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平行流微通道换热技术在热泵热水器上的应用分析作者：闫克江寇颖举来源：《科学与财富》2015年第21期摘要：本文对平行流微通道换热技术应用于热泵热水器产品进行性能分析，通过微通道流程设计和样机实际对比试验测试，分析了热泵热水器应用微通道换热技术对产品性能提升产生的有益效果。
结果表明，微通道换热器效率高，换热性能优于常规换热器，同时，微通道换热器与热泵热水器水箱也存在一定的关系。
关键词：热泵热水器；性能；平行流；微通道；换热技术0 引言热泵热水器作为新一代的热水器产品，其运行性能及性能系数越来越受到关注，特别是国家实施能效备案和能效领导者制度以来，各生产厂商着力推出高能效产品，以在热水器行业内占用更大的市场。
而单纯依靠提高系统中的零部件性能（如使用高效压缩机，高效风机）或增加换热器的面积以提高产品的性能系数，势必增加了产品的成本，造成大量不可再生资源的浪费，同时也增加了消费者购买的成本。
热泵热水器水箱侧冷凝器的换热性能决定了水加热能效，也影响着产品的运行可靠性。
现有热泵热水器大多还是采用常规铜管或铝管盘管式换热器，由于其是圆形管状结构，与水箱内胆的接触面积较小，换热性能很难有较大的提升。
采用平行流微通道换热器，可明显地降低热水器的制造成本，提高产品的市场竞争力；随着新型铝材，新技术及加工工艺的开发，微通道换热器正逐步应用于家用和商用空调行业。
1 热泵热水器的性能评价指标热泵就是以冷凝器或其他部件放出的热量来供热的制冷系统[1]。
热泵热水器与周围环境在能量上的相互作用是从低温热源吸热，然后放热至高温热源，以冷凝器放出的热量来加热生活用水。
热泵的经济性指标是用热泵系数φ表示热泵效率[1]。
式中，为热泵向高温热源的输送热量，W为热泵机组消耗的外功，为制冷系数。
由上式可见，热泵系数永远大于1，所以，热泵从能量利用角度比直接消耗电能或燃料获取热量的要节能[1]。
热泵系数就是指热泵热水器的性能系数（COP），热泵在名义工况和规定条件下运行时，热泵制热量和热泵制热消耗功率之比，其值用W/W表示[2]。
平行流冷凝器概述平行流冷凝器是一种常见的换热设备，广泛应用于工业生产中。
它利用平行流换热原理，将高温气体的热量传递给低温冷却介质，实现冷凝反应或热回收。
在平行流冷凝器中，高温气体和冷却介质沿着相同的方向流动，从而实现最大的换热效率。
相比于其他类型的冷凝器，平行流冷凝器有着更高的热交换效率和更小的体积。
工作原理平行流冷凝器的工作原理基于热量传递和物质传递的基本原理。
当高温气体和冷却介质在平行流冷凝器中接触时，高温气体中的热量会通过传导、对流和辐射等方式传递给冷却介质。
同时，冷却介质会吸收高温气体中的热量，使其在温度和压力下凝结成液体。
平行流冷凝器通常由多个平行的管道组成，高温气体通过这些管道流动，而冷却介质则从另一侧流过。
这样，高温气体和冷却介质的热负荷逐渐平衡，实现了高效的热量传递。
结构设计管道结构平行流冷凝器的管道结构通常采用多管并联的设计。
这些管道通常由优质的导热材料制成，如铜、铝或不锈钢。
管道的直径和长度可以根据具体的冷凝需求进行设计。
冷却介质分配为了确保冷却介质均匀地流过管道，平行流冷凝器通常配备有冷却介质分配器。
这个分配器可以将冷却介质分配到每个管道中，保证热交换的均匀性和效率。
热量交换表面增强为了增加平行流冷凝器的热交换效果，可以在管道内部增加翅片或螺旋纹等热交换表面增强结构。
这些结构能够增加热交换表面积，提高换热效率。
应用领域平行流冷凝器在许多领域有着广泛的应用。
以下是它们常见的应用领域：1.制冷和空调系统：平行流冷凝器可用于冷冻和空调系统中，将高温制冷剂的热量传递给冷却介质，实现制冷效果。
2.化工工艺中的冷凝：在化工工艺中，许多反应会产生大量的热量。
平行流冷凝器可以将这些热量回收并利用。
3.发电厂中的汽轮机冷凝：发电厂中的汽轮机在工作过程中会产生大量的热量，平行流冷凝器可以用来冷凝汽轮机排出的湿蒸汽，提高发电效率。
4.石油化工中的冷凝：在石油化工过程中，平行流冷凝器可用于石油精炼和化学反应中的冷凝。
XXXXX股份有限公司冷凝器设计指南编制：审核：批准：目录目录 (2)1.1简要说明 (3)1.1.1综述 (3)1.1.2 基本组成 (3)1.2设计构想 (6)1.2.1 设计原则 (6)1.2.2设计步骤和参数 (6)1.2.3冷凝器总成的性能及其与系统其它组成部件的匹配 (12)1.2.4冷凝器布置工作程序： (13)1.2.5冷凝器EBOM数据 (14)1.2.6环境条件 (14)1.3、冷凝器的测试规范 (15)1.3.1 测试内容 (15)1.4 一般注意事项 (15)1.5 图纸模式 (16)1.5.1 图纸主要内容和形式 (16)1.5.2 图纸其它要求 (16)编制日期：编者：版次：页次：- 3 -1.1简要说明1.1.1综述汽车空调制冷系统中的冷凝器是一种由管子与散热片组合起来的热交换器。
其作用是：将压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸气进行冷却，使其凝结为高压制冷剂液体。
对于轿车，冷凝器一般安装在发动机冷却系散热器之前，利用发动机冷却风扇吹来的新鲜空气和行驶中迎面吹来的空气流进行冷却。
对于一些大、中型客车和一些面包车，则把冷凝器安装在车厢两侧或车厢后侧和车厢的顶部。
当冷凝器远离发动机散热器时，在冷凝器旁都必须安装辅助冷却风扇进行强制风冷，加速冷却。
1.1.2 基本组成汽车空调系统冷凝器的结构形式主要有管片式、管带式、鳝片式和平行流式四种。
是由管子与散热片组合起来的。
⑴..管片式它是由铜质或铝质圆管套上散热片组成，如图1-1所示。
片与管组装后，经胀管处理，使散热片与散热管紧密接触，使之成为冷凝器总成。
这种冷凝器结构比较简单，加工方便，但散热效果较差。
一般用在大中型客车的制冷装置上。
图1-1 管片式冷凝器及管带式冷凝器⑵.管带式它是由多孔扁管与S形散热带焊接而成，如图1-2所示。
管带式冷凝器的散热效果比管片式冷凝器好一些(一般可高10%左右〉，但工艺复杂，焊接难度大，且材料要求高。
窗机用平行流冷凝器空气侧的结构优化摘要：本文简单介绍了窗机用的冷凝器，对窗机用平行流冷凝器空气侧的结构优化进行了尝试。
关键词：窗机平行流冷凝器优化平行冷凝器是一种新型的换热器，具有高效、紧凑的特点，它最初是在汽车空调系统中应用的，近几年来被进一步推广应用到家用空调领域。
百叶窗翅片结构的换热性能比较高，平行流冷凝器空气侧一般都采用这种模式，制冷剂侧所采用的是小水力、直径多孔、扁管结构，其截面可以是圆形，这种结构能够强化空气侧和制冷剂侧传热，使平行流冷凝器具有换热系数高、结构紧凑并且质量轻、制冷剂充灌量不多的优点，已经成为了目前最有前途的换热器。
1 窗机用凝器的简单介绍用空气冷却式冷凝器由于具有方便的特点，在小型氟利昂制冷装置中的应用很普遍。
强制通风式和自然对流式是冷凝器的两种基本形式。
强制通风的空气冷却式一般用于缺水或者无法提供水的场合，因为它的冷却介质是空气，尤其是在小型的制冷装置中，由于其制冷剂是氟利昂，更适合于强制通风的空气冷却式冷凝器的应用。
翅片式管簇式、强制通风的空气冷却式冷凝器一般用于窗式空调器中。
冷凝器是一种换热设备，它把由压缩机排出的高温高压过热制冷剂蒸气，以传热管壁和（或）翅片没媒介，传输热量给冷凝器外的空气，使过热气态制冷剂冷凝成高温高压的液体。
在冷凝器中，制冷器要经过三个阶段的相态变化，即过热、两相和过冷。
在过热阶段和过冷阶段，制冷剂是单相的状态，其交换形式是显热交换，而在两相阶段，制冷器的交换方式则变成了潜热交换。
冷凝阶段是制冷器释放热量的主要阶段。
下面对平行流冷凝器空气侧的数值进行模拟分析，优化原有的平行流冷凝器，用特定公式计算，对窗式空调器的平行流冷凝器结构进行优化。
2 换热器的计算方法设计计算和校核计算是换热器热计算的两种基本类型。
设计计算的目的是确定所需的换热面积，它的计算方法是把给定的介质种类、流量和进出口温度结合合适的换热器型式和布置方案，计算出总的传热系数。
校核计算则是针对确定的对象（已知换热器），核算其两侧的流体温度是否达到了预期值。
文章编号：CAR137过冷式微通道平行流冷凝器数值模型赵宇祁照岗陈江平(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海，200240)摘 要本文总结了不同的微通道管内制冷剂冷凝换热与压降经验关联式，通过理论与实验分析选定最为合适的关联式建立了过冷式微通道平行流冷凝器数值模型。
通过实验验证，模型计算换热量误差在±5%以内，空气侧压降误差在±4Pa以内，制冷剂侧压降误差在-30～40kPa之间。
本文所建立的过冷式微通道平行流冷凝器模型精度满足换热器设计要求。
关键词过冷式冷凝器数值仿真关联式NUMERICAL MODEL FOR THE SUB-COOLING MICROCHANNELPARALLEL FLOW CONDENSERZhao Yu Qi Zhaogang Chen Jiangping(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai JiaotongUniversity, Shanghai 200240, China)Abstract This paper compared different pressure drop and heat transfer correlations in the minichannel and microchannel, choose the most suitable ones to develop the simulation model for sub-cooling condenser. The experiment result had a good agreement with the simulation model. The deviation of the condenser heat rejection is under ±5%, the condenser air side pressure drop deviation is ±4Pa and the refrigerant side pressure drop deviation is -30～40kPa. The simulation model for sub-cooling condenser developed in this paper could satisfy the requirement of heat exchanger design.Keywords Sub-cooling condenser Numerical simulation Correlation0 引言微通道换热器在车用空调系统中应用广泛，近年来在家用和商用空调中也得到大力推广[1-3]。
其中过冷式平行流冷凝器（sub-cooling parallel flow condenser）为近几年来提出的较新型的设计。
所谓过冷式平行流冷凝器，是将储液罐集成在传统冷凝器中，使储液罐后还有1到2个冷凝器流程（如图1），这样有利于保证制冷系统在不同工况下均有一定过冷度，从而提高系统效率，同时减小了储液器体积，有利于减少制冷剂充注量。
与传统冷凝器相比，制冷剂在过冷式冷凝器内的流动和换热特性发生较大变化，本文旨在针对过冷式冷凝器的结构特点，建立可用于换热器设计和优化的数值模型。
作者简介：赵宇（1985-），男，博士生。
图1 过冷式平行流冷凝器结构1 过冷式冷凝器数学模型冷凝器中的制冷剂包括过热区、两相区和过冷区3种状态，本文根据过冷式平行流冷凝器的流动和传热特性，在NIST制冷剂热物理性质计算程序的基础上(NIST RefProp V7.0)，采用分布参数方法将换热器划分为若干计算单元，针对过热、两相和过冷各个阶段的制冷剂的传热和压降特性选择合适的关联式，构建过冷式微通道平行流冷凝器的数值模型。
1.1 制冷剂侧传热与压降在微管内单相传热关联式中，Dittus-Boelter 公式[4]，Churchill 公式[5]以及Gnielinski 公式[6]是应用最为广泛的三个关联式。
这三个关联式在湍流传热中的精度最好，尤其是Gnielinski 关联式的应用范围包括了过渡流和湍流区域，考虑到在微通道冷凝器中，当制冷剂液体流量较小时，其流动将处于过渡流区域，所以在本文的模型中，单相冷凝传热使用Gnielinski 公式，其公式的具体形式参考文献[6]。
制冷剂侧单相压降可由下式计算获得，式中D h 为管子水力直径，G 为制冷剂质量通量，l 为管长，Re 为雷诺数，i ρ表示过热气体或过冷液体的密度。
ih G D l fP ρ22=Δ (1) 其中⎪⎩⎪⎨⎧>×≤=−)2300(Re Re 3164.0)2300(Re Re6425.0f微通道管中两相流动一直是传热学的研究热点。
冷凝器微通道扁管的水力直径大多在0.5~3mm 之间，目前公开发表的可用于微通道管两相流动传热计算的关联式及其适用条件如下表：表1 冷凝传热实验关联式列表 作者 水力直径D h (mm)适用制冷剂 Akers, Rosson [7]R12, propaneShah [8]7-40water,R-11,R-12, R-22,R-113, etc. Dobson,Chato [9]3.14-7.04R-12,R-22,R-134a, R410a,R407CYan, Lin [10] 2.0 R134a Heun [11]0.6-1.5 R134a 采用表1中的各个传热关联式进行计算与实验结果比较如下（图2）。
从图中可以看出，Dobson 和Chato 的关联式[9]虽然不是微通道管下的实验总结，但是其仍然很适合当前微通道技术，其仿真结果与实验值的误差最小且误差较稳定。
因此Dobson 和Chato 的冷凝传热关联式被本文所采用。
图2 微通道管内两相流动冷凝传热关联式仿真结果与实验比较制冷剂在两相区的压降比较复杂，主要由摩擦压降、减速压降和重力引起的压降三部分组成，如下式所示：g d fr P P P P Δ+Δ+Δ=Δ (2)其中平行流冷凝器水平放置，可以近似认为∆P g ＝0，减速压降∆P d 可以采用V .P. Carey [12]提出的关联式计算，而摩擦压降∆P fr 的计算关联式来自Zhang 和Webb [13]的经验公式。
1.2 空气侧传热与压降本文所研究的平行流冷凝器空气侧翅片采用的是百叶窗翅片，该种翅片的传热与压降特性以Wang C.C.所领导的研究小组发表的研究成果最为引人瞩目，其实验关联式适用范围较广，精度较高。
本文亦采用Wang C.C.等人的实验关联式[14-15]。
1.3 储液干燥器中制冷剂的压降由于在过冷式冷凝器中集成了储液干燥器，因此在对过冷式冷凝器进行仿真时，储液干燥器中制冷剂的压降也必须考虑进去。
由于目前对于过冷式冷凝器的研究很少，关于储液干燥器内制冷剂压降的关联式几乎没有相关文献，本文采用实验结果拟合出可用的关联式。
储液干燥器中制冷剂压降与流量的关系如图3所示，可以看到制冷剂质量流量的对数与压降的对数成较明显的线性关系，考虑到罐内的压降是饱和液体或过冷液体流经干燥器内分子筛等物质所造成的，可以认为罐内制冷剂压降只是制冷剂质量流量的函数，得到关联式如下：（3）790116.2log 66596.1.,1010−×=Δr M drier refriP图3 储液干燥器内制冷剂流量与压降关系2 实验验证为了验证前文中建立模型的可靠性，对如图4所示的过冷式冷凝器进行了实验测试。
试验在汽车空调综合性能实验台上进行，实验中测量参数的最大不确定度为3%。
实验中空气侧温度范围为25~45℃，冷凝器迎面风速范围为0.5~7.5m/s ，制冷剂入口压力范围为1300~2150kPa ，制冷剂入口过热度范围为15~35℃，制冷剂出口过冷度范围为3~15℃。
图4 过冷式冷凝器实验样件相同工况下过冷式冷凝器主要性能参数实验与仿真对比结果如图,从图中可以看出，绝大多数放热量仿真值与实验值的误差在±5%以内（图5），空气侧压降计算值与实验值之间的误差在±4Pa 之间（图6），而制冷剂侧压降的误差较大，在-30～40kPa 之间（图7）。
制冷机侧压降的误差主要由以下几个原因所致：1，计算中没有考虑集液管中制冷剂压降；2，冷凝器进出口管路压降没有计算在内；3，储液干燥器中制冷剂压降模型过于简单等。
考虑到冷凝器处于系统的高压侧，这样的压降误差仅为实际压力冷凝器内部压力的3%左右，对部件性能计算的影响不大。
所以该模型能够较好地与实验相吻合，这给过冷式平行流冷凝器的优化设计打下了基础。
图5 过冷式冷凝器放热量仿真与实验对比图6 空气侧压降仿真与实验结果对比图7 制冷剂侧压降仿真与实验结果对比3 结论（1）本文总结了微通道管内不同的传热与压降关联式并与实验进行对比，发现在不同工况下Dobson和Chato的管内两相传热关联式计算结果与实验误差最小；对微通道管内单相传热进行理论分析，确定Gnielinski关联式最为适合；空气侧传热与压降采用Wang C.C.等人的实验关联式，从而建立了过冷式微通道平行流冷凝器的数值模型。
（2）建立的过冷式冷凝器数值模型计算结果与实验进行对比，换热量误差在±5%以内，空气侧压降误差在±4Pa以内，制冷剂侧压降误差在-30～40kPa之间。
仿真模型与实验结果有很好的一致性，可以满足换热器设计的要求。
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