制冷空調(diào)技術(shù)的出現(xiàn)使得人類掌握了自主調(diào)節(jié)溫度變化、創(chuàng)造人工環(huán)境的能力，已成為決定現(xiàn)代社會中食品安全、衛(wèi)生健康、芯片技術(shù)、航空航天、高科技船舶、新能源汽車等重要科技領(lǐng)域發(fā)展水平的必不可少的支撐技術(shù)。制冷空調(diào)設(shè)備的生產(chǎn)和使用消耗了大量的材料和能源，如空調(diào)的使用可消耗城市峰值用電的60%，通過制冷空調(diào)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其節(jié)能節(jié)材，是減少碳排放的重要環(huán)節(jié)。

制冷空調(diào)的基本原理是，將熱量從某一環(huán)境中移除，實(shí)現(xiàn)該環(huán)境的溫度降低；被移除的熱量，需要轉(zhuǎn)到另一環(huán)境中，導(dǎo)致該環(huán)境的溫度上升。在這些熱量的轉(zhuǎn)移過程中，用到的熱量傳遞設(shè)備就叫換熱器。換熱器是制冷空調(diào)裝置中不可缺少的組成部分。目前應(yīng)用的制冷空調(diào)裝置，絕大多數(shù)采用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，其工作原理是，通過蒸發(fā)器吸熱，達(dá)到制冷效果；通過壓縮機(jī)將制冷劑壓縮后實(shí)現(xiàn)溫度上升；通過冷凝器將溫度較高的制冷劑的熱量向外傳遞；通過節(jié)流元件實(shí)現(xiàn)高溫高壓制冷劑的降壓降溫，使其再次具備制冷能力。壓縮式制冷循環(huán)需要4個(gè)核心部件，即蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流元件，號稱“制冷4大件”。蒸發(fā)器和冷凝器均為換熱器，即換熱器在壓縮式制冷循環(huán)4大件中占了一半。

筆者以采用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)的制冷空調(diào)裝置作為對象，介紹其中的換熱器技術(shù)及發(fā)展動態(tài)。換熱器型式選擇時(shí)，考慮選用使用量最大的換熱器型式，以及有更為先進(jìn)和有發(fā)展前景的換熱器型式。

1  制冷空調(diào)裝置對于換熱器的要求

實(shí)際制冷空調(diào)裝置除了蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件，還需要有其他部件協(xié)同工作。圖1所示為構(gòu)成一個(gè)典型的熱泵型空調(diào)器的主要部件及影響各自發(fā)揮的主要因素。蒸發(fā)器用于實(shí)現(xiàn)制冷劑的冷量向空氣傳遞，其中空氣的流動依靠風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)由電機(jī)驅(qū)動；冷凝器是散熱部件，其風(fēng)機(jī)用于輸送空氣與冷凝器進(jìn)行熱交換，并由電機(jī)驅(qū)動；壓縮機(jī)用于壓縮蒸發(fā)器出來的制冷劑氣體并排向冷凝器，現(xiàn)在主流的空調(diào)壓縮機(jī)都是變頻壓縮機(jī)，帶有變頻器，用于實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；節(jié)流裝置用于控制制冷劑流量大?。粐鴥?nèi)銷售的空調(diào)器絕大多數(shù)是熱泵型空調(diào)器，依靠四通閥使得制冷劑流向切換，以分別實(shí)現(xiàn)制冷與制熱功能。

圖1  熱泵型空調(diào)器性能的主要影響因素

制冷空調(diào)裝置的基本性能要求包括：足夠的冷熱量、能效高。對于冷熱量提升，蒸發(fā)器和冷凝器承擔(dān)冷熱量的傳遞，無疑是最直接的影響部件。對于能效提升，關(guān)注的重點(diǎn)大多會放到壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)這些直接耗能部件上。但針對產(chǎn)品的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)的效率都已經(jīng)做到很高，比如它們的電機(jī)效率可以達(dá)到90%以上，所以提升的空間有限。換熱器雖然不直接用電，但其傳熱溫差的存在導(dǎo)致系統(tǒng)不可逆損失的發(fā)生?？照{(diào)器在標(biāo)準(zhǔn)制冷工況下，蒸發(fā)器可以存在高達(dá)15 ℃以上的傳熱溫差，冷凝器存在約10 ℃的傳熱溫差，若與傳熱溫差為零時(shí)理想情況相比，能效有70%以上的提升潛力。因此，換熱器的換熱能力是提升制冷空調(diào)裝置性能的關(guān)鍵。

制冷空調(diào)用換熱器，最多的用途是用于實(shí)現(xiàn)制冷劑與空氣間的熱量傳遞；例如房間空調(diào)器中的蒸發(fā)器與冷凝器。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常低，這類換熱器的換熱性能提升重點(diǎn)是增強(qiáng)空氣側(cè)的換熱能力；采用在空氣側(cè)加大換熱面積是常用手段?？照{(diào)器中最常用的換熱器型式是翅片管式換熱器，管內(nèi)走制冷劑，管外流過空氣；管外設(shè)置很多換熱翅片，用于增大換熱面積，以彌補(bǔ)空氣側(cè)換熱系數(shù)低的不足。

制冷空調(diào)用換熱器，也有大量用于實(shí)現(xiàn)制冷劑和載冷劑間的熱量傳遞，以及載冷劑和空氣間的熱量傳遞。在集中式空調(diào)系統(tǒng)中，制冷劑先通過換熱器將冷量傳遞給載冷劑（水是最常用的載冷劑），再通過載冷劑送到各個(gè)房間與空氣進(jìn)行熱交換。載冷劑的傳熱能力遠(yuǎn)大于空氣，而與制冷劑相對接近；這使得用于制冷劑與載冷劑之間熱交換的換熱器型式，與制冷劑與空氣之間熱交換用的換熱器型式有很大的不同；但載冷劑與空氣之間熱交換的換熱器型式，與制冷劑與空氣之間熱交換較為接近，可以采用相同的換熱器型式。

換熱器的性能要求包括傳熱能力強(qiáng)、流體壓降小，并且力求在使用這些換熱器的制冷空調(diào)裝置的所有運(yùn)行工況下都能做到。對于空調(diào)用翅片管式換熱器，最基本的工況是制冷劑與換熱器外部的空氣在干工況下進(jìn)行熱交換。此時(shí)翅片管式換熱器的傳熱能力不如微通道換熱器。但換熱器實(shí)際使用時(shí)，作為蒸發(fā)器的換熱器經(jīng)常處于濕工況下，即外部空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)溫度下降到露點(diǎn)以下而有水分析出；析出的水可能會堵塞換熱器空氣側(cè)的一些強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重時(shí)可使整個(gè)空氣流道發(fā)生堵塞。在析濕工況下，翅片管式換熱器比微通道換熱器更容易排水。結(jié)霜會嚴(yán)重影響換熱器正常運(yùn)行，并且是熱泵型空調(diào)器很難避免的運(yùn)行工況。熱泵型空調(diào)器運(yùn)行中還有可能在換熱器中發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象，使得換熱器結(jié)冰部分失去換熱能力。灰塵堵塞也會使得換熱器無法正常換熱。換熱器腐蝕會導(dǎo)致其性能下降，若導(dǎo)致制冷劑泄漏，則制冷空調(diào)裝置會失效。

因此，合適的換熱器型式與功能要求相關(guān)。按照使用要求，可能需要在干工況、濕工況、結(jié)霜工況、結(jié)冰工況，以及積灰、腐蝕等多種情況下進(jìn)行綜合考慮。下面筆者將針對以上要求，選取有代表性的換熱器型式，介紹其關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢。

2  翅片管式換熱器

翅片管式換熱器是目前應(yīng)用最廣泛的換熱器型式，由換熱管與換熱翅片構(gòu)成，主要用于制冷劑與空氣的換熱。家用空調(diào)器的蒸發(fā)器和冷凝器基本上都采用翅片管式換熱器。圖2（a）所示為分體式空調(diào)器室內(nèi)機(jī)中常見的I型換熱器，圖2（b）所示為分體式空調(diào)器室外機(jī)中常見的L型換熱器，圖2（c）所示為換熱翅片結(jié)構(gòu)。

圖2  翅片管式換熱器結(jié)構(gòu)

翅片管式換熱器的主要材料是：換熱管用銅管，換熱翅片用鋁片。銅和鋁是2種重要的金屬材料，銅的換熱性能好于鋁；但近年來，明顯的銅價(jià)高、鋁價(jià)低的價(jià)格變化趨勢，使得制冷空調(diào)企業(yè)都有通過鋁代銅實(shí)現(xiàn)降成本的想法。在換熱翅片上較早實(shí)現(xiàn)了用鋁代銅，但是用鋁管代替銅管還不普遍，其中的主要原因是銅比鋁的耐腐蝕性強(qiáng)。換熱翅片發(fā)生腐蝕時(shí)，即使個(gè)別地方發(fā)生蝕透，只是導(dǎo)致性能下降，整個(gè)制冷空調(diào)機(jī)組仍能繼續(xù)工作；但換熱管只要有一個(gè)小點(diǎn)發(fā)生蝕透，就會發(fā)生制冷劑泄漏，導(dǎo)致整個(gè)制冷空調(diào)機(jī)組完全失效。

翅片管式換熱器的熱阻主要是在空氣側(cè)，強(qiáng)化空氣側(cè)換熱能力主要是加強(qiáng)空氣流過換熱翅片時(shí)的擾流。在這種思路下，換熱翅片的結(jié)構(gòu)從平片、波紋片向著橋片、百葉窗等開縫結(jié)構(gòu)型式發(fā)展，并且開縫結(jié)構(gòu)有著越來越復(fù)雜化的趨勢。圖2（c）中所示的翅片均為開縫翅片，其開縫結(jié)構(gòu)（圖中從左至右）變得更密、更復(fù)雜。

在換熱翅片設(shè)計(jì)過程中，需要考慮眾多的影響因素，選擇最優(yōu)的參數(shù)組合。需要考慮的主要因素包括翅片的長寬尺寸、開縫形式和開縫參數(shù)。圖3所示為換熱翅片的設(shè)計(jì)步驟。翅片設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)是保證換熱能力在析濕工況下仍較優(yōu)。

圖3  換熱翅片的設(shè)計(jì)步驟

筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了模擬翅片析濕過程的軟件，可以用于優(yōu)化翅片設(shè)計(jì)。圖4所示為百葉窗翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可見，優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)液橋阻塞開縫結(jié)構(gòu)的情況。通過析濕仿真可以了解不同開窗角度下的析濕、形成液橋、不出現(xiàn)液橋等多種情況，從而可以設(shè)計(jì)出最有利的結(jié)構(gòu)。

圖4  考慮析濕工況的翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于翅片管式換熱器制冷劑側(cè)換熱的強(qiáng)化，基本思路是在換熱管內(nèi)壁設(shè)置強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，主要是采用微肋形式增大制冷劑與換熱管的接觸面，同時(shí)增強(qiáng)對制冷劑的擾動。采用強(qiáng)化傳熱管會導(dǎo)致?lián)Q熱管的加工成本上升。但近年來，隨著銅材料價(jià)格的上升和強(qiáng)化管加工技術(shù)的成熟，強(qiáng)化管相對于光管具有明顯的優(yōu)勢，換熱器基本上采用強(qiáng)化傳熱管。

為了使得翅片管式換熱器在同樣體積內(nèi)具有更高的散熱能力，除了優(yōu)化翅片形式與銅管壁面，還有一個(gè)重要的發(fā)展方向，是采用更小管徑的換熱管。我國房間空調(diào)器開始批量生產(chǎn)時(shí)，換熱管的外徑為9.52 mm，后續(xù)下降到7 mm，現(xiàn)在的著力點(diǎn)是將管徑下降至5 mm及以下。換熱管細(xì)徑化的一個(gè)好處是能夠減少銅的消耗量，降低換熱器成本。管徑縮小，可使換熱管的耐壓強(qiáng)度增大，有利于減小銅管壁厚，節(jié)省銅材料。另外，管徑的縮小還有利于減少制冷劑的充注量。充注量的減少，可以減小制冷劑對于環(huán)境的影響；對于易燃型環(huán)保工質(zhì)（如R290）的應(yīng)用，則是直接降低了危險(xiǎn)性。

換熱管細(xì)徑化帶來一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如換熱器脹管時(shí)破損率的提升。換熱管直徑擴(kuò)大，會使得換熱管在長度方向產(chǎn)生收縮。管徑越小，脹管帶來的相對形變就越大，收縮就越明顯。管徑較大時(shí)，這種收縮效應(yīng)很小，就允許其自由收縮。但當(dāng)管徑達(dá)到5 mm及以下時(shí)，這種收縮造成換熱器成品質(zhì)量嚴(yán)重下降。解決該問題的思路之一是，采用強(qiáng)制式無收縮脹管工藝，不允許換熱管自由收縮，從而保證換熱器的成品率。圖5所示為強(qiáng)制式無收縮脹管工藝的原理圖。

圖5  強(qiáng)制式無收縮脹管工藝原理

3  微通道換熱器

用盡可能小的體積實(shí)現(xiàn)大的換熱量，即換熱器具有高的緊湊性，這是換熱器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。為了提升翅片管式換熱器緊湊性，需要采用較小管徑的換熱管。雖然5 mm管的應(yīng)用已經(jīng)規(guī)?；绻枰M(jìn)一步通過降低管徑提升緊湊性，需要在加工工藝等方面繼續(xù)做很大改動，會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性變差。微通道換熱器與翅片管式換熱器一樣適用于制冷劑與空氣的熱交換，但具有更高的緊湊性。

圖6所示為微通道換熱器的結(jié)構(gòu)，分別為換熱器結(jié)構(gòu)原理圖、實(shí)物照片圖以及扁管照片。與翅片管式換熱器相比，微通道換熱器采用的是扁管，每個(gè)扁管中有很多小孔，即相當(dāng)于包含了很多細(xì)管徑的流道，這些流道可以是圓流道、方流道或者更復(fù)雜的流道形式，其當(dāng)量直徑大多在1 mm以下。扁管可以采用多種金屬材料和加工工藝完成，目前最為成熟的金屬材料為鋁材；采用擠壓工藝，一次成型形成多個(gè)細(xì)管徑的流道，加工較為簡單。與采用銅管鋁翅片的翅片管式換熱器相比，全鋁的微通道換熱器具有更好的緊湊性，有利于減輕質(zhì)量。目前汽車熱管理中基本采用全鋁微通道換熱器，主要是因?yàn)槠囍械目臻g有限且對于質(zhì)量敏感。

圖6  微通道換熱器結(jié)構(gòu)

全鋁微通道換熱器被扁管分成幾層，每層之間放入換熱翅片，上下層之間的換熱翅片不連通。這會造成在析濕工況下析出的水分沒有辦法像翅片管式換熱器一樣通過上下連通的翅片向下流?？紤]到微通道換熱器緊湊性高的優(yōu)勢以及翅片管式換熱器翅片上下連通帶來排水性能好的特點(diǎn)，有研究人員提出一種插片式微通道換熱器，如圖7所示。插片式微通道換熱器與常規(guī)微通道換熱器結(jié)構(gòu)相似之處，均由集流管、微通道扁管和翅片組成。插片式微通道換熱器中微通道扁管兩側(cè)具有口琴型結(jié)構(gòu)，通過口琴型開口結(jié)構(gòu)與翅片進(jìn)行卡合固定，使得翅片和扁管能夠充分接觸，從而降低接觸熱阻。插片式微通道換熱器翅片結(jié)構(gòu)和常規(guī)微通道換熱器翅片結(jié)構(gòu)有所不同，翅片具有從傳熱面延伸至扁管外部的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，該具有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的翅片由模具沖壓而成，可使冷凝水順著該結(jié)構(gòu)流到散熱器外部，工作原理如圖8所示。

圖7  新型插片式微通道換熱器結(jié)構(gòu)

圖8  兩種微通道換熱器排水性能對比

上述微通道換熱器雖然結(jié)構(gòu)緊湊，但用于蒸發(fā)器時(shí)，存在嚴(yán)重的制冷劑分配不均勻的問題。傳統(tǒng)的圓柱式分配器制冷劑分配不均的原因，主要是兩相流制冷劑在分配器內(nèi)形成不規(guī)則的流型，并且在分配器頂部出現(xiàn)嚴(yán)重的氣液分離現(xiàn)象，如圖9（a）所示。這會導(dǎo)致上部換熱器部分可能進(jìn)入較多的制冷劑氣體，從而基本不再有換熱能力；下部換熱器部分進(jìn)入過多的制冷劑液體，從而無法完全蒸發(fā)。筆者的改進(jìn)思路是，將兩相流流型重整為均勻的離散泡狀流，從而實(shí)現(xiàn)制冷劑的均勻分配。具體實(shí)現(xiàn)方法為，采用內(nèi)置隔板使兩相制冷劑在分配器內(nèi)形成規(guī)則的離散泡狀流型，并且采用循環(huán)流道避免分配器頂部出現(xiàn)氣液分離的現(xiàn)象，如圖9（b）所示。

圖9  微通道換熱器用分配器結(jié)構(gòu)

4  板式換熱器

對于制冷劑與載冷劑進(jìn)行熱交換，2種熱交換介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)相差有限，因此一般不在某一個(gè)熱交換介質(zhì)側(cè)特別加裝換熱翅片。對于大型集中式空調(diào)，制冷劑與載冷劑之間進(jìn)行熱交換用的換熱器型式，以往基本采用管殼式換熱器，換熱管內(nèi)走一種流體，管外走另外一種流體。但是管殼式換熱器的體積較大。對于緊湊性要求高的場合，現(xiàn)已大量采用板式換熱器。

圖10所示為板式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖。換熱器主體部分由沖壓成型的換熱板組成，冷熱流體在換熱板形成的通道間交替流動，實(shí)現(xiàn)2種流體間的換熱，流體進(jìn)出口的接管可根據(jù)用戶需要安放在端板或底板上。換熱板四周的焊接線內(nèi)形成傳熱板兩側(cè)的冷、熱流體通道，冷熱流體通過板壁進(jìn)行熱交換。在相同換熱負(fù)荷情況下，板式換熱器的體積、質(zhì)量及所需的制冷劑充注量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管殼式換熱器。

圖10  板式換熱器結(jié)構(gòu)示意圖

換熱板波紋對于板式換熱器的熱力性能起到最主要的影響作用。換熱板可以被沖壓成很多種波紋形式，現(xiàn)有超過60種形式的換熱板波紋，其中V形波紋是常用和簡單的波紋形式。近年來，點(diǎn)波波紋的板式換熱器逐漸成為常用的產(chǎn)品。圖11所示為點(diǎn)波和V形板片結(jié)構(gòu)及形成的通道。點(diǎn)波波紋流動通道的結(jié)構(gòu)比人字波波紋流動通道結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對流體的擾動效果更佳明顯，換熱系數(shù)更高，但流動阻力更大。

圖11  板式換熱器的板片型式

板式換熱器除了作為制冷空調(diào)裝置中的換熱器使用，近年來還大量用作經(jīng)濟(jì)器。圖12所示為板式換熱器作為經(jīng)濟(jì)器在制冷系統(tǒng)中的安裝位置及壓-焓圖。經(jīng)濟(jì)器安裝于冷凝器之后，通過制冷劑自身節(jié)流蒸發(fā)吸收熱量從而使另一部分制冷劑過冷，使其具有更大的過冷度。對于低溫?zé)岜霉r，采用板換經(jīng)濟(jì)器和噴液增焓壓縮機(jī)相配合的方式，不僅可以提高機(jī)組低溫制熱能力（使制熱量提升40%）、擴(kuò)大機(jī)組運(yùn)行范圍（在低溫環(huán)境-20 ℃的情況下可提供50 ℃的熱水），而且可以提高系統(tǒng)運(yùn)行能效、降低運(yùn)行費(fèi)用。

圖12  板式換熱器作為經(jīng)濟(jì)器的示意圖和壓-焓圖

5  印刷板路換熱器

在液-液熱交換用的換熱器中，如果要進(jìn)一步提升換熱器的緊湊性，使其遠(yuǎn)高于板式換熱器，則需要進(jìn)一步減小流道的尺度，目前緊湊性最好的是印刷板路換熱器（PCHE）。圖13所示為一個(gè)具有代表性的PCHE結(jié)構(gòu)及其換熱芯體、流道軸向、流道截面。PCHE的單位體積比表面積高達(dá)2 500 m2/m3，滿足了高效緊湊的要求。

圖13  PCHE結(jié)構(gòu)示意圖

PCHE是利用化學(xué)腐蝕在換熱板上蝕刻出微細(xì)流道，由多層經(jīng)過化學(xué)腐蝕后的薄板經(jīng)擴(kuò)散連接后形成的換熱器芯體和封頭組成。具體的制造過程為：

1）通過化學(xué)腐蝕的方法腐蝕板片換熱流道，并將流道腐蝕后的所有換熱板按照流道介質(zhì)的性質(zhì)，冷熱流體流道交替對齊疊放；

2）相鄰板之間的接觸面通過擴(kuò)散焊，成為換熱器芯體；

3）進(jìn)行換熱器的組裝，將封頭和換熱器芯體通過焊接固定在一起。

擴(kuò)散連接是PCHE制造中的關(guān)鍵步驟，需要通過真空擴(kuò)散焊爐完成，其中焊接溫度和壓力的設(shè)置需要根據(jù)被焊組件的材料和尺寸而定。采用該連接方式，連接的是相同性能的材料，界面不產(chǎn)生液相，界面結(jié)合強(qiáng)度與母材相當(dāng)，從而能夠保持原材料的強(qiáng)度?，F(xiàn)階段的焊接工藝主要集中在不銹鋼、鈦合金和鋁合金等材料。

為了提升PCHE的性能，需要對孔直徑、孔間距、孔數(shù)目、彎角、節(jié)距、沿程長度、芯體長度、芯體寬度、芯體高度等參數(shù)（見圖13）進(jìn)行優(yōu)化。孔直徑一般控制在1.5~1.8 mm范圍內(nèi)，為使PCHE盡可能緊湊，在板片厚度固定的情況下孔徑要盡量取大?？组g距一般為0.3~0.7 mm；孔間距越小，能使PCHE更緊湊，且相鄰?fù)ǖ篱g的溫度場更加均勻，導(dǎo)熱性能更好；但孔間距過小，會使板片在擴(kuò)散焊時(shí)變形加劇。

6  制冷劑的換熱性能

換熱器換熱性能的提升，離不開制冷劑側(cè)換熱能力的強(qiáng)化，選用換熱能力強(qiáng)的制冷劑是很自然的考慮。只是在制冷劑選擇時(shí)，需要考慮的因素非常多，這會影響對于制冷劑自身換熱性能的考慮。例如，近年來的制冷劑選擇，大多以環(huán)保性能作為首要的考慮因素，要求必須做到臭氧層破壞潛能（ODP）為零，溫室效應(yīng)潛能（GWP）盡可能小。以空調(diào)器用的制冷劑為例，上世紀(jì)我國批量生產(chǎn)采用的制冷劑是R22，其ODP不為零。本世紀(jì)初開始，空調(diào)器中已大量采用ODP為零的R410A替代R22。但R410A的GWP較高，可用R32替代，因?yàn)镽32的GWP值只有R410A的1/3左右。并且R32容積制冷量比較高，系統(tǒng)充注量大約為R22的60%，因此與R22相比，R32溫室氣體直接減排率接近80%；考慮到R32產(chǎn)品能效的提高，采用R32作為替代技術(shù)將帶來更高的溫室氣體減排效果。

控制制冷劑的流動狀態(tài)是改善制冷劑換熱性能的重要方法，其中控制制冷劑流速可以發(fā)揮顯著的作用。一般來說，制冷劑的流速越高，換熱系數(shù)越大，從而可以減小傳熱溫差，減少不可逆損失，并有利于提升制冷系統(tǒng)能效。但是流速越高，會帶來流動壓降過大的問題，這樣又會增加不可逆損失。因此，制冷劑合理流速的確定，需要同時(shí)兼顧傳熱提升的正面效果與壓降增大的負(fù)面效果，取得綜合性能的最佳。當(dāng)制冷劑總流量一定時(shí)，改變制冷劑流速的主要方法是改變換熱器中的流路數(shù)。相互平行的流路數(shù)增加，可以減小制冷劑流速、降低壓降。換熱器的用途不同（用作蒸發(fā)器和冷凝器），對于換熱系數(shù)和壓降的關(guān)心重點(diǎn)也就不同。對于蒸發(fā)器，更需要避免壓降過大，這是因?yàn)檎舭l(fā)器內(nèi)壓力低，氣體密度小，導(dǎo)致相同質(zhì)量流量下的體積流量大，且加速壓降和摩擦壓降會有迭加效應(yīng)，這樣不僅容易造成蒸發(fā)器的總壓降較大，而且低壓下相同壓降對應(yīng)的溫降較大，即對應(yīng)的不可逆損失較大。冷凝器內(nèi)壓力高，氣體密度大，導(dǎo)致相同質(zhì)量流量下的體積流量小，且加速壓降和摩擦壓降有相互抵消作用，這樣冷凝器的總壓降比較??；高壓下，相同壓降對應(yīng)的溫降較小，即對應(yīng)的不可逆損失較小。

控制制冷劑中的潤滑油含量也是提升制冷劑換熱性能的途徑之一。制冷劑在蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)中循環(huán)時(shí)，不可避免地會與壓縮機(jī)內(nèi)的潤滑油接觸混合。潤滑油的存在對制冷劑的物性及管內(nèi)流型的轉(zhuǎn)化有不同的作用，從而影響制冷劑的換熱性能。圖14所示為R32-潤滑油混合物在管徑為7 mm的光管內(nèi)流動沸騰換熱系數(shù)隨干度和油濃度的變化?？梢钥闯觯舭l(fā)溫度為5 ℃時(shí)，R32-潤滑油混合物管內(nèi)局部換熱系數(shù)在低干度下（x<0.4）隨油濃度的升高而升高；在中、高干度下（x>0.5），局部換熱系數(shù)隨油濃度的增大先增大再減小，并在3%油濃度處取得最大值；隨著干度的增大，局部換熱系數(shù)的最大值逐漸趨于低油濃度，并且在高干度下（0.6<x<0.7），于3%油濃度處取得局部換熱系數(shù)的最大值。

圖14  蒸發(fā)溫度為5 ℃時(shí)R32-潤滑油混合物光管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度和油濃度的變化

潤滑油對于換熱系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面潤滑油的存在增大了液相的表面張力、液面的延展性以及潤滑油與管壁的接觸面積，同時(shí)增加發(fā)泡點(diǎn)，從而增強(qiáng)換熱；另一方面潤滑油會增大液體的黏性，會削弱換熱。這2個(gè)方面的綜合作用，決定了油的存在對混合物換熱的增強(qiáng)或削弱作用。在低干度下，核態(tài)沸騰換熱在制冷劑-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰換熱中占主導(dǎo)地位，這時(shí)潤滑油的存在增加了制冷劑的發(fā)泡點(diǎn)，強(qiáng)化了核態(tài)沸騰換熱，起到增強(qiáng)換熱的作用；在中高干度下，對流換熱在制冷劑-潤滑油混合物管內(nèi)流動沸騰換熱中占主導(dǎo)地位，這時(shí)潤滑油的存在增加液膜的黏度，惡化了強(qiáng)制對流換熱，從而削弱換熱。

7  換熱器的長期運(yùn)行性能

制冷空調(diào)產(chǎn)品出廠時(shí)標(biāo)示的性能，是產(chǎn)品狀態(tài)全新時(shí)的性能，而用戶真正需要關(guān)心的是產(chǎn)品在整個(gè)實(shí)際使用過程中的性能。因?yàn)閾Q熱器性能衰減、壓縮機(jī)磨損、風(fēng)機(jī)功率下降、制冷劑泄漏等原因，制冷空調(diào)產(chǎn)品在使用過程中會出現(xiàn)制冷量或制熱量明顯下降、能耗明顯上升的問題。在上述這些影響長期運(yùn)行性能的因素中，積塵、腐蝕、微生物污染等因素會導(dǎo)致?lián)Q熱器性能下降，也是造成制冷空調(diào)產(chǎn)品性能下降的主要原因，其中換熱器積塵又是最主要的因素。

換熱器表面的積灰，是空氣中的固體懸浮顆粒物在換熱器表面上的沉積，其來源包括揚(yáng)塵、燃煤、機(jī)動車排放、有機(jī)物燃燒、工業(yè)排放以及其他二次顆粒物等；可能還有纖維，如衣物、紙屑和寵物皮毛等。由于纖維本身具有對顆粒物的捕集效應(yīng)，使得當(dāng)換熱器表面附著有纖維時(shí)，換熱器表面的粉塵沉積量將顯著提高。

換熱器結(jié)構(gòu)型式對其翅片表面積灰情況有明顯的影響。開縫翅片和百葉窗翅片管式換熱器比波紋翅片和平直翅片管式換熱器更容易積灰，原因是翅片表面的開縫結(jié)構(gòu)增大了粉塵顆粒和翅片表面的接觸面積。在翅片管式換熱器中，翅片間距越小，粉塵越容易沉積；管排數(shù)越多，灰塵越容易沉積。對于沉積在翅片表面的粉塵質(zhì)量以及粉塵顆粒直徑的調(diào)研結(jié)果表明，粉塵沉積率與粉塵濃度成正比；大直徑的粉塵顆粒物比小直徑的粉塵顆粒物更不易沉積；換熱器的迎風(fēng)面為粉塵的主要沉積處。

換熱器表面積灰對其性能的影響主要集中在降低空氣側(cè)換熱量和增大空氣側(cè)壓降這2個(gè)方面。研究表明，空調(diào)器室外機(jī)在使用一定年限后，表面會沉積大量粉塵污垢，從而嚴(yán)重降低換熱性能。實(shí)際調(diào)研案例顯示，在室外正常運(yùn)行6年的表面式冷卻器，粉塵污垢使得換熱量衰減14%，空氣側(cè)壓降增幅達(dá)145%；使用7年的空調(diào)換熱器由于積灰導(dǎo)致?lián)Q熱量衰減10%~15%，空氣側(cè)壓降增幅為44%。

換熱器翅片表面在干工況和析濕工況下積灰情況不同。對于高濕度空氣流動的工況，濕空氣中的水蒸氣會潤濕顆粒物表面并使?jié)耦w粒物集聚形成濕顆粒群。相對于表面干燥的大氣顆粒物，濕顆粒物更容易粘附在換熱器翅片表面和換熱管束表面，形成較厚的顆粒物污垢層。

對于析濕工況，一方面換熱器翅片表面的積塵受結(jié)構(gòu)因素和工況因素的影響，另一方面含塵液滴的長大和運(yùn)動過程會造成換熱器性能衰減。當(dāng)空調(diào)器處于制冷模式運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)器給室內(nèi)提供冷量，同時(shí)翅片表面會發(fā)生析濕現(xiàn)象，如圖15（a）所示。此時(shí)，翅片表面的溫度一般低于空氣露點(diǎn)，室內(nèi)空氣流經(jīng)冷的翅片表面時(shí)，空氣中的水蒸氣會在翅片表面形成水滴。水滴在翅片表面形成過程中，空氣中的粉塵顆粒物會不斷地被水滴吸附并形成含塵液滴；當(dāng)壁面上的水滴不斷長大時(shí)，粉塵顆粒物在壁面上的沉積量會明顯提高，最大可達(dá)干燥狀態(tài)時(shí)的6.7倍，如圖15（b）所示。當(dāng)如此多的污垢覆蓋在翅片表面時(shí)，換熱器空氣側(cè)的流通面積減小、空氣側(cè)的熱阻增大，從而導(dǎo)致?lián)Q熱器的長效性能出現(xiàn)嚴(yán)重的衰減。

圖15  析濕工況下?lián)Q熱器翅片表面積塵前后對比圖

換熱器運(yùn)行一段時(shí)間后其長效性能除了受積塵影響，還受到鹽霧腐蝕、微生物污染和間歇運(yùn)行等3個(gè)方面的影響。鹽霧腐蝕的影響主要采用試驗(yàn)方式對腐蝕程度不同的翅片管式換熱器展開研究，集中在對換熱器空氣側(cè)壓降的影響。微生物污染主要是換熱器在濕工況下的運(yùn)行使得翅片表面容易在潮濕陰暗的環(huán)境中滋生微生物從而產(chǎn)生污垢熱阻。

開發(fā)換熱器除塵技術(shù)及時(shí)去除換熱器翅片表面的積塵，有利于改善換熱器的長效性能。對于換熱器翅片表面的疏松灰塵，可采用在其表面形成局部高風(fēng)速的方法吹除，代表性技術(shù)如氣流定向除塵技術(shù)。該技術(shù)通過設(shè)置外部風(fēng)簾及相應(yīng)的控制方式，加強(qiáng)換熱器不同流道位置中的風(fēng)量，從而實(shí)現(xiàn)該處的除塵。

對于換熱器表面的密實(shí)灰塵，上述氣流定向除塵技術(shù)難以發(fā)揮作用，可采用灰塵內(nèi)部結(jié)冰脹脫的方法去除，即讓積灰層吸濕后結(jié)冰膨脹剝離，再通過化冰使其脫落，如圖16所示。首先將換熱器表面溫度降低至冰點(diǎn)以下，使水氣透過灰塵并在金屬冷表面上發(fā)生凝結(jié)；然后將形成的冷凝水進(jìn)一步結(jié)冰并膨脹，將灰塵從金屬表面剝離；最后提高換熱器翅片表面溫度，將冰層融化以使剝離的灰塵脫落，從而實(shí)現(xiàn)自清潔。

圖16  利用結(jié)冰脹脫方式進(jìn)行灰塵自清潔的物理過程

提高防積灰長效性能，可以通過在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就加以考慮。適當(dāng)增大換熱器迎風(fēng)面的翅片間距可以減緩換熱器迎風(fēng)面出現(xiàn)的灰堵，減小波紋翅片的波紋高度和波紋角度，減少開縫翅片的開縫數(shù)目，也可以達(dá)到降低灰塵在翅片表面附著的目的。在換熱器的設(shè)計(jì)中，大多是在不考慮長效性能的情況下，力求獲得最大的換熱能力，傾向于設(shè)計(jì)更復(fù)雜的翅片幾何形狀、加密翅片間距等，這些都會造成翅片表面更容易積灰。對于翅片管式換熱器的翅片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要找到防積灰能力與換熱能力之間的平衡，以同時(shí)滿足換熱器高效和長效的要求。

8  結(jié)論

換熱器是制冷空調(diào)裝置中不可缺少的組成部分，其產(chǎn)生的熱力學(xué)不可逆損失是造成制冷空調(diào)裝置實(shí)際能效低于逆卡諾循環(huán)的主要原因。筆者對翅片管式換熱器、板式換熱器、印刷板路換熱器、微通道換熱器等具有代表性的制冷空調(diào)用換熱器型式作如下總結(jié)：

1）翅片管式換熱器是應(yīng)用最廣泛的換熱器型式，主要用作蒸發(fā)器和冷凝器。該類換熱器發(fā)展的趨勢是采用更小管徑的換熱管以提升換熱器的緊湊性，大批量應(yīng)用的換熱管外徑現(xiàn)已達(dá)到5 mm及以下。小管徑換熱器的采用，能夠降低換熱器成本、降低制冷劑充注量。但換熱管的管徑縮小帶來加工難度的上升，需要采用新的工藝，例如在脹管時(shí)需要采用強(qiáng)制式脹管機(jī)。

2）微通道換熱器較翅片管式換熱器更為緊湊，但排水相對不暢。插片式微通道換熱器在翅片上加入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)代替一般的波紋型翅片，翅片與微通道扁管之間采用卡合固定，有利于冷凝水的排除，同時(shí)具有較高的緊湊性。

3）板式換熱器的性能主要由換熱板的波紋形式所決定。人字波板片出現(xiàn)較早，點(diǎn)波波紋的板式換熱器是近年來出現(xiàn)的新型板片結(jié)構(gòu)換熱器。板式換熱器除了作為換熱器使用，近年來作為多聯(lián)機(jī)的經(jīng)濟(jì)器也得了較多的應(yīng)用。

4）印刷板路換熱器是由多層經(jīng)過化學(xué)腐蝕后的薄板經(jīng)擴(kuò)散連接后形成的換熱器芯體和封頭組成，具有緊湊高效、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是高壓、受限空間下高效換熱的首選，但其價(jià)格較高。

5）制冷劑的換熱性能提升，需要綜合考慮制冷劑的流速、流型、潤滑油的混入等因素。

6）制冷空調(diào)裝置長期運(yùn)行后會出現(xiàn)性能下降，換熱器表面積塵是重要原因，需要研究掌握可以及時(shí)去除灰塵的技術(shù)。

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本文標(biāo)題：制冷空調(diào)用換熱器的高效傳熱技術(shù)

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