1、清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室微通道冰箱冷凝器優化設計張會勇 李俊明 李紅旗2008-9-18清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室主要內容 背景 微通道換熱器概況介紹 微通道冰箱冷凝器 計算模型 計算結果分析 結論清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室背景 自Tuckerman從上世紀80年代提出采用微細通道強化傳熱以來，微細尺度換熱研究的不斷進展，微通道換熱器也開始得到應用。 微細尺度換熱研究起初以提高電子散熱速率而提出來的，后來微細通道多通道扁管的產生，促使了微細通道換熱器在汽車空調上的應用，主要是用于氣體冷卻器。 近年來，銅材價格不斷上漲，使制冷空調系統兩器的成本提高，進

2、而使整機的成本不斷提高，企業面臨較大的成本壓力。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室背景 微通道換熱器在汽車空調上的成功應用，人們開始探討此種類型的換熱器是否可用于家用空調，并進行了大量的研究和評估。 微細通道換熱器用于家用空調，一般采用的百葉窗式換熱器結構，在多孔鋁帶之間布置各種不同形式的肋片。如百葉窗翅片、錯列翅片，波紋翅片等。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室實例清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室背景 我們課題組1996年開始研究微細通道傳熱，2005年開始探討微細通道換熱器在家用空調上的應用，進行了一些前期調研，隨后在2006年得到國家863項目資助下開始進行采用微通道

3、高效換熱器的熱泵型空調器的研制，目前即將進行整機性能測試。 許多大學和空調廠商如GIT，UIUC，Carrier和Modine等企業已經開始進行系統的測試，不過仍有許多問題需要解決，才能真正的走向產業化。 我們認為國內的廠商也要加快相關方面的準備，及時進行相關的研發，否則外國企業將會通過專利保護的方式設置技術壁壘。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室優缺點優點 管側： 換熱增強 制冷劑充注量減小 可能的壓降降低等。 空氣側： 流動阻力降低 強度增大、不易破壞 全鋁結構、抗腐蝕 采用釬焊技術、接觸熱阻小，肋片不易脫落 無管道后的尾區，有利于換熱 有利于清洗，修理 清華大學熱科學與動力工程教育

4、部重點實驗室缺點 影響因素眾多 如肋間距、肋高、流動長度、窗角、風速 結霜結露現象嚴重 設計靈活性弱 成本問題及沒有比較通用的計算公式清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室微通道換熱器用于電冰箱 我們提出如右圖所示結構的微通道冰箱冷凝器結構。進氣管同壓縮機連接且管道規格相同。下降段的上下集管和進氣管相同，下降管采用微通道管，管徑約為0.51.5 mm。并提出在散熱板與絕熱發泡層之間如留用一定間隙，可利用間隙內的空氣對流提高換熱效果。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室布置方式 為了增大換熱面積、甚至達到僅在一側安裝冷凝器即可達到額定的負荷，可以在散熱板和發泡層之間留出一點空間，利用該空間

5、內的自然對流增大散熱量。 TWTS：兩板兩側換熱 TWOS：兩板一側換熱（同現有冰箱） OWTW：一板兩側換熱清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室本文內容 對上述微通道電冰箱冷凝器的上升段和下降段進行數值計算。探討不同管徑、不同管道個數對換熱管所需長度、質量以及壓降的影響。并根據現有計算結果，選擇最優設計參數，并與原型機參數進行比較。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室原型機簡介 換熱管外徑4mm，壁厚0.51mm 換熱管總長：13.61m 板寬475 mm，長1546mm，質量1.517kg清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室原型冷凝器圖示清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室

6、計算模型換熱系數 管側換熱系數：單相：迪圖斯公式 兩相：Shah公式（偏保守） 管壁導熱：一維導熱模型 外部：大空間自然對流（層流） 關于間隙：存在間隙時，認為間隙內部也符合大空間的條件，因為根據大空間的判別準則，對于高度為1m的板，縫隙寬度只要大于1cm即可，顯然這個條件容易滿足。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室散熱模型 把散熱板看作是關于管道與散熱板接觸線對稱的直肋，從而根據肋片導熱方程得：0)(inf22TTAhPxTcp)2tanh(mLAPhQcpo)2tanh(11mLAPhRcpoo 一面熱阻為：清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室 由于兩邊對稱，且為并聯。故總熱阻：

7、 這樣外部總熱阻為： 每個計算單元換熱量)2tanh(21211111mLAPhRRRRRRcpoooooooocitRRRRtieRTTQinf清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室阻力模型 單相：布拉修斯公式： 兩相：包含三個部分：摩擦壓降，重力壓降、加速壓降 摩擦壓降：L-M模型 重力壓降：均相模型 加速壓降：與進出口動量變化有關25. 0Re3164. 0ff清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室關于重力壓降和加速壓降 重力壓降是由于重力的左右使得不同高度的位置產生不同的附加壓力。因此對于上升段，由于高度不斷升高，重力產生的壓力下降，產生重力壓降。對于下降段，則相反，產生重力壓升。

8、因為隨著兩相流體在下降段凝結的不斷進行，平均密度增大，重力作用增大，重力壓升增加較快。甚至達到與摩擦壓降平衡的地步。 加速壓降只有在流動加速的情況下才能產生，而在流動不斷減速的情況導致壓升，而不是壓降。 總壓降取決與摩擦壓降，重力壓降和加速壓降之和。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室計算過程 首先根據原型機和壓縮機參數確定原型機的散熱量以及制冷劑流量。 假定散熱板外壁面平均溫度，依次計算自然對流換熱系數、輻射換熱系數、管內外及導熱熱阻，計算單元換熱量，修正假定的外壁面平均溫度，確定單元內壓降，計算單元出口參數，并作為下一個單元的入口參數，不斷進行計算。 計算過程中所有物性參數均來自NIS

9、T的制冷劑物性計算軟件RefProp Version 7.01進行實時更新。清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室計算工況 冷凝器工作工況為標準工況，具體參數如下：蒸發溫度-23.3C環境溫度32.2C冷凝溫度54.4C冷凝負荷136.5W吸氣溫度32.2C制冷劑流量1.4 kg/h過冷溫度32.2C清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室壓縮機出口參數 即冷凝器入口參數來自原型機壓縮機實際測試所得數據。 入口參數如下：項目參數排氣溫度54.52C排氣壓力 0.7621 MPa吸氣溫度32.31C吸氣壓力0.0622 MPa清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室計算結果-上升段 壓降不斷增

10、大 當高溫高壓氣體進入冷凝器后，板的溫度迅速升高到最大值，對應最大的管內換熱系數，管內熱阻最小。 這樣可以確定上升段的出口參數，即下降段的入口參數。0.00.20.40.60.81.01.2322323324325326 HTWTSUpward Section0481216T0 KQ W-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0 DP kPa清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室上升段出口參數清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室計算結果-下降段 下降段按照固定寬度，不同管道個數（對應不同的肋片高度和肋片效率）進行計算。同時假定： 上集管內的壓降忽略不計 各下降段內的流量分布均勻 上集

11、管本身帶來的換熱忽略不計，僅計算下降微細通道的換熱。 以滿足換熱量為計算結束判別條件清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室換熱管長度 不同安裝條件下需要的微細管高度46810121416182022240.51.01.52.02.53.0H mn d=0.5 TWTS d=1.0 TWTS d=1.5 TWTS d=0.5 TWOS d=1.0 TWOS d=1.5 TWOS d=0.5 OWTS d=1.0 OWTS d=1.5 OWTSH=1.3清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室換熱管總質量（含上升段）468101214161820222426280.40.60.81.01.21.

12、41.6M kgn d=0.5 TWTS d=1.0 TWTS d=1.5 TWTS d=0.5 TWOS d=1.0 TWOS d=1.5 TWOS d=0.5 OWTS d=1.0 OWTS d=1.5 OWTS清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室下降段壓降（TWTS）4681012141618202224-60-50-40-30-20-10010Two Wall Two Side d=0.5 d=1.0 d=1.5DP kPan清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室滿足條件的數據清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室最優參數選擇 根據前述的幾何條件、質量和壓降條件得到滿足條件的數據，從中挑出最優參數，從表中可以看出，最小壓降對應著最大的質量，材料消耗偏大。 如果根據最小壓降的方式去選擇的話，對應的質量分別比原型機少48.6%（TWTS）和26%（TWOS）。 但上述所謂最優參數是根據計算的工況選擇的，對于其他條件，如不同的管徑可能有更優的參數（進