毛細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.常州大學機械工程學院，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，電子設備體積不斷變小，其熱流密度卻越來越高，有實驗證明，電子元器件的可靠性程度與溫度高低成反比[1]，所以需要及時對電子熱負載進行散熱。在傳統熱設計中，負載的散熱方式以傳導、自然冷卻、強迫風冷為主，隨著電子元器件熱流密度的不斷增大，傳統散熱方式已經無法滿足散熱需求，液冷散熱技術比空氣冷卻效率高出（100～2000）倍[2]，液冷散熱技術越來越多地應用于機載電子設備。相應的散熱裝置在散熱能力和體積等方面要求也更加嚴格。由于液冷源系統包括泵、冷凝器、蒸發器、壓縮機、管路等，部件較多，所以應用的主要問題是系統的小型化[3-5]。對制冷系統中的冷凝器進行小型化研究，使用毛細管組進行制造冷凝器，以達到提高換熱量，并縮小換熱器所需空間的目的，對其尋求過冷處理方法，進一步提高其換熱量，并通過理論計算和換熱量測試實驗，驗證其可行性。

2 毛細管冷凝器

2.1 毛細管換熱器介紹

對于毛細管冷凝器在制冷中的應用，大家最熟悉的莫過于在建筑節能方面，使用塑料毛細管網換熱器作為調節環境溫度的最新技術，提高人的生活質量，其毛細管規格一般為幾個毫米以上，且換熱介質為水。而所要介紹的毛細管換冷凝器是使用外徑為φ0.7mm，內徑φ0.35mm 的金屬質毛細管冷凝器[6]，換熱介質為制冷劑R134a。其微小的內徑造就了它的換熱秘密，在一定范圍內其換熱系數遠高于傳統的管板翅片換熱器，但是正因如此使得制冷劑在其內部的冷凝過程相對復雜，以至于對毛細管冷凝器的換熱計算至今也沒給出相應的定論，只能依靠實驗數據尋求它的換熱規律。

2.2 毛細管冷凝器設計

使用的毛細管冷凝器結構為：三排并聯，單排規格為集液管中心距L1=300mm，集液管長L2=124mm，集液管外徑D=11mm，單排毛細管層數為4 層，單排毛細管根數62 根，每根銅毛細管外徑為φ0.7×0.183。因使用毛細管作為換熱器，其單排風阻將很小，為節省設計空間，使得結構緊湊，將三排毛細管進行疊層結構的設計，其正面和側面，如圖1、圖2 所示。

圖1 毛細管冷凝器正視圖Fig.1 Capillary Condenser Front View

圖2 毛細管冷凝器側視圖Fig.2 Capillary Condenser Side View

2.3 冷凝器制冷量及綜合傳熱系測定

由于毛細管內徑微小，制冷劑在其內部的冷凝過程較為復雜，對其理論換傳系數的計算造成了困擾，所以，使用冷量測試實驗測定其實際綜合傳熱系數。冷量測試原理圖，如圖3 所示。

圖3 冷量測試原理圖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，如表1 所示。

測試過程如下：

（1）按照實驗原理圖將測試系統工裝搭建完成，并放置到圖4 的恒溫測試庫中，最后進行對設備充注R134a 制冷劑。

（2）將恒溫庫內部環境溫度升高至35.5℃，確保實驗環境溫度一致。

（3）開啟液冷設備，運行10s 后，利用調壓器將自制的熱負載功率緩慢調節升高，直至整個系統運行穩定后（冷凝器出風溫度基本穩定）保持不變，記錄冷凝器進出風溫度t1與t2，冷凝器前后壓力表的數值P1和P2，同時采用風速儀測量出風口風速v，記錄數據；測試現場，如圖5 所示。

圖4 恒溫測試庫Fig.4 Thermostatic Test Library

圖5 測試現場圖Fig.5 Test Site Map

經冷量實驗測試記錄數據，如表2 所示。

表2 冷量測試數據記錄Tab.2 Cold Test Data Record

整理表2 所記錄的數據，并進行數據分析。將v 帶入風量計算式（1）求得冷凝風量q。

式中：q—冷凝風量；a—通風口截面面積；v—風速，其中面積a=L1

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

c=1.056kg·℃，ρ=1.1m3/kg

計算得此時毛細管冷凝器的制冷量，Q0=0.349kW=349W。

觀察冷凝器前后壓力數值p1=13.1bar 和p2=11.5bar，分析前后壓力有較小壓差，是因為制冷劑在毛細管換熱器內冷凝液化壓力所有減小，并且說明系統運行正常，未出現毛堵等現象，取p1和p2的平均值12.3bar 作為冷凝壓力，通過查詢R134a 制冷劑的冷凝壓力與冷凝溫度對應表，得出，在冷凝壓力p=12.3bar 時，其冷凝溫度t0=50.5℃。

通過冷凝溫度計算換熱量的所需計算參數和數值，如表3所示。

表3 換熱計算參數Tab.3 Heat Exchange Calculation Parameters

將參數帶入換熱計算公式（3）：

式中：A—毛細管有效換熱總面積；ΔTm—平均對數溫差；K—綜合傳熱系數。

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

3 毛細管冷凝器過冷處理

3.1 過冷處理理論分析

制冷系統正常循環時，冷凝器的出口一般都會有一定的過冷度。如果沒有過冷度，兩相冷媒中的液體在“液管”中壓力稍有損失，液體就會閃發，即飽和液體由于壓力的降低必然會蒸發。液體蒸發會吸收周圍的熱量，剩余的液體隨之降溫，又達到相應壓力下的飽和溫度，就這樣兩相冷媒邊前進，邊閃發，邊飽和，直到到達蒸發器入口。最終到達蒸發器的兩相冷媒的干度就會比設計的干度大很多，液相成分減小，就無法滿足蒸發器的蒸發量，制冷效果當然會降低[7]。所以通過給我們的毛細管冷凝器進行過冷處理，可以減少制冷劑閃發現象，以達到進一步提高換熱性能，減小冷凝器空間體積的目的。

過冷的理論過程可以通過制冷劑的壓焓圖觀察計算[8]，如圖6 所示。

為簡化理論計算，假設制冷劑的循環過程為理想循環過程。圖中橫軸h 為焓值，縱軸lgP 為對數壓力，其中表示無過冷循環為：點1 至點2，是壓縮機對制冷劑的等熵壓縮過程，點2 至點4是制冷劑在冷凝器中等壓冷凝過程，其中穿越的點3 為制冷劑蒸汽開始液化的分界點，再由點4 至點5 進行等焓節流，最后經過點5 至點1 的等壓蒸發完成一次循環。無過冷循環的冷凝器制冷量，如式（4）所示。

式中：m—制冷劑的質量流量；h—該點的焓值。

而圖中的帶過冷循環為點1 至點2 等熵壓縮，點2 至點4′制冷劑冷凝為飽和液態，點4′至點5′制冷劑等焓節流，最后點5′至點1 進行蒸發吸熱，完成一次制冷循環。其冷凝器制冷量，如式5 所示。

由式（1）和式（2）聯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冷對冷凝器的換熱性能有顯著的提高。

3.2 毛細管冷凝器過冷處理及性能測定

對于冷凝器的傳統過冷處理主要有四種方式：機械式過冷、依靠系統自身冷量過冷、冰蓄冷式過冷、基于熱電制冷原理過冷。

傳統使用的四種過冷方式需要額外增加過冷裝置或對結構系統進行較大的改動，違背使用毛細管冷凝器進行液冷源小型化的研究目的，所以使用了一種較為簡單又實用的過冷處理方式，即：對三片毛細管冷凝器進行排列組合，改變制冷劑在其內部的流程[9]，利用風進行強迫過冷，其原理，如圖7 所示。將原先三片毛細管冷凝器進行兩塊并聯的作為冷凝區，制冷劑在冷凝后匯總進入過冷區進行過冷，然后排出冷凝器。

圖7 毛細管冷凝器過冷處理原理圖Fig.7 Schematic Diagram of Capillary Condenser Supercooled Treatment

根據圖7，我們對毛細管冷凝器進行流程的改制，并對改制后的毛細管冷凝器進行制冷量及綜合傳熱系測定，記錄數據，如表4 所示。

表4 冷凝器過冷改制后的冷量測試數據Tab.4 Cooling Test Data After Condenser Over-Cooling

由上表記錄數據，將t1、t2、v 帶入式（1）、式（2），計算得出經過過冷處理的毛細管冷凝器制冷量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℃，因我們只對毛細管冷凝器的流程進行了改變，所以有效換熱面積A 不變，將測試數據帶入表3，計算此時的對數平均溫差ΔTm=9.3，將Q1帶入式（3），得過冷處理的毛細管冷凝器綜合傳熱系數K1=273W/（m2·K）。

3.3 數據分析與結論

（1）由表4 觀察可知，冷凝端出風溫度t2增大，我們推測其原因是由于制冷劑在過冷區充分冷凝為飽和液體，將潛熱釋放出來，通過風將熱量帶走，從而導致了出風溫度的上升。將Q0和Q1進行對比，發現Qadb 相對Q0提高了約18%，冷凝器換熱量的增大反向證明了此觀點。

（2）冷凝器壓力p1、冷凝器壓力p2增大，推測是因為制冷劑流程的改變，使得壓力測試點數據發生了變化。

（3）將K0和K1對比，我們發現K1相對K0提高了約16%。

（4）測試使用的工裝、器件與方法不變，消除了系統誤差，提高了數據可靠性。

因此得出對毛細管冷凝器進行流程改變，使得制冷劑被過冷處理可以提高毛細管冷凝器的換熱量和綜合換熱系數。

4 結語

使用毛細管組制作的銅質冷凝器，其換熱性能優于傳統的管板翅片換熱器；在對毛細管冷凝器進行過冷處理后，可以進一步提高其換熱量和綜合換熱系數。所研究的毛細管冷凝器因其高換熱性能，可以使得制冷系統在冷凝器的選型設計上提供新的思路，節省冷凝器的設計空間，為液冷源小型化進程提供了參考依據。