雙流程微通道蒸發(fā)器傳熱性能及流量分配特性分析

劉澤棟 陳 華 * 孫 帥

(1 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

(2 天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300134)

1 引言

微通道蒸發(fā)器通道尺寸為10—1 000 μm,它的使用源于20 世紀(jì)電子器件的傳熱以及冷卻問(wèn)題,其主要結(jié)構(gòu)包括集管、扁管、翅片3 個(gè)部分,兩根集管之間通過(guò)扁管相連,扁管之間焊有百葉窗翅片。第一流程的扁管數(shù)與第二流程的扁管數(shù)之比稱(chēng)之為扁管比。制約微通道蒸發(fā)器在制冷空調(diào)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是微通道換熱器的制冷劑流量分配不均。研究者對(duì)提高微通道蒸發(fā)器換熱性能開(kāi)展了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究[1-3],提升其換熱性能主要有3 個(gè)方式:強(qiáng)化空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱;增大換熱面積;增大空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的平均溫差。由于缺少對(duì)第三種方式的研究,所以通過(guò)優(yōu)化扁管的流程布置,可以有效增加空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的平均溫差,從而提升換熱性能。而改變對(duì)扁管的流程布置核心為改變扁管比。目前,雖然已充分測(cè)試了微通道蒸發(fā)器在不同翅片參數(shù)下?lián)Q熱性能[4-6],但是對(duì)扁管比和制冷劑質(zhì)量流量對(duì)換熱性能影響的研究較少,本文主要采用實(shí)驗(yàn)研究的方法,通過(guò)搭建微通道蒸發(fā)器換熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),探究不同扁管比和制冷劑流量條件下,扁管流量分配特性、制冷劑壓降,微通道蒸發(fā)器壁面溫度,空氣側(cè)出口溫度及相對(duì)濕度,制冷劑流量分配不均勻度等變化規(guī)律,分析在不同扁管比及制冷劑質(zhì)量流量對(duì)微通道蒸發(fā)器的換熱性能的影響規(guī)律。

2 實(shí) 驗(yàn)

如圖1 所示,微通道蒸發(fā)器強(qiáng)化換熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械隔膜式計(jì)量泵、套管換熱器、冷水機(jī)組、微通道蒸發(fā)器、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)液桶以及質(zhì)量流量計(jì)等設(shè)備組成,制冷劑選擇R134a,經(jīng)由機(jī)械隔膜式計(jì)量泵提供動(dòng)力,隨后進(jìn)入套管換熱器1 與冷凍水進(jìn)行換熱,降溫后的液相制冷劑進(jìn)入微通道蒸發(fā)器并與風(fēng)道的空氣進(jìn)行換熱,隨后制冷劑吸熱升溫后進(jìn)入套管換熱器2 中的冷凍水進(jìn)行換熱,使制冷劑溫度降低后進(jìn)入儲(chǔ)液桶,最后經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)測(cè)量后進(jìn)入泵的入口,循環(huán)周而復(fù)始。其中各測(cè)量?jī)x器參數(shù)及精度如表1 所示。

表1 測(cè)量?jī)x器及精度Table 1 Specification of the measuring instruments

圖1 微通道蒸發(fā)器傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖Fig.1 Schematic diagram of experimental rig for micro-channel evaporator heat transfer performance test

本實(shí)驗(yàn)所采用的翅片式鋁制雙流程微通道蒸發(fā)器共有44 根扁管,其中0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器第一流程中的扁管數(shù)分別為18、20、21 根,第二流程中的扁管數(shù)分別為26、24、23 根,由蒸發(fā)器底部至頂部依次從小到大對(duì)扁管編號(hào)。如圖2 所示,扁管比為0.7 時(shí),在第一流程中每間隔4 根扁管布置測(cè)溫點(diǎn),選擇2、6、10、14、18 號(hào)扁管來(lái)代表第一流程;在第二流程中每間隔5 根扁管布置測(cè)溫點(diǎn),選擇22、27、32、37、42 號(hào)扁管來(lái)代表第二流程,每根扁管每隔10 mm 設(shè)置1 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。制冷劑流量變化范圍為30—70 kg/h,在3 種扁管比條件下分別進(jìn)行5 組實(shí)驗(yàn)。

圖2 扁管比為0.7 時(shí)微通道蒸發(fā)器溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Layout of temperature measuring points of microchannel evaporator under 0.7 flat tube ratio

為了描述制冷劑流量分配平均程度,以紅外熱像儀拍攝得到的微通道蒸發(fā)器的壁面溫度分布來(lái)近似表征流量分配情況,即采用壁面溫度不均勻度S[7]來(lái)表示,分別如式(1)、(2)所示。其為無(wú)量綱相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方差,表達(dá)各數(shù)據(jù)偏離平均值的程度。

式中:S為不均勻度,無(wú)量綱;Ti為扁管各點(diǎn)溫度,℃;Tavg為扁管各點(diǎn)平均溫度,℃。

為了描述微通道蒸發(fā)器傳熱性能,如(3)和(4)所示,使用傳熱系數(shù)k表達(dá),利用軟件REFPROP 輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度和相對(duì)壓力查得制冷劑焓值;利用濕空氣焓濕圖輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)得溫度和相對(duì)濕度查得空氣焓值。

式中:k為微通道蒸發(fā)器總的傳熱系數(shù),W/(m2·K);mr為制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;h0為進(jìn)口制冷劑焓值,kJ/kg;h1為出口制冷劑焓值,kJ/kg;Aair為蒸發(fā)器空氣側(cè)面積,m2;Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差,℃;

3 數(shù)據(jù)分析

不同質(zhì)量流量及扁管比的微通道蒸發(fā)器壁面溫度變化云圖見(jiàn)圖3,其中劃分為兩相區(qū),過(guò)熱區(qū),過(guò)冷區(qū)(右下角)3 個(gè)區(qū)域,在第一流程中,隨著與空氣對(duì)流換熱,溫度升高,制冷劑從過(guò)冷區(qū)進(jìn)入兩相區(qū);在第二流程中,蒸發(fā)器頂部扁管的氣相制冷劑發(fā)生干蒸現(xiàn)象,溫度上升,制冷劑從兩相區(qū)進(jìn)入過(guò)熱區(qū)。

圖3 0.7、0.8、0.9 扁管比微通道蒸發(fā)器壁面溫度隨質(zhì)量流量變化云圖Fig.3 Change of wall temperature of micro-channel evaporator with mass flow rate under 0.7、0.8 and 0.9 flat tube ratio

扁管比不變,隨著制冷劑流量增大,動(dòng)能增加,流動(dòng)距離變遠(yuǎn),兩相區(qū)和過(guò)冷區(qū)范圍增大,過(guò)熱區(qū)范圍減小。第一流程中,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器過(guò)冷區(qū)面積的增幅分別為207%、168%、142%;在第二流程中,兩相區(qū)面積增幅分別約為102%、93%和86%,溫度不均勻性得到改善;制冷劑流量為70 kg/h 時(shí),隨著扁管比增加,第一流程中,沿程摩擦阻力系數(shù)提升,制冷量流速減小,意味著更長(zhǎng)的制冷劑過(guò)冷段,兩相區(qū)范圍增大,過(guò)熱區(qū)范圍減小,過(guò)冷區(qū)面積的增幅為6%—38%;在第二流程中,過(guò)冷區(qū)面積范圍增大,兩相區(qū)面積范圍減小,兩相區(qū)面積的增幅為5%—18%,溫度不均勻性略有改善。

在0.7 扁管比時(shí),第一流程與第二流程中微通道蒸發(fā)器壁面溫度隨沿入口方向及扁管編號(hào)變化云圖見(jiàn)圖4。在第一流程中,扁管氣相越多則表面溫度越高,所以越靠近上部的扁管,扁管編號(hào)越大,其表面溫度越高,入口方向長(zhǎng)度的影響大于扁管編號(hào)的影響,在扁管編號(hào)為25 號(hào)以后趨于平緩。隨著扁管比的增加,微通道蒸發(fā)器制冷劑最大壁面溫度降低,由13.6 ℃降為13.3 ℃最后降為13.1 ℃,這說(shuō)明微通道蒸發(fā)器過(guò)冷區(qū)變大,進(jìn)入兩相區(qū)的位置延后,過(guò)冷段延后;在第二流程中,微通道蒸發(fā)器制冷劑最大壁面溫度降低,由18.8 ℃降為18.6 ℃最后降為18.2 ℃,相較第一流程不同的是,入口方向長(zhǎng)度的影響小于扁管編號(hào)的影響,拐點(diǎn)為蒸發(fā)器的頂部的38 號(hào)扁管,此處流量較小,扁管出現(xiàn)了“干蒸”現(xiàn)象,制冷劑溫度陡升。最后比較第一流程和第二流程,0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器第一流程中壁面溫度較低,制冷劑過(guò)熱區(qū)長(zhǎng)度較短。

圖4 0.7 扁管比、質(zhì)量流量Q=50 kg/h 時(shí)壁面溫度沿入口方向及扁管編號(hào)變化云圖Fig.4 Cloud chart of wall temperature along the inlet direction under 0.7 flat tube ratio and 50 kg/h mass flow rate

由圖5 可知,當(dāng)扁管比為0.7 時(shí),隨著制冷劑的質(zhì)量流量由30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h,壁面溫度由23.3 ℃降到21.5 ℃,最后降到19.8 ℃,相對(duì)濕度由57.9% 增加到63.5%,最后增加到69%,所以當(dāng)扁管比一定時(shí),隨著制冷劑質(zhì)量流量的提高,微通道蒸發(fā)器降溫除濕能力增強(qiáng),導(dǎo)致出口溫度降低,相對(duì)濕度增高;當(dāng)制冷劑流量為30 kg/h時(shí),隨著扁管比的增加,出口空氣溫度和濕度差異都約為1%,故而扁管比對(duì)微通道蒸發(fā)器的降溫除濕效果影響不大。

圖5 扁管比及制冷劑流量對(duì)空氣出口溫度及相對(duì)濕度的影響Fig.5 Influence of flat tube ratio and refrigerant flow rate on air outlet temperature and relative humidity

由圖6 可知,扁管比分別為0.7、0.8、0.9 的微通道蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加而線性增加,從30 kg/h 增加到70 kg/h 時(shí),分別平均增幅為282%、281%、271%,這是由于制冷劑的流動(dòng)速度加快,其與空氣側(cè)換熱效果更劇烈,流動(dòng)邊界層變得更薄,傳熱更充分。另外,0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器傳熱系數(shù)較0.8、0.7 扁管比的微通道蒸發(fā)器傳熱系數(shù)分別平均增幅4%和7%。

圖6 不同扁管比例下傳熱系數(shù)隨制冷劑質(zhì)量流量變化圖Fig.6 Variation of heat transfer coefficient with refrigerant mass flow under different flat tube ratios

由圖7 可知,當(dāng)扁管比不變時(shí),隨著制冷劑流量的增大,制冷劑流速增大,液相制冷劑與氣相制冷劑的相互劇烈運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致微通道蒸發(fā)器進(jìn)出口的壓降逐漸增大,制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時(shí),0.7 扁管比的微通道制冷劑進(jìn)出口壓降平均增加0.12 ×105Pa,可以認(rèn)為進(jìn)出口壓降與制冷劑流量成線性關(guān)系;制冷劑流量為30 kg/h時(shí),扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器的進(jìn)出口壓降從0.87 ×105Pa 降到0.85 ×105Pa 最后降到0.81 ×105Pa。

圖7 不同扁管比例下進(jìn)出口壓降隨制冷劑質(zhì)量流量變化圖Fig.7 Variation of inlet and outlet pressure drop with refrigerant mass flow rate under different flat pipe ratios

由圖8 可知,在第一流程中,扁當(dāng)管比不變時(shí),隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加,制冷劑動(dòng)能增加,受重力作用的約束變小,流動(dòng)區(qū)域變大,流量分配變均勻,與空氣側(cè)的換熱面積增加,對(duì)流換熱更充分,不均勻度S減小,制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時(shí),0.7 扁管比的制冷劑第一流程不均勻度平均降低0.09,可以認(rèn)為制冷劑第一流程不均勻度與制冷劑質(zhì)量流量成線性關(guān)系;制冷劑流量為30 kg/h 時(shí),隨著扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器不均勻度S從0.32 降到0.30 最后降到0.28。

圖8 不同扁管比例下第一流程不均勻度隨制冷劑質(zhì)量流量變化圖Fig.8 Variation of the first pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

由圖9 可知,在第二流程中,由于制冷劑進(jìn)入第一流程中的扁管與空氣側(cè)換熱,產(chǎn)生的氣態(tài)制冷劑對(duì)進(jìn)入第二流程制冷劑分配造成影響,致使氣液兩相流動(dòng)相互干擾,使得第二流程中的制冷劑分配更加不均勻。當(dāng)制冷劑流量從30 kg/h 增加到50 kg/h,最后增加到70 kg/h 時(shí),0.7 扁管比的制冷劑第二流程不均勻度平均降低0.02,可以認(rèn)為制冷劑第二流程不均勻度與制冷劑質(zhì)量流量成線性關(guān)系;制冷劑流量為30 kg/h 時(shí),扁管比從0.7 增大到0.9,微通道蒸發(fā)器不均勻度S從0.44 降到0.42 最后降到0.40。

圖9 不同扁管比例下第二流程不均勻度隨制冷劑質(zhì)量流量變化圖Fig.9 Variation of the second pass unevenness with refrigerant mass flow rate under different flat tube ratios

4 結(jié)論

(1)隨著微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量及扁管比的增加,壁面的溫度分布更加均勻。在第一流程中,過(guò)冷區(qū)面積變大且位置后移;在第二流程中的兩相區(qū)面積變大且位置后移。

制冷劑質(zhì)量流量不變且扁管比在0.7—0.9 時(shí),扁管比每增加0.1,使得微通道蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)增加3%—7%;扁管比不變且制冷劑流量在30—70 kg/h 時(shí),制冷劑質(zhì)量流量每增加10 kg/h,使得微通道蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)增加27%—49%。

(2)扁管比不變時(shí),隨著制冷劑的質(zhì)量流量的增加,微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑進(jìn)出口壓降增大,可以認(rèn)為微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑進(jìn)出口壓降與制冷劑質(zhì)量流量成線性關(guān)系;制冷劑的質(zhì)量流量不變時(shí),隨著扁管比的增加,微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑進(jìn)出口壓降減小,其中0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑進(jìn)出口壓降最小。

(3)隨著制冷劑質(zhì)量流量的增加,制冷劑的不均勻度S 減小,0.7、0.8、0.9 扁管比的微通道蒸發(fā)器制冷劑不均勻度S平均降幅約59%,即微通道蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的流量分配越來(lái)越趨于平均。在流量為30—50 kg/h 時(shí),扁管比對(duì)微通道蒸發(fā)器制冷劑流量分配影響最大,而在流量為50—70 kg/h 時(shí),制冷劑質(zhì)量流量對(duì)微通道蒸發(fā)器制冷劑流量分配影響最大,在小流量范圍內(nèi)設(shè)計(jì)微通道蒸發(fā)器要充分考慮其結(jié)構(gòu)特性。