù)帶入換熱計(jì)算公式（3）：

式中：A—毛細(xì)管有效換熱總面積；ΔTm—平均對(duì)數(shù)溫差；K—綜合傳熱系數(shù)。

得毛細(xì)管換熱器綜合傳熱系K0=235W/（m2·K），由K0值可知，毛細(xì)管冷凝器的綜合傳熱系數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)使用的管板翅片換熱器（一般換熱系數(shù)為45W/（m2·K）至70W/（m2·K））。

3 毛細(xì)管冷凝器過(guò)冷處理

3.1 過(guò)冷處理理論分析

制冷系統(tǒng)正常循環(huán)時(shí)，冷凝器的出口一般都會(huì)有一定的過(guò)冷度。如果沒(méi)有過(guò)冷度，兩相冷媒中的液體在“液管”中壓力稍有損失，液體就會(huì)閃發(fā)，即飽和液體由于壓力的降低必然會(huì)蒸發(fā)。液體蒸發(fā)會(huì)吸收周?chē)臒崃浚Ｓ嗟囊后w隨之降溫，又達(dá)到相應(yīng)壓力下的飽和溫度，就這樣兩相冷媒邊前進(jìn)，邊閃發(fā)，邊飽和，直到到達(dá)蒸發(fā)器入口。最終到達(dá)蒸發(fā)器的兩相冷媒的干度就會(huì)比設(shè)計(jì)的干度大很多，液相成分減小，就無(wú)法滿(mǎn)足蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，制冷效果當(dāng)然會(huì)降低[7]。所以通過(guò)給我們的毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行過(guò)冷處理，可以減少制冷劑閃發(fā)現(xiàn)象，以達(dá)到進(jìn)一步提高換熱性能，減小冷凝器空間體積的目的。

過(guò)冷的理論過(guò)程可以通過(guò)制冷劑的壓焓圖觀察計(jì)算[8]，如圖6 所示。

為簡(jiǎn)化理論計(jì)算，假設(shè)制冷劑的循環(huán)過(guò)程為理想循環(huán)過(guò)程。圖中橫軸h 為焓值，縱軸lgP 為對(duì)數(shù)壓力，其中表示無(wú)過(guò)冷循環(huán)為：點(diǎn)1 至點(diǎn)2，是壓縮機(jī)對(duì)制冷劑的等熵壓縮過(guò)程，點(diǎn)2 至點(diǎn)4是制冷劑在冷凝器中等壓冷凝過(guò)程，其中穿越的點(diǎn)3 為制冷劑蒸汽開(kāi)始液化的分界點(diǎn)，再由點(diǎn)4 至點(diǎn)5 進(jìn)行等焓節(jié)流，最后經(jīng)過(guò)點(diǎn)5 至點(diǎn)1 的等壓蒸發(fā)完成一次循環(huán)。無(wú)過(guò)冷循環(huán)的冷凝器制冷量，如式（4）所示。

式中：m—制冷劑的質(zhì)量流量；h—該點(diǎn)的焓值。

而圖中的帶過(guò)冷循環(huán)為點(diǎn)1 至點(diǎn)2 等熵壓縮，點(diǎn)2 至點(diǎn)4′制冷劑冷凝為飽和液態(tài)，點(diǎn)4′至點(diǎn)5′制冷劑等焓節(jié)流，最后點(diǎn)5′至點(diǎn)1 進(jìn)行蒸發(fā)吸熱，完成一次制冷循環(huán)。其冷凝器制冷量，如式5 所示。

由式（1）和式（2）聯(lián)立可得冷凝器制冷增加量ΔQ，如式6 所示。

由此，得出理論上合適的過(guò)冷對(duì)冷凝器的換熱性能有顯著的提高。

3.2 毛細(xì)管冷凝器過(guò)冷處理及性能測(cè)定

對(duì)于冷凝器的傳統(tǒng)過(guò)冷處理主要有四種方式：機(jī)械式過(guò)冷、依靠系統(tǒng)自身冷量過(guò)冷、冰蓄冷式過(guò)冷、基于熱電制冷原理過(guò)冷。

傳統(tǒng)使用的四種過(guò)冷方式需要額外增加過(guò)冷裝置或?qū)Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行較大的改動(dòng)，違背使用毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行液冷源小型化的研究目的，所以使用了一種較為簡(jiǎn)單又實(shí)用的過(guò)冷處理方式，即：對(duì)三片毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行排列組合，改變制冷劑在其內(nèi)部的流程[9]，利用風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)迫過(guò)冷，其原理，如圖7 所示。將原先三片毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行兩塊并聯(lián)的作為冷凝區(qū)，制冷劑在冷凝后匯總進(jìn)入過(guò)冷區(qū)進(jìn)行過(guò)冷，然后排出冷凝器。

圖7 毛細(xì)管冷凝器過(guò)冷處理原理圖Fig.7 Schematic Diagram of Capillary Condenser Supercooled Treatment

根據(jù)圖7，我們對(duì)毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行流程的改制，并對(duì)改制后的毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行制冷量及綜合傳熱系測(cè)定，記錄數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 冷凝器過(guò)冷改制后的冷量測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Cooling Test Data After Condenser Over-Cooling

由上表記錄數(shù)據(jù)，將t1、t2、v 帶入式（1）、式（2），計(jì)算得出經(jīng)過(guò)過(guò)冷處理的毛細(xì)管冷凝器制冷量Q1=414W。并且冷凝壓力p=（p1+p2）/2=12.8bar，所以查表得冷凝溫度t0=52℃，因我們只對(duì)毛細(xì)管冷凝器的流程進(jìn)行了改變，所以有效換熱面積A 不變，將測(cè)試數(shù)據(jù)帶入表3，計(jì)算此時(shí)的對(duì)數(shù)平均溫差ΔTm=9.3，將Q1帶入式（3），得過(guò)冷處理的毛細(xì)管冷凝器綜合傳熱系數(shù)K1=273W/（m2·K）。

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

（1）由表4 觀察可知，冷凝端出風(fēng)溫度t2增大，我們推測(cè)其原因是由于制冷劑在過(guò)冷區(qū)充分冷凝為飽和液體，將潛熱釋放出來(lái)，通過(guò)風(fēng)將熱量帶走，從而導(dǎo)致了出風(fēng)溫度的上升。將Q0和Q1進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Qadb 相對(duì)Q0提高了約18%，冷凝器換熱量的增大反向證明了此觀點(diǎn)。

（2）冷凝器壓力p1、冷凝器壓力p2增大，推測(cè)是因?yàn)橹评鋭┝鞒痰母淖儯沟脡毫y(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)生了變化。

（3）將K0和K1對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)K1相對(duì)K0提高了約16%。

（4）測(cè)試使用的工裝、器件與方法不變，消除了系統(tǒng)誤差，提高了數(shù)據(jù)可靠性。

因此得出對(duì)毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行流程改變，使得制冷劑被過(guò)冷處理可以提高毛細(xì)管冷凝器的換熱量和綜合換熱系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

使用毛細(xì)管組制作的銅質(zhì)冷凝器，其換熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)的管板翅片換熱器；在對(duì)毛細(xì)管冷凝器進(jìn)行過(guò)冷處理后，可以進(jìn)一步提高其換熱量和綜合換熱系數(shù)。所研究的毛細(xì)管冷凝器因其高換熱性能，可以使得制冷系統(tǒng)在冷凝器的選型設(shè)計(jì)上提供新的思路，節(jié)省冷凝器的設(shè)計(jì)空間，為液冷源小型化進(jìn)程提供了參考依據(jù)。