【HETA】小管径换热器在冷藏柜上的应用以及空调换热器长效性能研究
2016年， 制冷空调换热器技术联盟共展开了“小管径空调分配器流量分配性能评价和结构优化”、“组合管径空调翅片及整机性能的优化设计”、“小管径换热器在冷藏柜上的应用研究”、“空调换热器长效性能研究”4大项目的研究。
本文为“小管径换热器在冷藏柜上的应用研究”和“空调换热器长效性能研究”两大项目研究情况介绍。
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小管径换热器在冷藏柜上的应用研究
一：项目背景
小管径换热器在空调上已经有成熟的应用，但在冷藏柜领域，仍然在采用9.52 mm 管径冷凝器。采用5 mm 管径铜管和翅片换热器替换原来的9.52 mm 管径冷凝器能够降低冷藏柜的成本。同时，R290 等可燃新冷媒在冷藏柜上的应用逐步增多，小管径换热器能减少制冷剂充注量的优势也受到重视。然而难点在于之前从没有应用到冷藏柜的经验，且现有的小管径翅片对冷藏柜并非是最适合的。
二：项目技术路线图
为此，制冷空调换热器技术联盟组织相关会员，联合针对冷藏柜用小管径换热器翅片，及系统整体性能进行了优化设计，目的在于开发出采用小管径换热器的冷藏柜产品。
研究的技术路线图如下：
（1）获取冷藏柜样机原9.52mm 冷凝器的结构参数与实验结果；
（2）热力学分析与计算机模拟，获得冷藏柜样机采用小管径冷凝器的热力学原
理与设计要点，并对样机优化设计；
（3）听取企业反馈意见，对设计优化结果进行微调；
（4）向企业提交设计结果，总结小管径冷藏柜设计要点。
三：项目实施
采用CFD 计算了原9.52mm 冷凝器翅片和两款5mm 新型翅片的换热性能。CFD计算显示新型翅片A 和新型翅片B 的压降均比原翅片低，换热系数均比原翅片高5%以上。
下图显示了原翅片和新型翅片的表面温度分布图。
为了使得新型翅片A 和新型翅片B 替换原冷凝器翅片后具有较好的流路，通过换热器软件模拟了原冷凝器、新型冷凝器A 和新型冷凝器B 在不同流路下的性能。
三：项目结论
使用5 mm 冷凝器的冷藏柜能够满足原型机的性能要求。新型冷藏柜的冷凝器换热量比原冷凝器高6.8%，成本更比原冷凝器低45.9%。新型冷凝器的制冷剂充注量比原冷凝器低211g。
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空调换热器长效性能研究
项目背景
房间空调器是一种向密闭空间提供经过处理的空气的设备，包括制冷和制热系统，还可包括除湿和通风装置。我国是家用空调器产品的生产和使用大国，大量的空调产品被生产和使用将消耗很多的能源，因此空调器保持长效节能特性对于节能减排具有重要的意义。
影响空调换热器长效性能衰减的因素包括有粉尘、腐蚀、间歇运行和微生物污染等，受这些因素的影响，换热器空气侧的热阻将增大，翅片的亲水性也会发生变化。粉尘污染是指空气中的粉尘会随着来流空气流经换热器并沉积在翅片表面，当翅片表面有凝结水时，粉尘颗粒还会与凝结水结合形成污垢团块;腐蚀是由于铜管和铝翅片之间存在金属电位差，当翅片表面的凝结水存在电解质时，铜铝间会发生电化学腐蚀而形成腐蚀污垢;微生物污染是由于换热器经常处于湿工况运行，翅片表面容易在黑暗和潮湿的环境下滋生微生物污垢。
另外，空调换热器还经常处于间歇运行状态，包括高低温循环和干湿循环，高低温循环会增大管翅间的接触热阻，而反复的干湿循环会改变翅片的亲水性。针对空调换热器长效性能衰减状况，从粉尘、腐蚀、间歇运行和微生物污染四个方面对换热器的长效性能研究现状进行了分析，指出了目前研究中存在的问题并提出了今后空调换热器长效性能研究的方向。
长效性能衰减的关键影响因素—粉尘研究
粉尘是空调换热器所受长效性能衰减最重要也是最典型的因素，受粉尘特性、换热器结构以及运行工况的影响，粉尘在换热器上的沉积原理非常复杂。
干工况下粉尘对换热器性能的影响研究得的一些普遍结论有：
1、粉尘主要沉积在翅片前缘而不是沉积在整个翅片表面，原因是翅片前缘正对着迎风面，粉尘直接撞击并沉积在翅片前缘，同时沉积厚度又阻挡了粉尘向翅片内部表面扩散;
2、粉尘沉积量主要受管排数和翅片几何结构的影响，翅片几何结构越杂、管排数越多，粉尘沉积量也越大;
3、粉尘沉积率与粉尘浓度呈正比;
4、一定风速范围内，风速越大，粉尘污垢的沉积率越大;
5、小粒径的粉尘相对于大粒径的粉尘更容易沉积在翅片表面;
6、粉尘污垢对换热器压降特性的影响明显大于对传热特性的影响。
湿工况下粉尘的情形要比干工况复杂的多，少量的凝水与粉尘结合后会黏附在翅片表面，而过多的凝水又会将污垢冲刷掉。经过反复多次的淋雨和粉尘实验来模拟湿工况下粉尘对换热器性能衰减的影响，有以下研究结果：
1、空调器在第一个粉尘模拟周期内的性能衰减状况最明显；
2、随着实验周期的增加，制冷量及能效比的性能衰减率会呈现递减的趋势；
3、实际过程中，不同地域和不同使用年限下的粉尘污染情况是不一样的，目前
还缺乏不同喷粉类型和喷粉工况对换热器性能的影响研究。
未来技术措施，除了设计外围结构阻止粉尘进入换热器外，优化设计换热器结构也是提高防积灰长效性能的重要手段。然而目前研究者对于空调换热器的设计往往都是从提高空气侧换热能力的角度出发，包括设计更复杂的翅片几何形状、加密翅片间距等，这些都会造成翅片表面更容易积灰。对于翅片管换热器的翅片结构设计需要找到防积灰能力与换热能力之间的平衡以同时满足换热器高效和长效的要求。
长效性能衰减的关键影响因素—腐蚀研究
铜管铝翅片换热器发生电化学腐蚀，除了因为铜铝间存在电位差外，电解质的存在是重要的原因。研究表明有机或无机阴离子，如空气中的氯离子等在铝及其合金表面形成的络合物离子是发生局部腐蚀的主要原因。空调换热器翅片表面一般覆盖有高聚物有机涂层，其腐蚀机理如下图所示。由于涂层在固化过程中不可避免地存在一定的缺陷，水分子、氧分子和离子通过涂层的针孔渗透进金属基体处发生腐蚀反应，腐蚀产物堵塞涂层微孔导致不同部位间存在氧浓度差，富氧和贫氧区各自形成的阴阳区之间的腐蚀加剧，腐蚀产物增多导致涂层剥离。
在换热器抗腐蚀性研究方面，最广泛的做法是在翅片表面覆盖防腐蚀层，或者设计抗腐蚀性更强的亲水层，包括采用环氧树脂材料的电泳涂层和采用聚氨酯材料的喷涂涂层。带有机抗腐蚀层的铝翅片能够表现出良好的抗腐蚀性，例如冰箱换热器的铝翅片表面喷涂SiO2Sol/Gel防腐层被证明是一种有效的防腐措施。防腐蚀层的厚度却并非越厚越好，最佳为5～7μm。铜管中碳含量低能提高铜管的抗腐蚀性，碳含量高时容易使铜管发生点蚀。
需要通过理论与实验的方法较准确地得到实验指标与膜层和含碳量防腐性能之间的定量关系，为提高防腐蚀性提供理论支持。
长效性能衰减的关键影响因素—间歇运行研究
干湿循环主要通过影响翅片的亲水性来影响换热器的性能，翅片亲水性可用接触角来度量，包括静态接触角，动态前进接触角和动态后退接触角。
高低温循环主要影响的是管翅之间的接触热阻。管翅间接触热阻一般占到换热器总热阻的10%～20%，随着循环次数增加、翅片热疲劳加剧而增大。目前针对翅片管换热器管翅接触热阻的研究，主要还是集中在翅片几何结构以及不同胀接工艺对接触热阻变化的影响上。已有的单独针对高低温循环次数对翅片管换热器性能影响的研究，是将大巴空调系统中使用的铜管铜翅片和铜管铝翅片蒸发器分别放置在－25℃和85℃环境中来进行冷热交替实验，实验结果表明经高低温循环后的两种蒸发器的空气侧压降几乎一致，但铜翅片管蒸发器的换热系数衰减率要比铝翅片管蒸发器小，其在高低温循环下具有更好的长效特性。
换热器实际间歇运行过程往往是干湿循环和高低温循环的耦合，空调实际间歇运行次数对翅片管换热器性能的变化需要同时考虑这两种因素的影响。
长效性能衰减的关键影响因素—微生物研究
目前针对微生物污垢对换热器性能衰减影响的研究很少，相关的研究需要解决两个方面的困难：
1) 实际空调换热器的性能衰减受粉尘、腐蚀污垢、接触热阻增大、翅片亲水性变化等共同的作用，需要设计合适的实验方法来单独分析微生物污垢的影响。
2) 实际的微生物生长周期较长，需要缩短在换热器翅片上的微生物培养时间。
已有的空调换热器受微生物污染的长效性能影响研究，是通过采用人工加速霉变的方法使换热器表面生长微生物:通过合理配置孢子悬浮液和营养液并涂抹在翅片样件表面，再将样件置于具有特定温度和湿度的环境中以加速微生物在翅片表面的生长。
实验结果发现，铜翅片换热器的翅片表面几乎不生长微生物，而铝翅片换热器的翅片表面则能根据不同的孢子悬浮液喷涂浓度生长出不同数量的微生物。相应的性能测试结果表明，微生物污垢对压降的影响要明显大于对换热的影响，且微生物污垢容易聚集翅片间的凝水并形成水桥。同时研究还发现，较少的微生物污垢在低风速下对换热有一定的增强作用，原因是少量的微生物污垢团会增大翅片表面粗糙度，从而能够破坏空气流动的边界层并增强换热，但是风速较大时微生物污垢对换热只起到衰减的作用。