趙曉丹， 張 超， 王素英， 劉恩海， 趙楠楠

(1.中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院, 河南 鄭州 451101； 2.中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

與傳統(tǒng)翅片管換熱器相比，微通道換熱器具有體積小、重量輕、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、制冷劑充注量小等優(yōu)點[1]。目前微通道換熱器在制冷空調(diào)領(lǐng)域主要應(yīng)用于汽車空調(diào)系統(tǒng)，在家用空調(diào)中并不多見。將其用于家用制冷空調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)減小空調(diào)系統(tǒng)體積，提高空調(diào)器整機(jī)性能，降低制冷空調(diào)系統(tǒng)成本的目的。許多學(xué)者對微通道換熱器在家用空調(diào)上的應(yīng)用已進(jìn)行大量研究，清華大學(xué)張會勇等研究分析了微通道換熱器應(yīng)用于家用空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)點及有待解決的問題[2]。嚴(yán)瑞東等研究了微通道換熱器兩相分配特性對家用空調(diào)器的影響，結(jié)果表明，其兩相分配的不均衡對空調(diào)器性能的影響達(dá)到了7.3%[3]。汪年結(jié)等研究了微通道換熱器在3 HP柜式家用空調(diào)中的應(yīng)用，結(jié)果表明，對微通道換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可進(jìn)一步提高空調(diào)器的性能[4]。施駿業(yè)等對家用空調(diào)室外機(jī)波紋型翅片管換熱器進(jìn)行了研究，得出的波紋型翅片管換熱和壓降關(guān)聯(lián)式，可用于準(zhǔn)確預(yù)測換熱器的運行性能[5]。郭霞齡等采用R290制冷劑，以微通道冷凝器替換翅片管冷凝器，研究家用空調(diào)器的制冷性能，結(jié)果表明，相對于翅片管冷凝器，采用微通道冷凝器的空調(diào)器制冷量提高了0.7%，COP提高了3.4%[6]。王穎等將微通道換熱器用于3 HP柜式家用空調(diào),并對系統(tǒng)性能和充注量等進(jìn)行了對比研究[7]。譚易君等采用仿真技術(shù),以R290家用空調(diào)器的微通道冷凝器為研究對象,比較了不同流路布置方案對冷凝器性能的影響,并對外形尺寸相同的微通道冷凝器與翅片管冷凝器充注比進(jìn)行了研究[8]。曹勇針對微通道換熱器在結(jié)構(gòu)和性能上的特點,討論了將其用于房間空調(diào)器時關(guān)于耐壓、腐蝕、折彎、積灰、泄露等方面應(yīng)注意的問題,并提出了一些設(shè)計建議[9]。彭明等對不同流程布置的平流式冷凝器進(jìn)行試驗研究,提出了平流式冷凝器流程的優(yōu)化設(shè)計方案[10]。胡張保等設(shè)計了一套以微通道換熱器作為蒸發(fā)器的分離式熱管空調(diào),研究了充液率、室內(nèi)外溫差和風(fēng)機(jī)風(fēng)量等因素對其傳熱性能的影響[11]。

本文以R134a為制冷劑，構(gòu)建2 HP微通道分體式家用空調(diào)系統(tǒng)，以微通道換熱器作為冷凝器，以管-翅片式換熱器作為蒸發(fā)器，在額定制冷工況下，分別測試微通道家用空調(diào)器和常規(guī)家用空調(diào)器的主要制冷參數(shù)，并在不同制冷劑充注量下，對微通道家用空調(diào)器的主要制冷性能進(jìn)行討論。

1 實驗裝置及測試工況

實驗用微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)主要由渦旋壓縮機(jī)、微通道冷凝器、儲液器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、管-翅片式蒸發(fā)器組成。微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)如圖1所示。根據(jù)制冷系統(tǒng)工作原理，制冷劑依次經(jīng)過壓縮機(jī)、冷凝器、儲液器、干燥過濾器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器等。微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的具體工作流程如下：高溫高壓制冷劑蒸汽從壓縮機(jī)排出后，首先進(jìn)入冷凝器，與空氣進(jìn)行冷凝換熱，經(jīng)過儲液器和干燥過濾器，進(jìn)入熱力膨脹閥節(jié)流降壓，變成低溫低壓的氣液混合物；然后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收室內(nèi)空氣的熱量，變成過熱蒸汽，進(jìn)入壓縮機(jī)壓縮，成為高溫高壓蒸汽制冷劑后進(jìn)入新一輪循環(huán)。

1.1 實驗裝置

該實驗裝置主要包括制冷劑循環(huán)系統(tǒng)、室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測試與控制系統(tǒng)等。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)主要為制冷劑側(cè)換熱量的測量提供工質(zhì)等；室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要控制實驗室溫濕度、入口風(fēng)速及風(fēng)量等實驗工況；測試與控制系統(tǒng)用于監(jiān)控整個實驗過程的空氣環(huán)境。

圖1 微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)

為了研究微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器性能的影響，可建立專用于微通道換熱器的數(shù)學(xué)模型。本文在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的房間空調(diào)器額定制冷工況下，從流程布置、扁管高度、翅片高度以及扁管、翅片寬度方面，對微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后微通道換熱器作為新室外冷凝器。主要實驗設(shè)備的型號及參數(shù)如表1所示。

表1 主要實驗設(shè)備的型號及參數(shù)

1.2 測試工況

根據(jù)圖1搭建實驗臺后，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7725的要求，在標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室內(nèi)進(jìn)行測試。所選實驗室的測試能力為2～45 kW，蒸發(fā)器室和冷凝器室環(huán)境溫度的控制精度為±0.2 ℃。

以R134a制冷劑為工質(zhì)，根據(jù)GB/T 7705-2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在額定制冷工況下，分別測試微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)器制冷系統(tǒng)的各項性能，并在不同制冷劑充注量下，對微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。測試工況如表2所示。

表2 測試工況(額定工況) ℃

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 兩種制冷系統(tǒng)的性能比較

微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)和常規(guī)空調(diào)器制冷系統(tǒng)的各項性能如表3所示。

表3 兩種制冷系統(tǒng)的性能

從表3數(shù)據(jù)可以計算出，在額定工況下，相對于常規(guī)家用空調(diào)器，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的制冷量提高了3.85%，壓縮機(jī)功率降低了2.50%，COP提高了6.46%。

將室外冷凝器更換為微通道換熱器后，制冷劑通過微通道冷凝器后過冷度降低，在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱時可帶走更多的熱量，從而使系統(tǒng)制冷量增大。相比于常規(guī)家用空調(diào)器，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)中制冷劑的質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)功率降低，在制冷量增大和壓縮機(jī)功率降低的綜合作用下，系統(tǒng)的COP升高?？偟膩碚f，在額定工況下，相比于常規(guī)家用空調(diào)器，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的制冷量增大，壓縮機(jī)功率降低，COP升高，空調(diào)系統(tǒng)的整體性能大幅度提升。

2.2 不同充注量時微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的性能變化

圖2、圖3、圖4分別為微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)在額定制冷工況下制冷量、壓縮機(jī)功率、COP隨制冷劑充注量的變化曲線。

圖2 系統(tǒng)制冷量隨制冷劑充注量的變化曲線

圖3 壓縮機(jī)功率隨制冷劑充注量的變化曲線

圖4 系統(tǒng)COP隨制冷劑充注量的變化曲線

由圖2可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷量先升高后降低，當(dāng)制冷劑充注量從670 g升至710 g時，系統(tǒng)制冷量提高了8%；當(dāng)制冷劑充注量從710 g升至750 g時，系統(tǒng)制冷量降低了5.6%。這是因為，當(dāng)制冷劑充注量很小時，進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑的質(zhì)量流量很小，而蒸發(fā)器面積一定，所以蒸發(fā)器制冷量很小。隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷劑的質(zhì)量流量增大，蒸發(fā)溫度升高，從而使蒸發(fā)器制冷量增大。隨著制冷劑充注量的繼續(xù)增大，雖然蒸發(fā)溫度升高，但換熱溫差減小，所以制冷量減小?？傮w來說，在充注量從670 g升至710 g的過程中，制冷劑的質(zhì)量流量是影響蒸發(fā)器換熱的主要因素；在制冷劑充注量從710 g升至750 g的過程中，傳熱溫差是影響蒸發(fā)器換熱的主要因素。

由圖3 、圖4可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)壓縮機(jī)功率相應(yīng)增大，COP先升高后降低。當(dāng)制冷劑充注量從670 g升至710 g時，壓縮機(jī)功率增大4.7%，系統(tǒng)COP提高3.15%。當(dāng)制冷劑充注量從710 g升至750 g時，壓縮機(jī)功率增大5.13%，系統(tǒng)COP降低10.16%。這是因為，系統(tǒng)制冷劑充注量較小時，壓縮機(jī)功率與制冷劑的質(zhì)量流量成正比，隨著制冷劑充注量的增大，壓縮機(jī)吸排氣壓力比幾乎不變，壓縮機(jī)功率雖然有所提升，但變化不大，而系統(tǒng)COP是系統(tǒng)制冷量與壓縮機(jī)功率的比值，從圖2可知，隨著制冷劑充注量的增大，系統(tǒng)制冷量先增大后減小，所以系統(tǒng)COP也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。綜上可知，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的性能在制冷劑充注量為710 g時達(dá)到最佳。

3 結(jié)語

對微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的性能測試表明：相對于常規(guī)家用空調(diào)器，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的制冷量增大了3.85%，壓縮機(jī)功率降低了2.50%，COP提高了6.46%；在額定工況下，隨著制冷劑充注量的增大，微通道家用空調(diào)器制冷系統(tǒng)的制冷性能并不是一直呈現(xiàn)向上增長的趨勢，而是先增后減，其主要性能參數(shù)在制冷劑充注量710 g時達(dá)到最優(yōu)。為了將微通道換熱器更好地應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)，可以進(jìn)一步探討室內(nèi)外風(fēng)機(jī)風(fēng)量、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對微通道家用空調(diào)器性能的影響。