微通道换热器介绍

微通道换热器根据其流路型式又称平行流换热器，最先出现在电子领域。随着科技的进步和加工手段的更新，电子产品集成化程度越来越高，电子元件的散热就成为了最棘手的问题。于是人们将微技术也应用到了散热器方面。微通道技术可以大大提高过程机械装置的传热和传质效率，由于尺寸较小，面积体积比增大，表面作用增强，从而导致传递效果有明显的增强，比常规尺寸提高了2~3个数量级。

微通道换热器的良好性能使其应用领域迅速扩大，人们开始将微通道换热器应用在汽车领域。现阶段汽车空调的冷凝器以及蒸发器都在使用微通道换热器。它质量轻、换热系数高、耐腐蚀的特点正好满足了汽车空调对于高性能换热器的需求。

一般认为，对于传热和流动而言，当量直径在μm~3mm的通道属于细通道(mini-channels)，当量直径0μm~μm的通道为微通道(micro-channels)。但对于相变传热，研究表明，当当量直径小于3mm时，随着管径的减小，重力、表面张力和界面剪切力的相对重要性将发生变化，导致管内凝结和沸腾换热机理不同于普通管道，气液两相流型及其转化规律也将显示出明显的尺度效应。因此，在涉及相变传热时，习惯上也将3mm以下的通道统称为微通道，或微细通道。

研究表明，当流道尺寸小于3mm时，气液两相流动与相变传热的规律将不同于常规较大尺寸，通道越小，这种尺寸效应将越明显。当管内径小到0.5~mm时，对流换热系数可增大50%~00%。将这种强化传热技术用于空调换热器，适当改变换热器的结构、工艺及空气侧的强化传热措施，可有效地增强空调换热器的传热能力，提高其节能水平。与最高效的常规换热器相比，空调器的微尺度换热器整体换热效率可望提高20%~30%。

平行流冷凝器主要由集流管、多通道扁管和百叶窗翅片三部分组成。集流管将不同根数的扁管组合成一个流程，由不同流程组成冷凝器。集流管起分流和合流的作用，同时也是整个冷凝器的结构支架。制冷剂进入平行流冷凝器后，与传统的单进单出冷凝器的区别在于：平行流冷凝器中制冷剂由联接管道首先进入分流集流管，然后分流至各制冷剂扁管与空气进行传热，最后到合流集流管合成一路，进入下一流程的分流集流管。

微细通道换热器具有结构紧凑，换热效率高，重量轻，制冷剂侧和空气侧流动阻力小等特点，经历了管片式，管带式，最后发展为平行流式(也称微细通道式)。管片式换热器也叫翅片管式换热器，是目前家用空调中广泛采用的换热器形式，结构如图-所示。

管片式一般由圆管和各种型式的翅片组成，圆管与翅片间通过涨管连接，接触阻力较大，换热系数较低，管子与翅片之间容易产生相对运动，肋片上的孔逐渐被扩大，会降低换热效率，缩短使用寿命。管片式换热器虽然换热效率较差，但加工工艺简单，成本较低，在空气侧和制冷剂侧都采用强化传热措施，其换热效率也有一定的提高，因而目前在家用空调中仍广泛应用。

在90年代中期，汽车空调的蒸发器和冷凝器已广泛采用管带式换热器，管带式换热器的结构如图-2所示。

管带式换热器单位体积表面积一般大于m2/m3，属于紧凑式换热器。管带式换热器是由一条连续的铝合金材料挤压成多孔通道扁管，然后将其机械弯曲成等间距的蛇形弯，同时将带状铝箔经冲压成缝，并折成U形或V形，其高度等于蛇形弯的间距，把加工好的铝带管夹入蛇形管间，呈叠置方式，在夹具中把蛇形管夹住，并施加适当的压力压紧，使管与片之间产生一定的接触阻力，再进行整体钎焊而成。目前为了提高制冷剂侧传热效率，扁管已采用带内翅的形式，以增加管内换热面积和增加管内扰动，提高换热效率，同时提高扁管的承压能力。

相对于管片式换热器，管带式换热器有以下几个特点：

()制冷剂侧换热器效果明显增强，但流动阻力也增大。管带式换热器采用扁管与较小的水力直径，在扁管的截面积与圆管面积相等的条件下，扁管内制冷剂的湿周周长较圆管大，传热面积增加，热阻小，因此换热系数增加；但是管带式换热器一般只有一条制冷剂通道，制冷剂要通过整个扁管流道，阻力损失较大。

(2)空气侧换热系数提高，而空气侧压降减小。空气侧采用多重百叶窗翅片，为间断型强化扩展表面，它能有效地破坏边界层的连续生成，从而强化空气侧换热；同时多孔扁管的迎风面尺寸明显小于管片式圆管，因而迎风面积小，流形有利，形状阻力低，能大大减小管后尾迹区的换热面积，从而强化空气侧换热，并减少了空气阻力。对椭圆形和圆形翅片管分别进行实验，结果表明椭圆形与圆管相比，空气侧换热系数提高5%，而压降减小25%。

(3)从结构和工艺看，蛇形弯可省去很多弯头和焊接弯头，工艺简单，且减小了制冷剂可能的泄漏点，提高了可靠性，减少了铝箔冲孔工艺，材料利用率高；因扁管与翅片的连接，需焊接以提高接触面积和传热效果，而焊接工艺比较复杂，难度增大；从材料来看，扁管和翅片都是铝材，铝的比重仅为铜的三分之一，重量轻，成本低。在空调器中的相关研究表明，在相同制冷量的情况下，微通道换热器的重量、制冷剂使用量分别只有常规换热器的/4到/2。制冷模式下，使用微通道换热器的迎风面积减小23%，使系统的COP提高%～6%。

(4)从耐腐蚀性来看，微通道换热器由于采用的是纯铝结构，耐腐蚀性比铜管和铝制翅片的翅片管式换热器优良许多。据此做两个稳定性实验，考验微通道冷凝器的实用性能。一个实验是在实验室进行的循环腐蚀实验。管带式换热器和管翅式冷凝器放在同一实验室中，该实验室将循环模拟浓雾、高温高湿、低温高湿、低温低湿这四种环境，观察换热器的损坏情况。定义换热器泄露或丧失掉5%的散热能力为换热器损坏。结果管翅式冷凝器的损坏时间是h，而管带式换热器的损坏时间是h。另一实验室在露天场所进行。管带式换热器和管翅式冷凝器被露天放置一年后进行检测。结果表明，管带式换热器换热能力没有变化，而管翅式冷凝器的换热能力减少了将近8%。

现在的平行流式微细通道换热器是在汽车空调工质替代过程中产生的。它的结构如图-3所示，也由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成，但扁管是每根截断的，在扁管的两端有集流管，根据集流管是否分段，可分为单元平行流式和多元平行流式。单元式平行流微细通道换热器为单流程结构，即制冷剂从入口集流管进入各多孔扁管流道，经过一个流程的换热后，接着从出口集流管中流出。

多元平流式微细通道换热器集流管中有隔片格断，每流程管数可不同。当换热器作为冷凝器时，因为进入冷凝器时制冷剂呈气态，比容最大，管数也最多，随着制冷剂逐渐冷凝成液体，其比容减小，管数也相应变少；当换热器作为蒸发器时，因为进入蒸发器时制冷剂处于干度较低的气液两相区，比容最小，管数也最少，随着制冷剂逐渐蒸发，其比容也逐渐增大，管数也相应增加。这种变流程的设计，可以使换热器有效容积得到最合理的利用，总体换热能力增强。在同样的迎面风速下，多元平行流微细通道换热器的换热性能比管带式提高了30%以上，而空气侧阻力不变，甚至减小，制冷剂侧阻力减小到管带式的20%～30%。

平行流微细通道换热器吸收了上述管带式换热器的各项优势，而且还解决了管带式换热器制冷剂侧压降较大的不足，其结构先进，换热系数高，材料消耗低，外形尺寸小，是目前汽车空调中普遍采用的换热器，也是目前最有前途的换热器形式。

表-3对管带式和微细通道平行流式两种换热器的性能进行了比较。管片式、管带式和微细通道平行流式换热器因设计制造的不同，在具体结构尺寸及热力性能上存在较大差异。这三种换热器的性能比较如下：

)传热系数：平行流式管带式管片式；

2)制冷剂侧流动阻力：管带式管片式平行流式；

3)空气侧流动阻力：管带式管片式平行流式；

4)内容积：管片式管带式平行流式；

5)体积与重量：管片式管带式平行流式。

通过以上比较发现，管片式的综合性能最低，平行流式的综合性能最高。

表-3管带式换热器微通道换热器的性能比较

微通道换热器是一种紧凑式换热器，由管带式换热器发展演变而来，由多孔扁管和翅片组成，在翅片上开有百叶窗条缝，扁管两端设有集流管，根据集流管分不分段，可分为多元平行流式和单元平行流式。单元平行流换热器中制冷剂流动方向一致，只需经过一个流程。多元平行流换热器分为多个流程，每个流程中管子数不同。

（）微通道扁管结构：微通道扁管结构如图2-2所示。微通道扁管由薄片分割成若干个矩形通道，制冷剂在矩形通道中与空气进行热交换，与常规的大直径传热管相比，传热规律和流动性能均有较大不同。

表2-微通道换热器结构参数

（2）百叶窗翅片结构：百叶窗翅片结构如图2-3所示。微细通道换热器管外采用波纹型百叶窗翅片，与普通平翅片相比，增加了换热面积，能够扰乱气流，阻碍气体边界层的发展，减小边界层厚度，产生一系列薄的边界层，相比于较厚边界层，热阻较小，能够提高传热效率，具有较高的换热系数。

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