微通道换热器在制冷空调系统中的应用分析

　　1 前言

　　微通道换热器的工程背景最早可以追溯到20 世纪 80 年代电子器件的冷却问题和 20 世纪90 年代微机电系统的传热问题。目前关于微通道换热器比较通用、直观的定义是由 Mehendale.s. s 提出的，他将水力当量直径小于 1mm 的换热器称为微通道换热器。微通道换热器的常见结构如图 1 所示。

　　微通道换热器在制冷空调系统中的应用研究开始主要集中在汽车空调制冷系统中，其原因主要考虑到 CO2的蒸汽密度高，比热和容积制冷量较大，充注量较小及较高的操作压力适合开发小管径的换热器。2010 年 6 月 1 日实施的新能耗标准势必会推动产业的升级，单纯依靠增加换热器的面积或使用高效零部件( 如高效风机、高效压缩机等) 已经不能满足空调器的发展趋势，传统的提高产品能效比的办法也势必会加大投入的成本，甚至造成大量不可再生能源的浪费。微通道换热器具有体积小、结构紧凑、换热器热阻低、传热快、传热温差小、制冷剂充注量小、可承受较高操作压力、能耗低等特点，使其应用到制冷空调系统中提高空调器的整机性能成为可能。

　　本文针对制冷空调系统用微通道换热器的研究成果进行了总结，并对微通道换热器在制冷空调系统中应用的优点及有待解决的问题进行了探讨，指出了该领域目前的研究热点。

　　2 微通道换热器在制冷空调系统中的研究现状

　　2. 1 微通道换热器内流体流动的换热特性

　　当微通道水力直径为 381um 时，宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数的计算，必须对微通道换热器流动传热特性进行研究。微通道换热器的流动换热特性与常规的换热器不同，只有全面透彻地了解微通道换热器的特性，才能更好的为工程应用设计提供参考，因此微通道内流体流动换热特性的分析与仿真是目前的研究热点。

　　关于微通道内气液两相流流型的研究很多，Kariyasaki A 等将微通道内流体的流型分为泡状流，弹状流或塞状流以及环状流三种[1]; K. Corn-well 等通过对矩形槽道内流体流动的分析证实了上述的三种模型，并且发现了流型与换热系数的关系[2]。目前通常将流型分为四种: 泡状流，弹状流，搅拌流和环状流。

　　微通道内部流体的流动阻力特性的研究没有得到统一的结论。I. Papautsky 等认为微通道内摩擦阻力系数比常规尺度的高[3]; Pfahler 等认为微通道内摩擦阻力系数小于常规尺度下的摩擦阻力系数[4]。研究结果大相径庭的原因有待进一步的研究。

　　微通道内的热现象具有尺寸效应，主要体现在两个方面，一是热流密度较大。A. Cavallini 研究发现 R134a 在管内流动局部换热系数高达16000W / ( m2·K)[5]。二是热惯性较小。Mehen-dale. S. S 发现流体的热惯性大致与通道尺寸的 3次方成正比，流体的热惯性将随通道尺寸减少显著下降[6]。微通道的水力半径对雷诺数的影响较大，水力半径越小雷诺数就越小，且流态中的过渡区越小，在较低的雷诺数下流体就进入了充分发展的湍流状态。