何國軍

(珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)

1 引言

微通道換熱器是一種基于微通道技術(shù)發(fā)展起來的高效緊湊式換熱器，最早應(yīng)用于電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，微通道具有尺度效應(yīng)[1]，面積體積比大，表面作用較強(qiáng)，傳熱效率較高，這些良好的性能使其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。目前，微通道換熱器在制冷領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在汽車空調(diào)方面，同傳統(tǒng)的銅管-鋁翅片換熱器相比，微通道換熱器[2]采用全鋁結(jié)構(gòu)，具有體積小、成本低、換熱效率高等優(yōu)勢，符合低成本高能效空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)需求，得到空調(diào)行業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注。盡管微通道換熱器具有眾多優(yōu)勢，但在家用和商用空調(diào)上的推廣進(jìn)度緩慢，只能用于需求量較少的單冷機(jī)組，結(jié)霜化霜及排水困難等可靠性問題使其很難應(yīng)用于需求量大的熱泵機(jī)組。如圖1所示，微通道換熱器特殊的扁管結(jié)構(gòu)增大了冷凝水與換熱器的接觸面和接觸角，造成排水不暢，且扁管和翅片焊接處的表面粗糙度較大，排水不暢及粗糙表面為結(jié)霜創(chuàng)造了條件，而其緊湊的結(jié)構(gòu)形式和較差的排水能力又使得化霜困難，性能衰減嚴(yán)重，同時易出現(xiàn)壓縮機(jī)回液等問題，系統(tǒng)可靠性降低。此外，鋁的腐蝕、焊接等影響微通道換熱器可靠性及使用壽命的問題仍未得到有效解決。

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

為擴(kuò)大微通道換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，加快其推廣進(jìn)度，除了對微通道的傳熱機(jī)理和換熱性能進(jìn)行深入研究外，微通道換熱器的應(yīng)用可靠性也成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的可靠性研究可以分為系統(tǒng)可靠性研究、長期可靠性研究和工藝可靠性研究，主要集中在冷凝水排除、結(jié)霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面，本文將對這些方面的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)分析。

2 系統(tǒng)可靠性研究

系統(tǒng)可靠性一般用于評價空調(diào)在使用環(huán)境中能否正常運(yùn)行，如在高溫工況是否出現(xiàn)高壓保護(hù)，低溫工況是否出現(xiàn)液擊等。微通道換熱器應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)時，如果不能針對其特殊的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)就會產(chǎn)生某些可靠性問題，其中冷凝水排除和結(jié)霜化霜就成為兩大應(yīng)用難點(diǎn)。微通道換熱器作為空調(diào)的蒸發(fā)器使用時會有冷凝水產(chǎn)生，使得空氣側(cè)的熱阻和風(fēng)阻增大，并為低溫條件下的結(jié)霜創(chuàng)造了條件。在低溫制冷時，室內(nèi)機(jī)換熱器排水不暢，風(fēng)量降低，換熱效果下降，蒸發(fā)壓力降低，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0℃時，換熱器表面出現(xiàn)結(jié)霜，化霜困難又加劇了系統(tǒng)參數(shù)惡化，制冷劑蒸發(fā)不完全，使得壓縮機(jī)回液，出現(xiàn)液擊或潤滑油稀釋而加劇壓縮機(jī)的磨損。在低溫制熱時，室外環(huán)境溫度低于0℃，同樣會出現(xiàn)結(jié)霜惡化等問題。影響排水及化霜的主要因素有進(jìn)風(fēng)狀態(tài)、換熱器結(jié)構(gòu)及制冷劑分配。

Song[3]等通過實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)風(fēng)濕度和換熱器傾角對微通道換熱器空氣側(cè)熱濕特性的影響，研究表明，當(dāng)傾角大于45度時，傾角會對換熱系數(shù)產(chǎn)生較大影響；濕工況的壓降比干工況增大3%～14%；翅片間距較大時，進(jìn)風(fēng)濕度對換熱系數(shù)和壓降的影響較??；適當(dāng)?shù)膬A角有利于排水，在某些情況下(如低風(fēng)速)開窗片間的冷凝水形成液橋，此時即使增大風(fēng)速，液橋依然存在。Zhang[4]等對帶有平行翅片的微通道換熱器的結(jié)霜特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，同傳統(tǒng)的折彎翅片相比，平行翅片的排水能力更強(qiáng)，更有助于改善結(jié)霜。Xia[5]等對三種不同開窗片的微通道換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)霜使得開窗片出現(xiàn)霜橋，開窗片的縫隙被堵塞，空氣流動形式由開窗片間的交叉流動變?yōu)橥ǖ朗降牧鲃樱@也是影響換熱的主要因素。Kim[6]等通過對兩種不同翅片間距和扁管傾角的微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，認(rèn)為優(yōu)化排水和集流管的制冷劑分配可以達(dá)到更好的除霜效果。陳小康[2]通過實(shí)驗(yàn)研究了微通道蒸發(fā)器的結(jié)霜過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，霜通常在溫度最低的靠近波紋式翅片表面的扁管開始形成；微通道蒸發(fā)器的制冷劑分配不均勻使得表面溫度分布不均勻，并引起結(jié)霜不均勻；環(huán)境溫度相對較高時，部分管內(nèi)的制冷劑不完全蒸發(fā)是微通道蒸發(fā)器容易結(jié)霜的重要因素，并建議通過提高制冷劑分配的均勻性來改善結(jié)霜。

水的附著力通常被認(rèn)為是引起微通道換熱器快速結(jié)霜的主要因素之一，而Moallem[7]等的研究表明，影響結(jié)霜的主要因素并非水的附著力，盡管其對空氣側(cè)壓降產(chǎn)生影響，但引起霜形成和生長的關(guān)鍵因素是翅片表面溫度和翅片幾何形狀。他們[8]進(jìn)而對7種不同寬度、高度和間距的翅片進(jìn)行結(jié)霜實(shí)驗(yàn)研究，提出能夠預(yù)測霜層厚度和風(fēng)速衰減的關(guān)聯(lián)式，并在翅片溫度為-11～-5℃時進(jìn)行驗(yàn)證，其中霜層厚度誤差為±17.6%，風(fēng)速衰減誤差為±7.7%；該關(guān)聯(lián)式能夠用于計(jì)算結(jié)霜時的瞬時雷諾數(shù)，有助于預(yù)測準(zhǔn)靜態(tài)結(jié)霜條件下微通道換熱器的傳熱系數(shù)。Padhmanabhan[9]等對微通道換熱器和翅片管換熱器的結(jié)霜除霜特性進(jìn)行對比研究，結(jié)果顯示，微通道換熱器的結(jié)霜時間比翅片管換熱器縮短50%以上，平均制熱能力和系統(tǒng)性能下降；結(jié)霜首先發(fā)生在翅片和扁管焊接處，除霜后的殘存水使得結(jié)霜速率加快，使用氮?dú)鈱埓嫠懦蟮慕Y(jié)霜周期增加4%；干表面時的結(jié)霜周期比濕表面延長約60%。Padhmanabhan[10]等還建立了微通道換熱器的結(jié)霜模型，該模型考慮了結(jié)霜不均勻所引起的風(fēng)量重新分布，能夠預(yù)測霜層厚度和結(jié)霜量，通過對不同進(jìn)液溫度條件下微通道換熱器的結(jié)霜特性進(jìn)行模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，霜層厚度的模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配，而忽略風(fēng)量重新分布的模擬結(jié)果將產(chǎn)生較大誤差；研究結(jié)果還表明，表面溫度越低結(jié)霜越快，換熱器結(jié)霜時的性能幾乎呈線性衰減，且表面溫度越低，衰減速率越大。

由此可見，改善排水和除霜可從風(fēng)速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可借助可視化、仿真等技術(shù)進(jìn)行輔助優(yōu)化。

3 長期可靠性研究

長期可靠性一般用于評價空調(diào)的使用壽命，空調(diào)的使用環(huán)境復(fù)雜多變，惡劣的環(huán)境除了會對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生影響外，也會降低空調(diào)各部件的性能和壽命，如出現(xiàn)磨損、腐蝕等。換熱器作為關(guān)鍵部件之一，其長期可靠性對整機(jī)壽命有重要影響。微通道換熱器采用全鋁結(jié)構(gòu)，所面臨的鋁腐蝕問題成為制約其應(yīng)用推廣的重要原因之一，緊湊的結(jié)構(gòu)形式容易積灰且不易清洗，除對空調(diào)性能產(chǎn)生影響外，還為細(xì)菌滋生及腐蝕提供條件，同時加劇了售后保養(yǎng)維護(hù)的困難程度，故微通道換熱器的長期可靠性問題也引起行業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

丁漢新[11]等采用微通道換熱器和銅管-鋁翅片換熱器進(jìn)行了腐蝕實(shí)驗(yàn)，前者的實(shí)驗(yàn)時間約為7000h，后者的實(shí)驗(yàn)時間約為1000h，通過對比兩種換熱器的腐蝕情況發(fā)現(xiàn)，相比銅鋁翅片換熱器，微通道換熱器具有良好的抗電化學(xué)腐蝕的性能，微通道換熱器中集流管、扁管及翅片采用鋁合金及配合一定的涂層,極大地降低了電位腐蝕的速率。何國軍[12]在對平行流換熱器進(jìn)行1200h單體腐蝕實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，換熱器的翅片與扁管焊接處出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，但氦檢并未泄漏，可以應(yīng)用于普通空調(diào)產(chǎn)品，但同時指出，在海鹽離子濃度較高的環(huán)境中，仍存在翅片腐蝕粉化的現(xiàn)象，有必要對換熱器進(jìn)行整體防腐處理。Bell[13]等對比研究了ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵和Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵對微通道換熱器空氣側(cè)壓降和傳熱性能的影響，結(jié)果表明，ASHPAE標(biāo)準(zhǔn)粉塵會對壓降產(chǎn)生較大影響，1612.5g/m2的粉塵會使壓降增大200%；而Arizona Road實(shí)驗(yàn)粉塵并未使壓降增大，但卻使傳熱量降低10%；此外，在粉塵結(jié)垢過程中，開窗片的翅片間距小于2.0 mm時更易積灰。

目前，針對微通道換熱器腐蝕及積灰等長期可靠性運(yùn)行的研究資料還比較少，鋁合金材料對扁管基材耐腐蝕性的影響，換熱器整體噴涂處理對換熱性能的影響，翅片結(jié)構(gòu)對積灰的影響等問題仍是值得深入研究的內(nèi)容。

4 工藝可靠性研究

傳統(tǒng)的翅片管換熱器加工方便，工藝成熟，而微通道換熱器的結(jié)構(gòu)完全不同于翅片管換熱器，生產(chǎn)設(shè)備和加工工藝都發(fā)生很大變化。現(xiàn)階段，空調(diào)用微通道換熱器的生產(chǎn)加工仍不成熟，因焊點(diǎn)承壓能力差產(chǎn)生的爆破泄漏或因焊接破壞表面涂層引起的腐蝕泄漏等現(xiàn)象普遍存在，為加快微通道換熱器的推廣進(jìn)度，其工藝可靠性問題亟待解決。

Zhao[14]等對微通道換熱器的焊接進(jìn)行了較全面的研究，認(rèn)為焊接條件的控制和焊接位置的設(shè)計(jì)是換熱器加工的關(guān)鍵。他們[15]還對微通道換熱器焊接過程中的焊料熔化流動及成型現(xiàn)象進(jìn)行可視化研究，觀察發(fā)現(xiàn)，在扁管和集流管的焊接過程中，熔化的金屬液體很可能會在表面張力的作用下流入微通道，從而堵塞制冷劑通道；此外，還討論了液態(tài)金屬流動的理論模型，認(rèn)為利用現(xiàn)代仿真技術(shù)能夠很好的輔助焊接設(shè)計(jì)和選擇焊接材料。包振球[16]等對平行流換熱器最容易出現(xiàn)疲勞斷裂的原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部壓力和熱應(yīng)力會造成疲勞破壞，指出在設(shè)計(jì)平行流換熱器的集氣管時，應(yīng)盡量增加壁厚，選用小管徑可以減小圓周應(yīng)力；支架與集氣管間的接觸部位應(yīng)留有足夠的接觸面積以改善該部位的散熱能力和熱應(yīng)力，為防止應(yīng)力集中，支架和集氣管間應(yīng)采用圓角過度。郭艷[17]對多元平行流式冷凝器爐中釬焊工藝進(jìn)行了仿真建模和實(shí)驗(yàn)研究，分析發(fā)現(xiàn)，冷凝器在爐中釬焊過程中，扁管與翅片升溫速率和降溫速率均大于集流管與扁管；加熱階段，扁管與翅片的釬焊峰值溫度和保溫時間均高于集流管與扁管，集流管與扁管的釬焊接頭是冷凝器爐中釬焊的薄弱環(huán)節(jié)；研究認(rèn)為采用有限元軟件進(jìn)行工藝指導(dǎo)不僅是可行的，還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

以上研究指出微通道扁管與集流管的焊接工藝是需要重點(diǎn)關(guān)注的地方，操作不當(dāng)可能會造成微通道焊堵，影響制冷劑的分流，而該問題是隱蔽性的，除了采用破壞性的解剖，否則很難被發(fā)現(xiàn)，該位置的焊接質(zhì)量還可能引起腐蝕泄漏，故在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)對此進(jìn)行可靠控制。

5 總結(jié)

本文通過對微通道換熱器應(yīng)用于空調(diào)時的系統(tǒng)可靠性、長期可靠性和工藝可靠性的研究成果進(jìn)行分析，總結(jié)了冷凝水排除、結(jié)霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面存在的主要問題和研究進(jìn)展，這對提高微通道換熱器的可靠性具有重要的指導(dǎo)意義。為進(jìn)一步加快微通道換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣，今后的可靠性研究方向包括：

(1)除了從風(fēng)速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面來改善排水和除霜外，還可從控制邏輯方面進(jìn)行優(yōu)化，特別是對于變頻空調(diào)，在低溫工況下適當(dāng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率、電子膨脹閥開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等，以提高蒸發(fā)溫度，減少凝露和結(jié)霜。

(2)盡管微通道換熱器抗電化學(xué)腐蝕的能力優(yōu)于銅管-鋁翅片換熱器，但基材選擇不當(dāng)、焊接破壞涂層等問題使得腐蝕失效依然存在，故需對此進(jìn)行深入研究。此外，耐腐蝕性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定、除塵清洗工藝的改進(jìn)等也將有助于微通道換熱器的應(yīng)用推廣。

(3)微通道換熱器扁管和集流管的焊堵、焊漏問題已得到關(guān)注，但為了提供耐腐蝕性，扁管一般都噴有保護(hù)涂層，如電弧噴鋅等，此時焊接扁管和翅片時會引起焊點(diǎn)周圍的鋅濃度分布發(fā)生變化，從而降低扁管的耐腐蝕性，這種因焊接造成腐蝕泄漏也普遍存在，故同樣需要對扁管和翅片的焊接工藝進(jìn)行研究。

(4)借助理論模型和仿真技術(shù)可以對微通道換熱器的制冷劑分配、結(jié)霜、焊接等問題進(jìn)行輔助指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并能夠提高換熱器質(zhì)量,模擬仿真技術(shù)通用化也是非常必要的研究內(nèi)容之一。

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