毛細管型微通道冷凝器流程布置及管路分布優化

林 偉馬 雷陳昊宇王 輝

（1.無錫職業技術學院控制技術學院；2.常州大學機械工程學院）

微通道換熱器的工程背景來源于20世紀80年代高密度電子器件的冷卻和20世紀90年代出現的微電子機械系統的傳熱問題［1］。它不僅可以強化管內傳熱，而且可以提高管道的耐壓能力［2］。因此，國內外許多學者對微通道換熱器用作冷凝器進行各方面的研究［3］。

所謂微通道換熱器，較為通行、直觀的定義是水力直徑小于1mm的換熱器［4，5］。微通道換熱器可選用的材料有：聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4及鋁等［6］。最傳統的微通道換熱器是平行流式微通道換熱器，主要由隔板、矩形管道、翅片及集流管等組成，隨后逐漸出現了毛細管型、不銹鋼型等多種形式的微通道換熱器［7］。根據集流管處是否分段可分為單元式和多元式。單元微通道冷凝器只有一個流程，多元微通道冷凝器分為多個流程，每個流程所包含的管數不同，效果也有差異［8］。因此筆者基于控制變量法原則分別從微通道冷凝器的流程布置和管路分布兩方面進行研究，尋求冷凝器最佳制冷方案。

1 主要元器件的選型及實驗方法

1.1 風冷空調系統的原理

如圖1所示，風冷空調系統由冷凝器、蒸發器、壓縮機、膨脹閥、低壓開關、內循環風機及外循環風機等元器件組成。其制冷原理是：制冷劑在壓縮機中被壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣，進入風冷式冷凝器（文中為毛細管型微通道冷凝器）中冷卻。經過冷卻，制冷劑由高溫高壓過熱蒸氣冷凝為低溫高壓的液體。這種經過冷卻后的制冷劑液體進入毛細管或膨脹閥等節流裝置中進行節流和減壓，然后進入蒸發器。蒸發器中的制冷劑先是氣、液共存，后變為飽和蒸氣，最后變為低壓過熱蒸氣。氣化后的制冷劑蒸氣返回壓縮機中，如此周而復始進行循環。

圖1 風冷空調系統的組成示意圖

冷凝器和蒸發器可統稱為換熱器，只是在制冷過程中作用不同。冷凝器中的制冷劑蒸汽冷凝散熱，通過外循環風機將熱量送出室外，而蒸發器中的制冷劑液體蒸發吸熱對空氣進行冷卻，通過內循環風機將冷量送入室內。

1.2 風冷空調系統主要元器件的選型

筆者主要研究風冷空調系統中的毛細管型微通道冷凝器，其材料為銅，由集流管、毛細管（外徑0.70mm、內徑0.33mm）、隔板及加強筋等組成。在實驗過程中，除毛細管型微通道冷凝器之外，其余設備的元器件保持不變，依據以下選型組裝風冷空調系統：

壓縮機 谷輪壓縮機ZR28 K3E-PFJ

膨脹閥 丹佛斯TEN2-04

內循環風機 施樂百RH25V-2EP.WD.1R，風量1 220m3/h、200Pa

外循環風機 EBM S2E300-AP02-30，風量2 550m3/h、120Pa

制冷劑 R134a

充注量 1 200g

1.3 實驗步驟

具體實驗步驟如下：

a.按照實驗原理搭好實驗箱（圖2）。風冷空調通過送、回風道與負載箱連接，風道、負載箱做保溫處理（包裹好保溫棉）。在蒸發器進出風口安裝溫度傳感器，在冷凝器進出口安裝壓力傳感器，以便記錄。

圖2 實驗箱結構示意圖

b.將實驗箱內部環境溫度升高至35℃，確?？照{設備實驗環境溫度一致。利用調壓器將負載箱內部的加熱器調節發熱功率為4kW。

c.開啟空調設備，待運行穩定后（蒸發器進出風溫度基本穩定），分別記錄蒸發器進、出風溫度T2與T1（每隔5～10min記錄一組數據，共計5組）。同時，采用風速儀測量出風口風速V，并記錄數據。

d.整理數據，計算空調設備的制冷量Q（Q=cρV（T2-T1），其中c為空氣比熱容，ρ為空氣密度），最后的統計數據取5組數據的平均值。

在之后的實驗中，保持其余元器件不變，將不同的流程布置和管路分布的毛細管型微通道冷凝器安裝到空調設備上再按上述方法測試和記錄數據。

2不同流程布置的影響

在本實驗中，通過制冷系統的初步計算和以往的實驗經驗，需要保證毛細管型微通道冷凝器的總層數為227層不變，層與層之間中心間距為2mm，每層4根毛細管，管與管之間中心間距為2mm，單根長度480mm，并且為保證換熱量充足，需3臺相同布置的毛細管型微通道冷凝器并聯工作。

基于上述條件，對毛細管型微通道冷凝器的流程進行重新布置，布置的原則是盡量保證相鄰兩流程的壓力降接近。流程數量越多，相同的冷凝劑流過的流程越多，傳熱系數和換熱量隨之升高，但同時也會帶來更大的壓力損失。

按金字塔的模式布置毛細管型微通道冷凝器的流程，具體見表1。

表1 流程布置

圖3a、b分別表示了采用5種流程毛細管型微通道冷凝器時空調系統的制冷量和制冷劑側壓降的變化情況。從圖3a可知，流程數量由1到3變化時，風冷空調系統的制冷量由3.36kW迅速增加到4.13kW，流程數量由3到5變化時，風冷空調系統的制冷量由4.13kW上升到4.17kW，但上升的幅度十分微小。說明通過增加毛細管型微通道的流程數量，延長單位制冷劑的散熱時間，增大換熱系數，可在一定程度上提升系統的制冷量。但是過多的流程卻沒能產生太大作用，這是因為隨著流程數量的增加，制冷劑側壓降也迅速增加（圖3b）。因此，選擇較為合理而有效的流程數對毛細管型冷凝器和整個系統的制冷性能優化有著十分重要的意義。

圖3 制冷量和制冷劑側壓降隨流程數量的變化

綜合考慮制冷量和制冷劑側壓降，本實驗中選擇三流程的毛細管型微通道冷凝器（圖4）最合理。

圖4 三流程毛細管型微通道冷凝器示意圖

3 不同管路分布的影響

基于流程布置實驗選定三流程的毛細管型微通道冷凝器，同時保證管路的總層數227層不變。通過改變每個流程的管路層數，來比較相同流程數量、不同管路分布的毛細管型微通道冷凝器對空調設備的制冷量和制冷劑側壓降的影響。

本實驗中，將227層管路分為表2所示的幾個管路分布方案進行實驗。

表2 管路分布

其中，方案4、5的管路分布與方案2、1的相反，因此只需將方案2和1毛細管型微通道冷凝器旋轉180°即可。

通過實驗數據統計，得到各個方案下的制冷量和制冷劑側壓降如圖5所示。因為各方案的管路分布不同，所以冷凝器中的過熱區、兩相區和過冷區的長度也不同，導致了制冷量和制冷劑側壓降的變化。

結合圖5a、b可以看出，5種方案制冷量的波動幅度相對較小，其中方案2的換熱能力最強。相比于制冷量，5種方案的壓降變化幅度較大。其中方案2（金字塔型）的壓降最小，其次是方案3，接著是方案1、5，而方案4的壓降最大。因此，綜合考慮制冷量和制冷劑側壓降，本實驗中方案2最優，即金字塔型管路分布（130、65、32）。

圖5 不同管路分布方案中制冷量和制冷劑側壓降的變化

4 結論

4.1 在管路總數和長度不變的情況下，隨著流程數量增加，制冷量會出現不同程度的增大，但同時制冷劑側壓降也會增大。因此，綜合兩方面的因素，實驗中所用的毛細管型微通道冷凝器采用三流程布置為最優。

4.2 在保證三流程布置、管路總數和長度不變的情況下，改變每個流程的管路數量。通過實驗所得數據對比，各方案制冷量變化不大，但制冷劑側壓降的變化比較大，所以綜合考慮，選擇方案2也就是金字塔型管路分布（130、65、32）。