制冷空调用换热器的高效传热技术(上)
发布日期:2023-06-10 16:25:36

制冷空调技术的出现使得人类掌握了自主调节温度变化、创造人工环境的能力,已成为决定现代社会中食品安全、卫生健康、芯片技术、航空航天、高科技船舶、新能源汽车等重要科技领域发展水平的必不可少的支撑技术。制冷空调设备的生产和使用消耗了大量的材料和能源,如空调的使用可消耗城市峰值用电的60%,通过制冷空调装置优化设计实现其节能节材,是减少碳排放的重要环节。

制冷空调的基本原理是,将热量从某一环境中移除,实现该环境的温度降低;被移除的热量,需要转到另一环境中,导致该环境的温度上升。在这些热量的转移过程中,用到的热量传递设备就叫换热器。换热器是制冷空调装置中不可缺少的组成部分。目前应用的制冷空调装置,绝大多数采用蒸气压缩式制冷循环,其工作原理是,通过蒸发器吸热,达到制冷效果;通过压缩机将制冷剂压缩后实现温度上升;通过冷凝器将温度较高的制冷剂的热量向外传递;通过节流元件实现高温高压制冷剂的降压降温,使其再次具备制冷能力。压缩式制冷循环需要4个核心部件,即蒸发器、压缩机、冷凝器和节流元件,号称制冷4大件。蒸发器和冷凝器均为换热器,即换热器在压缩式制冷循环4大件中占了一半。

笔者以采用蒸气压缩式制冷循环的制冷空调装置作为对象,介绍其中的换热器技术及发展动态。换热器型式选择时,考虑选用使用量最大的换热器型式,以及有更为先进和有发展前景的换热器型式。

1   制冷空调装置对于换热器的要求

实际制冷空调装置除了蒸发器、压缩机、冷凝器、节流元件,还需要有其他部件协同工作。图1所示为构成一个典型的热泵型空调器的主要部件及影响各自发挥的主要因素。蒸发器用于实现制冷剂的冷量向空气传递,其中空气的流动依靠风机,风机由电机驱动;冷凝器是散热部件,其风机用于输送空气与冷凝器进行热交换,并由电机驱动;压缩机用于压缩蒸发器出来的制冷剂气体并排向冷凝器,现在主流的空调压缩机都是变频压缩机,带有变频器,用于实现压缩机转速调节;节流装置用于控制制冷剂流量大小;国内销售的空调器绝大多数是热泵型空调器,依靠四通阀使得制冷剂流向切换,以分别实现制冷与制热功能。

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1   热泵型空调器性能的主要影响因素

制冷空调装置的基本性能要求包括:足够的冷热量、能效高。对于冷热量提升,蒸发器和冷凝器承担冷热量的传递,无疑是最直接的影响部件。对于能效提升,关注的重点大多会放到压缩机、风机这些直接耗能部件上。但针对产品的调研发现,目前压缩机和风机的效率都已经做到很高,比如它们的电机效率可以达到90%以上,所以提升的空间有限。换热器虽然不直接用电,但其传热温差的存在导致系统不可逆损失的发生。空调器在标准制冷工况下,蒸发器可以存在高达15 ℃以上的传热温差,冷凝器存在约10 ℃的传热温差,若与传热温差为零时理想情况相比,能效有70%以上的提升潜力。因此,换热器的换热能力是提升制冷空调装置性能的关键。

制冷空调用换热器,最多的用途是用于实现制冷剂与空气间的热量传递;例如房间空调器中的蒸发器与冷凝器。由于空气的导热系数非常低,这类换热器的换热性能提升重点是增强空气侧的换热能力;采用在空气侧加大换热面积是常用手段。空调器中最常用的换热器型式是翅片管式换热器,管内走制冷剂,管外流过空气;管外设置很多换热翅片,用于增大换热面积,以弥补空气侧换热系数低的不足。

制冷空调用换热器,也有大量用于实现制冷剂和载冷剂间的热量传递,以及载冷剂和空气间的热量传递。在集中式空调系统中,制冷剂先通过换热器将冷量传递给载冷剂(水是最常用的载冷剂),再通过载冷剂送到各个房间与空气进行热交换。载冷剂的传热能力远大于空气,而与制冷剂相对接近;这使得用于制冷剂与载冷剂之间热交换的换热器型式,与制冷剂与空气之间热交换用的换热器型式有很大的不同;但载冷剂与空气之间热交换的换热器型式,与制冷剂与空气之间热交换较为接近,可以采用相同的换热器型式。

换热器的性能要求包括传热能力强、流体压降小,并且力求在使用这些换热器的制冷空调装置的所有运行工况下都能做到。对于空调用翅片管式换热器,最基本的工况是制冷剂与换热器外部的空气在干工况下进行热交换。此时翅片管式换热器的传热能力不如微通道换热器。但换热器实际使用时,作为蒸发器的换热器经常处于湿工况下,即外部空气经过蒸发器时温度下降到露点以下而有水分析出;析出的水可能会堵塞换热器空气侧的一些强化换热结构,严重时可使整个空气流道发生堵塞。在析湿工况下,翅片管式换热器比微通道换热器更容易排水。结霜会严重影响换热器正常运行,并且是热泵型空调器很难避免的运行工况。热泵型空调器运行中还有可能在换热器中发生结冰现象,使得换热器结冰部分失去换热能力。灰尘堵塞也会使得换热器无法正常换热。换热器腐蚀会导致其性能下降,若导致制冷剂泄漏,则制冷空调装置会失效。

因此,合适的换热器型式与功能要求相关。按照使用要求,可能需要在干工况、湿工况、结霜工况、结冰工况,以及积灰、腐蚀等多种情况下进行综合考虑。下面笔者将针对以上要求,选取有代表性的换热器型式,介绍其关键技术及发展趋势。

2   翅片管式换热器

翅片管式换热器是目前应用最广泛的换热器型式,由换热管与换热翅片构成,主要用于制冷剂与空气的换热。家用空调器的蒸发器和冷凝器基本上都采用翅片管式换热器。图2a)所示为分体式空调器室内机中常见的I型换热器,图2b)所示为分体式空调器室外机中常见的L型换热器,图2c)所示为换热翅片结构。

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2   翅片管式换热器结构

翅片管式换热器的主要材料是:换热管用铜管,换热翅片用铝片。铜和铝是2种重要的金属材料,铜的换热性能好于铝;但近年来,明显的铜价高、铝价低的价格变化趋势,使得制冷空调企业都有通过铝代铜实现降成本的想法。在换热翅片上较早实现了用铝代铜,但是用铝管代替铜管还不普遍,其中的主要原因是铜比铝的耐腐蚀性强。换热翅片发生腐蚀时,即使个别地方发生蚀透,只是导致性能下降,整个制冷空调机组仍能继续工作;但换热管只要有一个小点发生蚀透,就会发生制冷剂泄漏,导致整个制冷空调机组完全失效。

翅片管式换热器的热阻主要是在空气侧,强化空气侧换热能力主要是加强空气流过换热翅片时的扰流。在这种思路下,换热翅片的结构从平片、波纹片向着桥片、百叶窗等开缝结构型式发展,并且开缝结构有着越来越复杂化的趋势。图2c)中所示的翅片均为开缝翅片,其开缝结构(图中从左至右)变得更密、更复杂。

在换热翅片设计过程中,需要考虑众多的影响因素,选择最优的参数组合。需要考虑的主要因素包括翅片的长宽尺寸、开缝形式和开缝参数。图3所示为换热翅片的设计步骤。翅片设计中的一个难点是保证换热能力在析湿工况下仍较优。

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3   换热翅片的设计步骤

笔者团队开发了模拟翅片析湿过程的软件,可以用于优化翅片设计。图4所示为百叶窗翅片的结构设计,可见,优化前的结构会出现液桥阻塞开缝结构的情况。通过析湿仿真可以了解不同开窗角度下的析湿、形成液桥、不出现液桥等多种情况,从而可以设计出最有利的结构。

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4   考虑析湿工况的翅片结构优化

对于翅片管式换热器制冷剂侧换热的强化,基本思路是在换热管内壁设置强化传热结构,主要是采用微肋形式增大制冷剂与换热管的接触面,同时增强对制冷剂的扰动。采用强化传热管会导致换热管的加工成本上升。但近年来,随着铜材料价格的上升和强化管加工技术的成熟,强化管相对于光管具有明显的优势,换热器基本上采用强化传热管。

为了使得翅片管式换热器在同样体积内具有更高的散热能力,除了优化翅片形式与铜管壁面,还有一个重要的发展方向,是采用更小管径的换热管。我国房间空调器开始批量生产时,换热管的外径为9.52 mm,后续下降到7 mm,现在的着力点是将管径下降至5 mm及以下。换热管细径化的一个好处是能够减少铜的消耗量,降低换热器成本。管径缩小,可使换热管的耐压强度增大,有利于减小铜管壁厚,节省铜材料。另外,管径的缩小还有利于减少制冷剂的充注量。充注量的减少,可以减小制冷剂对于环境的影响;对于易燃型环保工质(如R290)的应用,则是直接降低了危险性。

换热管细径化带来一系列的技术挑战,例如换热器胀管时破损率的提升。换热管直径扩大,会使得换热管在长度方向产生收缩。管径越小,胀管带来的相对形变就越大,收缩就越明显。管径较大时,这种收缩效应很小,就允许其自由收缩。但当管径达到5 mm及以下时,这种收缩造成换热器成品质量严重下降。解决该问题的思路之一是,采用强制式无收缩胀管工艺,不允许换热管自由收缩,从而保证换热器的成品率。图5所示为强制式无收缩胀管工艺的原理图。

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5   强制式无收缩胀管工艺原理

3   微通道换热器

用尽可能小的体积实现大的换热量,即换热器具有高的紧凑性,这是换热器性能的一个重要指标。为了提升翅片管式换热器紧凑性,需要采用较小管径的换热管。虽然5 mm管的应用已经规模化,如果需要进一步通过降低管径提升紧凑性,需要在加工工艺等方面继续做很大改动,会导致经济性变差。微通道换热器与翅片管式换热器一样适用于制冷剂与空气的热交换,但具有更高的紧凑性。

6所示为微通道换热器的结构,分别为换热器结构原理图、实物照片图以及扁管照片。与翅片管式换热器相比,微通道换热器采用的是扁管,每个扁管中有很多小孔,即相当于包含了很多细管径的流道,这些流道可以是圆流道、方流道或者更复杂的流道形式,其当量直径大多在1 mm以下。扁管可以采用多种金属材料和加工工艺完成,目前最为成熟的金属材料为铝材;采用挤压工艺,一次成型形成多个细管径的流道,加工较为简单。与采用铜管铝翅片的翅片管式换热器相比,全铝的微通道换热器具有更好的紧凑性,有利于减轻质量。目前汽车热管理中基本采用全铝微通道换热器,主要是因为汽车中的空间有限且对于质量敏感。

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6   微通道换热器结构

全铝微通道换热器被扁管分成几层,每层之间放入换热翅片,上下层之间的换热翅片不连通。这会造成在析湿工况下析出的水分没有办法像翅片管式换热器一样通过上下连通的翅片向下流。考虑到微通道换热器紧凑性高的优势以及翅片管式换热器翅片上下连通带来排水性能好的特点,有研究人员提出一种插片式微通道换热器,如图7所示。插片式微通道换热器与常规微通道换热器结构相似之处,均由集流管、微通道扁管和翅片组成。插片式微通道换热器中微通道扁管两侧具有口琴型结构,通过口琴型开口结构与翅片进行卡合固定,使得翅片和扁管能够充分接触,从而降低接触热阻。插片式微通道换热器翅片结构和常规微通道换热器翅片结构有所不同,翅片具有从传热面延伸至扁管外部的导流结构,该具有导流结构的翅片由模具冲压而成,可使冷凝水顺着该结构流到散热器外部,工作原理如图8所示。

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7   新型插片式微通道换热器结构

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8   两种微通道换热器排水性能对比

上述微通道换热器虽然结构紧凑,但用于蒸发器时,存在严重的制冷剂分配不均匀的问题。传统的圆柱式分配器制冷剂分配不均的原因,主要是两相流制冷剂在分配器内形成不规则的流型,并且在分配器顶部出现严重的气液分离现象,如图9a)所示。这会导致上部换热器部分可能进入较多的制冷剂气体,从而基本不再有换热能力;下部换热器部分进入过多的制冷剂液体,从而无法完全蒸发。笔者的改进思路是,将两相流流型重整为均匀的离散泡状流,从而实现制冷剂的均匀分配。具体实现方法为,采用内置隔板使两相制冷剂在分配器内形成规则的离散泡状流型,并且采用循环流道避免分配器顶部出现气液分离的现象,如图9b)所示。

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9   微通道换热器用分配器结构

4   板式换热器

对于制冷剂与载冷剂进行热交换,2种热交换介质的导热系数相差有限,因此一般不在某一个热交换介质侧特别加装换热翅片。对于大型集中式空调,制冷剂与载冷剂之间进行热交换用的换热器型式,以往基本采用管壳式换热器,换热管内走一种流体,管外走另外一种流体。但是管壳式换热器的体积较大。对于紧凑性要求高的场合,现已大量采用板式换热器。

10所示为板式换热器的结构示意图。换热器主体部分由冲压成型的换热板组成,冷热流体在换热板形成的通道间交替流动,实现2种流体间的换热,流体进出口的接管可根据用户需要安放在端板或底板上。换热板四周的焊接线内形成传热板两侧的冷、热流体通道,冷热流体通过板壁进行热交换。在相同换热负荷情况下,板式换热器的体积、质量及所需的制冷剂充注量远远小于管壳式换热器。

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10   板式换热器结构示意图

换热板波纹对于板式换热器的热力性能起到最主要的影响作用。换热板可以被冲压成很多种波纹形式,现有超过60种形式的换热板波纹,其中V形波纹是常用和简单的波纹形式。近年来,点波波纹的板式换热器逐渐成为常用的产品。图11所示为点波和V形板片结构及形成的通道。点波波纹流动通道的结构比人字波波纹流动通道结构更加复杂,对流体的扰动效果更佳明显,换热系数更高,但流动阻力更大。

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11   板式换热器的板片型式

板式换热器除了作为制冷空调装置中的换热器使用,近年来还大量用作经济器。图12所示为板式换热器作为经济器在制冷系统中的安装位置及压-焓图。经济器安装于冷凝器之后,通过制冷剂自身节流蒸发吸收热量从而使另一部分制冷剂过冷,使其具有更大的过冷度。对于低温热泵工况,采用板换经济器和喷液增焓压缩机相配合的方式,不仅可以提高机组低温制热能力(使制热量提升40%)、扩大机组运行范围(在低温环境-20 ℃的情况下可提供50 ℃的热水),而且可以提高系统运行能效、降低运行费用。

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12   板式换热器作为经济器的示意图和压-焓图


本文选自《制冷与空调》2023年4月刊57-66页

作者:丁国良


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