張永利 金甜甜 高福學(xué)

微通道冷凝器在城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)上的應(yīng)用

張永利 金甜甜 高福學(xué)

（山東朗進科技股份有限公司，266071，青島∥第一作者，工程師）

在城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)機組翅片管冷凝器的基礎(chǔ)上，對微通道冷凝器的應(yīng)用進行了研究。結(jié)果表明：采用微通道冷凝器，機組制冷劑充注量降低27.27%；同壓縮機頻率下，機組制冷量和能效比分別上升1.12%和5.73%，制熱量和能效比分別下降20.46%和5.85%；微通道冷凝器結(jié)霜快而均勻，多次結(jié)、除霜后換熱器邊角處有積霜現(xiàn)象。

軌道交通；車輛空調(diào)；變頻熱泵；微通道冷凝器

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市軌道交通車輛空調(diào)向著輕量、低噪、節(jié)能高效的方向發(fā)展。冷凝器作為車輛空調(diào)中的主要部件，是研究的主要方向?，F(xiàn)有的城市軌道交通車輛空調(diào)用冷凝器多為翅片管式冷凝器，存在質(zhì)量大、成本高、接觸熱阻較大等問題。與傳統(tǒng)翅片管式冷凝器相比，微通道冷凝器具有高效緊湊、節(jié)能降本、抗腐蝕性良好及可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點［1］，在汽車空調(diào)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但將其用于城市軌道交通車輛熱泵空調(diào)還存在著結(jié)霜融霜、流程分配及臟堵等技術(shù)問題，因此還處于探索研究階段。

本文以城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)為參照，探討微通道冷凝器應(yīng)用于城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)的可行性及存在的問題，為城市軌道交通車輛空調(diào)中微通道冷凝器的后續(xù)研究提供試驗依據(jù)。

1 微通道冷凝器

1.1 概述

微通道冷凝器是指傳熱通道的當(dāng)量直徑為10～200 μm的冷凝器。對于相變傳熱，研究表明，當(dāng)流道尺寸小于3mm時，隨著管徑的減小，重力、表面張力和界面剪切力的相對重要性將發(fā)生變化，導(dǎo)致管內(nèi)凝結(jié)和沸騰換熱機理不同于普通管道，氣液兩相流型及其轉(zhuǎn)化規(guī)律也將顯示出明顯的尺度效應(yīng)，通道越小，這種尺寸效應(yīng)將越明顯。當(dāng)管內(nèi)徑小到0.5～1.0 mm時，對流換熱系數(shù)可增大50%～100%。

文獻［2］發(fā)現(xiàn)，在保持換熱面積一定的情況下,采用微通道冷凝器可以使熱泵型空調(diào)器的制冷和制熱的能效提高20%以上。文獻［3］發(fā)現(xiàn)，微通道冷凝器用于3HP柜式家用空調(diào)時，制冷量提高0.8%，系統(tǒng)COP（系統(tǒng)制冷能效比）提高5.2%。文獻［4］發(fā)現(xiàn)，制冷量不變時，采用微通道冷凝器可以使客車空調(diào)冷凝器質(zhì)量減少70%，制冷劑充注量減少29%。文獻［5］發(fā)現(xiàn)，對于熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，采用微通道冷凝器，制冷量和制冷系數(shù)分別降低4.1%～10.7%和1.7%～4.8%，制熱量和性能系數(shù)分別降低1%～5%和4.2%～9.7%。文獻［6］發(fā)現(xiàn)，排水較差的微通道樣件在5個運行周期后，由于結(jié)霜影響，性能下降27%。

1.2 換熱器樣件

本文以參照機組的冷凝器為模板，在同換熱量的情況下進行了微通道冷凝器的優(yōu)化設(shè)計。

原機組冷凝器采用翅片管式冷凝器，單個系統(tǒng)制冷量為17.5 kW。翅片管冷凝器的流程分布及出風(fēng)方向見圖1，單個系統(tǒng)的冷凝器制冷劑分路為22進12出。

圖1 翅片管冷凝器流程圖

在原機組的性能試驗中發(fā)現(xiàn)，冷凝器安裝后，上、下風(fēng)場不均勻，上側(cè)較好而下側(cè)受阻，因此將微通道冷凝器的流程設(shè)計為下進上出模式，雙排設(shè)計。兩種冷凝器的外觀對比圖見圖2。

圖2 兩種冷凝器外觀對比

由于工藝條件限制，微通道冷凝器由兩個小尺寸冷凝器拼接而成。冷凝器扁平管的兩頭分別與集管相連，集管內(nèi)通過隔板將微通道冷凝器分割為多個流程，單個微通道冷凝器的流程分布見圖3。圖中，數(shù)字表示每路流程中包含的扁管數(shù)。單個系統(tǒng)冷凝器制冷劑分路為10進10出。兩者的性能對比見表1。

圖3 單個微通道冷凝器流程圖

表1 冷凝器參數(shù)對比

2 試驗設(shè)備

2.1 空調(diào)機組

試驗用空調(diào)機組為城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)機組，其制冷量為35 kW，制熱量為18 kW。冷凝器更換為微通道后的系統(tǒng)圖見圖4。

圖4 微通道冷凝器空調(diào)系統(tǒng)圖

由圖4看出，車輛空調(diào)機組主要由兩個獨立的制冷系統(tǒng)組成，主要部件包括：壓縮機、微通道冷凝器、電子膨脹閥、翅片管蒸發(fā)器、氣液分離器及四通閥等。

2.2 試驗設(shè)備

試驗根據(jù)TB 1804—2009［7］中的風(fēng)洞式空氣焓差法進行，原理圖見圖5。被試機組放在室外側(cè)實驗室內(nèi)，在機組室內(nèi)側(cè)空氣出口處裝有空氣流量測量裝置。實驗室的測試精度如表2所示。

圖5 風(fēng)洞式空氣焓差法試驗原理圖

表2 實驗室測試精度

試驗中，在壓縮機和冷凝器的前后布置熱電偶，以對比更換冷凝器前后制冷系統(tǒng)的高低壓力以及吸氣、排氣溫度。

2.3 試驗項目及工況

試驗內(nèi)容包括：①額定制冷工況下，兩機組制冷能力對比；②額定制熱工況下，兩機組制熱能力對比；③除霜工況下，微通道冷凝器機組的結(jié)霜及除霜均勻性。

試驗工況見表3。

表3 試驗工況 ℃

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 制冷劑充注量影響

更換微通道冷凝器后，對機組的制冷劑充注量進行了試驗匹配，制冷劑為R407C。翅片管冷凝器機組冷媒充注量為單系統(tǒng)4.4 kg。

圖6為系統(tǒng)制冷量及能效比隨單系統(tǒng)冷媒充注量的變化。首次充注量為原系統(tǒng)充注量的50%。

圖6 系統(tǒng)制冷量及能效比隨制冷劑充注量的變化

從圖6可以看出，隨著制冷劑充注量的增加，系統(tǒng)的制冷量和能效比隨之增加。當(dāng)單系統(tǒng)充注量從3.1 kg增加至3.2 kg時，兩者的增長趨勢趨于平緩，功率上漲。試驗中發(fā)現(xiàn)，此時系統(tǒng)高壓增加0.1 MPa。因此得出：機組的最佳冷媒充注量為3.2×2 kg。相較于翅片管冷凝器機組，單系統(tǒng)制冷劑充注量降低1.2 kg，下降幅度為27.27%。

3.2 制冷對比

制冷對比試驗在控制壓縮機頻率及電子膨脹閥開度的情況下進行。其性能對比見圖7。

圖7 翅片管及微通道冷凝器機組額定制冷性能對比

由圖7可以看出，同等條件下，微通道的額定制冷能力及能效比均優(yōu)于翅片管。壓縮機頻率為69 Hz時，微通道冷凝器機組的制冷量比翅片管冷凝器機組的制冷量上升0.40 kW，能效比上升0.13，上升幅度分別為1.12%和5.73%；壓縮機頻率為70 Hz時，微通道冷凝器機組的制冷量比翅片管冷凝器機組的制冷量上升0.42 kW，能效比上升0.19，上升幅度分別為1.17%和8.00%；壓縮機頻率上升1 Hz，微通道冷凝器機組的制冷量上升，能效比不變；翅片管冷凝器機組的制冷量上升，能效比下降。

從以上對比可看出，在換熱面積相差不大時，微通道冷凝器機組的制冷性能優(yōu)于翅片管冷凝器機組。

3.3 制熱對比

制熱對比試驗在控制壓縮機頻率及電子膨脹閥開度的情況下進行。其性能對比見圖8。

圖8 翅片管及微通道冷凝器機組額定制熱性能對比

由圖8可以看出，同等條件下，微通道的額定制熱能力及能效比均差于翅片管。壓縮機頻率為59 Hz時，微通道冷凝器機組的制熱量比翅片管冷凝器機組的制熱量下降4.09 kW，能效比下降0.10，下降幅度分別為20.46%和5.85%；壓縮機頻率為60 Hz時，微通道冷凝器機組的制熱量比翅片管冷凝器機組的制熱量下降2.47 kW，能效比下降0.04，下降幅度分別為15.53%和2.48%；壓縮機頻率上升1 Hz，微通道冷凝器機組的制熱量和能效比均上升，但仍低于翅片管冷凝器機組；翅片管冷凝器機組的制熱量和能效比下降。

從以上對比可看出，在換熱面積相差不大時，微通道冷凝器機組的制熱性能差于翅片管冷凝器機組。其原因主要有兩個方面：①低溫工況下，微通道冷凝器易結(jié)霜，影響其制熱性能；②微通道冷凝器風(fēng)阻比翅片管冷凝器大，相同冷凝風(fēng)機的情況下，兩者的換熱風(fēng)量不同，影響其制熱性能。以上兩點需對微通道冷凝器改制后再進行模擬及試驗驗證。

3.4 除霜情況

軌道交通車輛空調(diào)的除霜模式為四通閥換向逆向除霜。除霜過程中微通道冷凝器機組的性能曲線見圖9。圖中，波動幅度較大的曲線表示機組的制熱能力，大幅度下降處表示機組的除霜過程。

圖9 微通道冷凝器機組除霜性能曲線

由圖9可以看出：試驗中微通道冷凝器機組共進行了3次除霜，基本按照設(shè)定除霜條件進行，除霜間隔40 min，單側(cè)除霜時間4 min；隨著霜層的增加，微通道冷凝器機組的制熱能力下降，除霜結(jié)束后，制熱能力回復(fù)到原位，并進行新一輪的循環(huán)。

圖10和圖11分別表示微通道冷凝器的40 min積霜和5 min結(jié)霜圖。圖12和圖13分別表示微通道冷凝器1次除霜和3次除霜后的狀態(tài)。

圖10 微通道冷凝器40 min積霜圖

圖11 微通道冷凝器5 min左右結(jié)霜圖

圖12 微通道冷凝器1次除霜圖

圖13 微通道冷凝器3次除霜圖

從圖10～13可以看出：①微通道進入結(jié)霜快而均勻，約5min左右可看見霜層；40min左右霜層厚度較均勻，零星區(qū)域無霜；② 第1次除霜結(jié)果較佳，基本無殘留霜層；3次除霜后，有積霜現(xiàn)象，邊角處出現(xiàn)明顯分區(qū)。

其原因主要有以下3方面：①風(fēng)場不均，在制熱運行過程中，邊角處風(fēng)場較差，積霜程度不同；②除霜過程中，微通道主要依靠上方霜化后的水流帶走下方霜層，邊角處位置水流難以達到；③除霜周期較長，除霜時間較短，不能完全除霜。以上3項將在后續(xù)試驗中對微通道冷凝器進行模擬分析優(yōu)化設(shè)計后，再進行試驗驗證。

4 結(jié)論

本文在翅片管冷凝器城市軌道交通車輛變頻熱泵空調(diào)機組的基礎(chǔ)上，進行了微通道冷凝器機組性能的試驗對比研究，主要有以下結(jié)論：

（1）相同換熱面積情況下，微通道冷凝器的厚度小于翅片管冷凝器；微通道機組的制冷劑充注量降低27.27%。

（2）同壓縮機頻率下，微通道冷凝器機組的制冷性能優(yōu)于翅片管冷凝器機組，制冷量和能效比分別上升1.12%和5.73%。

（3）同壓縮機頻率下，微通道冷凝器機組的制熱性能差于翅片管冷凝器機組，制熱量和能效比分別下降20.46%和5.85%。

（4）微通道冷凝器結(jié)霜快而均勻，單次結(jié)、除霜較徹底；多次結(jié)、除霜后冷凝器邊角處有積霜現(xiàn)象。

綜上所述，將微通道冷凝器應(yīng)用于軌道車輛空調(diào)仍具有較大優(yōu)勢，尤其是單冷機組上。更進一步需要研究的是：微通道冷凝器風(fēng)阻風(fēng)量的模擬優(yōu)化及試驗驗證；除霜周期的最優(yōu)選擇，制熱性能的進一步優(yōu)化；微通道冷凝器用作蒸發(fā)器的可能性。

［1］ 任能.微通道換熱器在制冷空調(diào)行業(yè)應(yīng)用進展綜述［C］∥中國制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集.北京：中國制冷學(xué)會，2009.

［2］ 劉納，李俊明，李紅旗.采用微通道換熱器的熱泵型空調(diào)器性能研究［J］.制冷與空調(diào)，2011，11（4）：96.

［3］ 王穎，徐博，陳江平，等.微通道換熱器用于家用柜機空調(diào)時整機性能的對比實驗研究［J］.制冷學(xué)報，2015，36（1）：24.

［4］ 劉運科.微通道換熱器在客車空調(diào)器上的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2016，16（2）：12.

［5］ 巫江虹，謝方，劉超鵬，等.電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)微通道換熱器適應(yīng)性研究［J］.機械工程學(xué)報，2012，48（14）：141.

［6］ XU B，HAN Q,CHEN J P，et al.Experimental investigation of frost and defrost performance of microchannel heat exchangers foe heat pump systems［J］.Applied Energy，2013（103）：180.

［7］ 中華人民共和國鐵道部.鐵道客車空調(diào)機組：TB/T 1804—2009［S］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Application of Micro-channel Condenser on Heat Pump Air-conditioning Unit for Rail Transit Vehicle

ZHANG Yongli，JIN Tiantian，GAO Fuxue

Based on the VF heat pump air conditioner of urban rail transit vehicle with finned tube condenser，the application of micro-channel condenser is investigated.The result shows that the micro-channel condenser system could reduce the refrigerant charge of air conditioner system by 27.27%compared with the finned tube condenser.With the same compressor frequency,the capacity and EER(energy efficiency ratio)of air conditioner are increased by 1.12%and 5.73%，while its heat and COP(coefficient of performance)are decreased by 20.46%和5.85%respectively.The micro-channel condenser could frost quickly and evenly,but the frost will deposit at the corners after several cycling times.

rail transit vehicle；vehicle air-conditioning；VF heat pump air conditioner；micro-channel condenser

TQ051.6+1；U270.38+3

10.16037/j.1007-869x.2017.11.007

Author′s address Shandong Longertek Technology Co.，Ltd.，266071，Qingdao，China

2016-10-18）