低温与超导第39卷第9期
制冷技术Refrigeration Cryo．＆Supercond．Vol．39No．9 收稿日期：2011－06－07
作者简介：张超（1974－），男，博士、副教授，主要研究方向：制冷空调节能技术。 张超，刘婷，周光辉
（中原工学院能源与环境学院，郑州450007）
摘要：2010年6月1日实施的新能耗标准进一步推动了制冷空调行业的升级，微通道换热器以其体积小、重量轻、
结构紧凑、耐高压、热阻低、换热效果好等特点开始逐步在汽车制冷空调系统、家用和商用制冷空调系统中得以应用。然而，国内在该领域的研究比国外起步晚，理论和实验研究都比较缺乏。文中对微通道换热器在制冷空调系统中的应用研究进行了总结分析，
指出了该研究领域的研究热点，为其进一步的应用研究提供了参考。关键词：微通道换热器；制冷空调系统；应用分析
Application analysis for micro －channel heat exchanger in refrigeration and
air －conditioning system
Zhang Chao ，Liu Ting ，Zhou Guanghui
通信井（Energy and Environment Institute ，Zhongyuan University of Technology ，Zhengzhou 450007，China ）
Abstract ：The implementation of new energy consumption standard on June 1，2010has further promoted the refrigeration and air －conditioning industry upgrade．Micro －channel heat exchanger with many characteristics such as small volume ，light weight ，compact structure ，sustaining high operating pressure ，low thermal resistance and good effect on heat transfer has been gradually applied in automotive ，household and commercial refrigeration and air －conditioning system．However ，the domestic studies in this field start later than the foreign one ，and the theoretical and experimental research are scarce．In this paper ，the previous research of micro －channel heat exchanger in refrigeration and air －conditioning system was summarized and analyzed．And the difficulties in the field were pointed out ，which could provide references for further application of micro －channel heat exchanger in refrigeration and air －conditioning system．
Keywords ：Micro －channel heat exchanger ，Refrigeration and air －conditioning system ，Application analysis
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CO 2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
图1
微通道换热器的结构
电子鱼竿Fig．1
The structure of micro －channel heat exchange
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。
由于微通道内流动传热特性机理研究的局限性，目前适用于微通道换热器的实验关联式很少。Kandlikar在前人工作的基础上提出了一个适用于微通道沸腾换热的实验关联式［7］；赵宇等在这些关联式的基础上建立微通道平行流蒸发器换热性能的仿真模型，与实验测试结果进行比较，误差控制在ʃ10%以内［8］；Thome利用管径大于3mm 的传热管内沸腾换热过程中制冷剂处于不同的流型来计
算沸腾对流传热系数［9］；杨海明等通过对微通道换热器流动和传热特性的研究，建立了气体的雷诺数－摩擦系数、普朗特数－努谢尔数之间的的试验模型［10］。由于微尺度条件下的相关理论体系不够完善，相关的关联式可以通过对宏观理论关联式进行修正来实现，类似于宏观理论中研究湍流流动与换热时，借鉴层流流动与换热的理念，引入当量粘度等物理量。
2．2微通道换热器结构的优化设计
微通道换热器结构的优化设计大多围绕着提高扁管和集管及翅片结构的换热性能进行。影响扁管换热性能的结构因素包括扁管的材料，形状，结构（有肋无肋，肋间距），影响翅片结构换热性能的因素主要有翅片的材料，翅片的厚度，高度，宽度，间距和翅片上百叶窗的开窗结构参数（开窗长度，角度，间距）。有关这方面的发明专利已经有很多，为以后工程应用设计提供了参考。
微通道换热器制冷剂流量分配不均匀性对系统性能影响很大，尤其是在微通道换热器作为蒸发器使用时，干蒸和供液过多现象在各扁管之间非常普遍。T．kvlkarnic研究发现，采用R134a做制冷剂时，流量分配不均匀使机组性能削弱29%—39%，采用R22做制冷剂，流量分配不均匀使机组性能削弱50%左右［11］；Lalot和Florent 研究发现，对于交叉流换热器，严重的流量分配不均匀度使换热器的性能下降高达25%［12］。陈江平通过改变微通道平行流气冷器的主要结构和组合尺寸，对微通道平行流气冷器管内流量分布特征进行了数值模拟，发现入口集管与扁管组合深度即扁管插入至入口集管的深度、出口集管与扁管组合深度、扁管长度均会影响制冷剂流量分配［13］。
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微通道换热器的流程排布对其性能有影响，以微通道冷凝器为例，在集流管中加设隔片隔断，形成不同的流程，每段流程的制冷剂扁管数不同，制冷剂进入冷凝器时呈气态，比容较大，此时可以多布置些扁管，随着制冷剂的冷凝，比容减小，相应需要的扁管数也减少，这种布置方式，不但可以降低制冷剂侧的压降，还可以保证制冷剂在两相区的后端和过冷区有较高的流速和表面传热系数。赵宇等研究发现汽车空调用微通道平行流蒸发器，在相同的实验条件和换热器尺寸的前提下，布置2流程的微通道平行流蒸发器的换热量比布置4流程的大15%以上，布置2流程的蒸发器制冷剂侧压降比布置4流程的小，2流程排布设计的蒸发器具有较好的传热和压降特性［8］。可见单纯的增加换热器的流程并不能提高其换热特性，过多的流程反而会降低换热器的换热能力，这是因为多流程没有明显的改善制冷剂在各扁管间的流量分配不均匀性，虽然增加了制冷剂的质量通量，传热系数增大，但是较多的流程使得制冷剂的压降变大，较大的制冷剂压降恶化了传热效果。2．3微通道换热器制冷空调系统整体性能研究铜材价格的不断上涨，制冷空调系统中铜材的替代问题也受到普遍关注，铝比铜便宜，抗腐
蚀能力强，且利于再循环使用，是一种很好的替代品，用于微通道换热器可以明显地降低成本，有很好的经济价值和环境保护意义。Garimenlla等将微通道换热器用于家用吸收式热泵系统中，替代传统的圆管波纹翅片换热器，结果表明换热器的重量减少了59%［14］；周子成在中央空调单元式机组中用铝制微通道换热器代替铝箔风冷冷凝器，发现保持换热量一致的前提下，冷凝器的迎风面积由1．22m2减小到0．352m2，铜材的质量由10kg减少到0kg，铝材的质量由3．5kg减少到2．7kg［15］。
四季汤微通道换热器制冷空调系统具有制冷能力强，制冷剂充注量少，结构紧凑等优点。Kim和Bullard分别将微通道冷凝器和管翅式冷凝器用在以R22做制冷剂的房间空调器上，对比发现微通道冷凝器的单位体积热流密度高出14% 33%，冷凝器体积减少55%，冷凝器重量减少35%，制冷剂的充注量减少35%［16］；Pega Hrnjak 等对同一套家用分体式空调系统分别使用微通道冷凝器和管翅式冷凝器进行实验，这两台冷凝器具有相同的外形，体积，迎风面积，翅片间距，研究发现，保持室内26．7ħ，室外35ħ，微通道冷凝器系统的制冷量提高3．4%，能效比提高13．1%，制冷剂侧的压降从166kPa较少到57kPa［17］；张蕾对两套采用微通道换热器的KFR－72LW空调样机进行测试，发现在制冷工况下，室外机为微通道换热器，室内机为管翅式换热器时，室外微通道换热器面积减少43．6%，制冷剂充注量减少26．1%，制冷量上升3．4%，制冷能效比上升1．76%［18］。2．4微通道换热器结霜和冷凝水排除问题微通道换热器用于蒸发器或热泵时，由于换热面积减小幅度较大，导致蒸发压力过低，蒸发器表面温度低于空气的露点温度，换热器表面结霜，需要对系统进行频繁的除霜，严重影
响换热器的换热效果。P．Sankar对比研究了微通道换热器和铜管铝翅换热器的除霜时间，微通道换热器的首次除霜的速度为铜管铝翅片换热器的1．25倍，系统运行一段时间后约为铜管铝翅片换热器的1．78倍［19］。通过调整充注量和毛细管规格仍然会出现除霜难问题，这一难题严重阻碍了微通道换热器在制冷空调领域作为蒸发器的应用和发展。
微通道换热器采用平行流动的扁管，凝结水和换热器间的接触面和接触角较大，使得换热器表面的凝结水不易排出。Jacobi等实验发现对于同样垂直放置的铜管翅片换热器和微通道换热器，铜管翅片换热器80%的凝结水可在1s时间内排除，微通道换热器则需要近10s的时间［20］；饶荣水等针对这个问题提出了一种改进方案，对于扁管呈水平状的微通道换热器，保持扁管与水平方向有一个夹角a，凝结水受重力作用流出。
3微通道换热器在制冷空调系统中应用的研究热点
微通道换热器具有体积小，结构紧凑，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，这是常规换热器所无法比拟的优势，这一点已经得到了国内外学者的肯定。另外，随着铜价的一路攀升，全铝材制作的微通道换热器可以降低设备的重量和制造成本，且铝材具有良好的抗腐蚀性，不易被氧化，增强了换热器
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的抗腐蚀性能。
然而常规换热器的宏观理论不适用于微通道换热器，微通道内部流体的流动阻力特性等方面的研究没有得到统一的结论，揭示微通道内的流动换热机理，建立相应的实验关联式对于推进微通道换热器的研究具有重要意义。
微通道换热器已经应用到汽车空调和家用空调中，微通道换热器也可以用做单冷空调器的冷凝器，但由于气液两相流分配不均及系统频繁除霜等问题的存在，微通道换热器用作蒸发器及热泵工况的技术还不成熟，如何设计出制冷剂分配较为均匀，受外在因素影响较小且较为经济的微通道蒸发器，如何遏制换热器的快速结霜都有待进一步的研究。
微通道换热器空气侧的气流分布不均匀性对微通道换热器换热量的影响不容忽视，如何设计合适的气流组织形式，提高换热器的性能，有待进一步的研究和完善。
微通道换热器用作冷凝器时，换热器表面堆积的冷凝水形成较大的传热热阻，使微通道换热性能的发挥受到了限制，如何解决换热器凝结水排除难的问题也是研究的热点。
4小结
近年来，微通道换热器以其高效紧凑，抗腐蚀，节能等特点在家用、商用制冷空调系统中的应用研究成为一热点。微通道换热器用作制冷空调系统的蒸发器或冷凝器能有效降低系统的重量、体积、制冷剂充注量以及成本，能有效提高系统的性能，增强换热器的抗腐蚀能力，这些特点使微通道换热器在制冷空调中的应用前景十分广泛。然而，微通道换热器的换热机理有待进一步解释，微通道换热器用作制冷空调系统中蒸发器时的结霜融霜问题、用作冷凝器时的冷凝水排除问题以及空气侧气流组织优化等问题需要得到进一步解决。
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（上接第41页）
之间，在3．32－3．34范围内可以得到较高的转变
温度。由此，
在进行掺杂时，选择掺杂元素和掺杂比例的标准只要根据我们给定的范围，就可以提
高获得理想试验结果的几率。尽管本研究结论属经验型总结，但是这些结果确实反映了掺杂铁基砷化物超导体系的某些特征，它对铁基砷化物转变温度的改善是很有意义的
。
图1掺杂铁基砷化物的转变温度与平均价电子数Z v 的关系
Fig．1
The relation between the T c of the doping Iron －based oxyaresenidel and the number of average valence e-lectrons Z v
由文献［12］知，超导体中原子价层电子与原子核相互作用的强弱与其作为整体的化合物的铁基砷化物及其掺杂超导体系的超导电性关系密切，而Z v 值反映了价电子与原子核相互作用的强弱程度。因此，把本文所提出的平均价电子数作为研究掺杂铁基砷化物超导电性的参考，可以很
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