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1、平行流蒸发器冷凝水排除问题研究第8卷第6期2OO8年12月制冷与空调REFRIGERAT10NANDAIRCONDIT10NING平行流蒸发器冷凝水排除问题研究孙少鹏石泳廖强朱恂(重庆大学)摘要平行流换热器因其结构紧凑,换热效率高,被当作冷凝器广泛地应用于汽车空调系统.近年来,又作为蒸发器被应用于家用空调器.但是,平行流蒸发器的冷凝水排除问题限制了其在家用空调器的应用发展和普及.本文针对家用空调器用的平行流蒸发器的冷凝水排除问题进行综合性评述,系统讨论蒸发器材料表面特性,蒸发器布置及导流,蒸发器内通道均流等因素对冷凝水排除的影响.关键词平行流蒸发器冷凝水百叶窗翅片ResearchOnthecO
2、ndense1waterremOValinparallelflOweVap0rat0rSunShaopengShiYongLiaoQiangZhuXun(ChongqingUniversity)ABSTRACTTheparallelflowheatexchangerascondenserhasbeenwidelyappedintotheautomob.1eairconditioningsystemduetoitscompactstructureandhighheattransferefficiency.Recently,thiskindofheatexchangerhasa1sobeenuse
3、dasevaporatorinroomairconditioner.However,itisfoundthatthecondensedwaterinsuchacaseiseasilvstagnantandweakenstheperformanceoftheparallelflowheatexchangers.Inthispaper,summarizesseveralmainmethodstoremovethecondensedwater.Inparticular1y,discussestheinfIuenceofthesurfacepropertyofmaterial,thearrangeme
4、ntofevaporator,currentsharingonthecondensedwaterremova1.KEYWoRDSparallelflow;evaporator;condensedwater;louverfin多元平行流换热器作为冷凝器被广泛地应用于汽车空调系统.近年来,该类型换热器又将逐渐取代传统的翅片圆管换热器,被当作蒸发器推广到家用空调器和冰箱等领域.平行流换热器是一种多孔铝制扁管换热器,具有传热效率高,结构紧凑,噪声低,质量轻等优点.其结构是在空气侧采用百叶窗翅片;制冷剂侧采用小水力直径的多通道扁管,从而使空气侧和制冷剂侧的换热得到强化.在家用空调器领域,平行流换热器作为
5、蒸发器使用,有利于提高能效,降低制冷剂充注量和减轻机组质量,从而使家用空调器在性能,体积,质量等方面得到改善口.但是,应该指出平行流换热器特有的结构特征使得其在作为蒸发器使用时,存在冷凝水难以排除的问题,极大地限制了其在家用空调器等领域的应用.因此,研究平行收稿日期:2()(】71210通讯作者:石泳,Email:yshicqu.edu.c”流蒸发器冷凝水的排除问题,对推动其在家用空调器领域的应用和发展具有重要意义.近年来,家用空调器中平行流蒸发器冷凝水的排除技术已成为制冷工程界的研究热点.1平行流蒸发器的结构平行流蒸发器为多孑L铝制椭圆形扁管结构,如图1所示r5.该换热器由换热多孑L扁管,散
6、热翅片,集流管,隔片,入口接头和出口接头组成.换热器散热翅片上开有百叶窗式条缝,每根扁管两端各有一根集流管,见图2图4所示.换热器工作时,制冷剂由人口接头进入集流管,然后分流进入椭圆形扁管,再平行地流进对面的集流管.平行流换热器的集流管是分段的,中间由隔片隔开,起到分流和汇流的作用,同时将换热器分成数个流程.值得指出的是,换热器中每个流程的扁管制冷与空调第8卷数是不相等的.这主要是因为,当制冷剂进入蒸发器时,呈雾态,比体积较小,所以对应的扁管数也较少.但随着制冷剂在管内流动换热,逐渐被汽化成气体,相应的比体积变大,所占容积增大,要求扁管数相应增多.平行流换热器这种结构特点使得其内部有效容积得到
7、合理利用,提高了其换热效率,并减小了制冷剂侧流动阻力.空气图l平行流蒸发器I一翅.旦旦旦旦旦旦旦.,百叶窗多孔铝制扁管图2多孔扁管与百叶窗翅片的俯视图翅片百叶窗多孔扁管图3多孔届管与百叶冒翅片的正视图/厂一图4翅片百叶窗的剖面图2平行流蒸发器冷凝水的排除方案下面总结几种典型的处理方式,探讨平行流蒸发器的冷凝水排除问题.2.1材料的表面处理一般而言,从传热学角度来看,滴状冷凝水的传热效率比水膜的高.但也应注意到,在换热器的复杂结构中,滴状冷凝水容易在翅片间形成”水桥”,这样会极大地增加换热器空气侧的阻力.因此,许多实际使用的蒸发器表面采用了亲水处理,通过降低液滴与翅片的接触角,使冷凝水以水膜状态
8、存在,从而减小蒸发器空气侧的阻力.但在使用平行流换热器作为蒸发器的现有加工工艺中,如钎焊工艺,其温度一般都在600以上.由于焊接温度过高,很可能使翅片表面的亲水预涂层遭到破坏,削弱翅片表面亲水特性,使得冷凝水排除不畅,从而导致换热器风阻升高和换热性能下降.因此,需要寻找有效的材料表面亲水防腐处理方式和新型亲水性能强的材料,以使平行流蒸发器具有持久的亲水表面特性.1)铝表面亲水防腐处理为防止平行流换热器翅片形成”水桥”和保护换热器铝材料表面,在实际工程应用中,需要对换热器的铝翅片进行各种表面处理,使其耐腐蚀并具备良好的亲水性能.国内外对空调换热器的表面处理方式一般分为2种:一种是前处理,铝箔在未
9、加工成型之前,对其表面进行亲水,防腐膜涂层处理,即亲水铝箔;另一种是后处理,铝箔加工成型后,再对其翅片表面采用亲水防腐处理.目前,大量的实验表明:前处理优于后处理.前处理的换热器具有涂层薄(膜层<1m),均匀性好,附着力强,耐温,耐湿和耐腐等优点.但应该指出的是,平行流换热器现有的加工工艺,由于焊接温度过高,很可能使翅片表面的亲水预涂层遭到破坏.因此,对于平行流换热器翅片表面亲水防腐处理,后处理方式比前处理方式更适合.然而,正如前面指出的,后处理方式较前处理方式而言,会出现如膜层不均匀,涂层较厚,附着力弱,亲水膜易脱落及使用寿命短等问题.2)纳米钛合金材料另一种实用的亲水材料是纳米钛合金
10、材料.通常一般亲水铝箔在长期使用后,会出现亲水性能减弱,风道堵塞等不良现象.而钛合金材料具有超强,持久的亲水性能,从而保证蒸发器长期工作时表面不会形成”水桥”.另外,纳米钛合金材料还具有抗磨损,耐酸碱等特性.实验发现,使用该种材料制作而成的空调器,运行状态良好,长效省电,比普通空调器耗电量下降15.同时,空调器的性能衰减缓慢,而且还能改善空调器的二次污染等问题,显示出强大的市场竞争力.2.2平行流蒸发器的布置和冷凝水导流1)布置方式平行流蒸发器中冷凝水的排除,可以通过蒸发器的布置和对冷凝水的导流来进一步解决.针对平行流蒸发器的特殊结构,其应用于家用空调第6期孙少鹏等:平行流蒸发器冷凝水排除问题
11、研究器时,可采用2种布置方式,即水平布置方式和竖直布置方式.在水平布置方式中,蒸发器的2个集流管分别位于蒸发器的左右两侧,连接2个集流管间的扁平多孔铝管则水平放置.而所谓竖直放置方式则是指2个集流管分别置于蒸发器的上下两侧,连接2个集流管之间的扁平多孔铝管竖直放置.比较这2种布置方式可知:应用于家用空调器的平行流蒸发器,采用竖直布置方式更有利于冷凝水的有效排除.此种布置的主要优点在于,冷凝水在重力的作用下,能自动沿着多孔扁管椭圆形管头导流下来.然而,应该指出,采用蒸发器竖直布置方式,会使家用空调器室内机的体积和形状有较大变化.2)导流过程图5和图6给出了当平行流蒸发器呈竖直布置时,其冷凝水的导
12、流过程.在平行流蒸发器中,扁管间布置有波纹形翅片,并且每层翅片与扁管成一定角度.在空调器运行过程中,百叶窗翅片上的冷凝水膜,在重力和空调风扇风力的作用下,沿着翅片表面向下流动,并依靠表面张力,导流进入翅片与扁管的夹角处.夹角处的冷凝水,被水平风力驱动,流到多孔扁平铝管出风口处,并在表面张力作用下,引流至椭圆形管头处.最后,所有冷凝水顺着多孔扁管椭圆形管头在重力作用下自然导流排除.图5平行流蒸发器导流过程示意图空气空气空气图6椭圆形扁平管管头导流示意图在平行流蒸发器冷凝水导流过程中,翅片的间距大小对冷凝水的导流具有一定的影响.若翅片的间距较小,翅片上的冷凝水非常容易与相邻翅片上的冷凝水连接起来,
13、形成”水桥”.因此,应适当加大翅片间距,形成两翅片间角度较大的梯形,使得翅片间冷凝水所受剪切力增大,遏制翅片间”水桥”的形成,避免风道堵塞.当然,还需要充分考虑翅片几何结构对平行流换热器的传热和风阻的影响.董军启等指出百叶窗翅片间距对平行流换热器传热因子和摩擦阻力因子的影响较大.当翅片百叶窗其他尺寸不变时,随着翅片间距逐渐变大,换热器的传热因子和摩擦阻力因子都减小.因此,需要找到合适的翅片间距.2.3均流除了平行流蒸发器的材料表面特性,布置及导流对其冷凝水的排除有影响外,还需考虑制冷剂在各个多孑L扁管流通通道中的流动和分配对冷凝水排除的影响.LiK.等】.给出了利用红外热像仪拍摄的平行流蒸发器
14、照片,由于平行流换热器结构独特,换热器工作时,制冷剂在各个多孔扁管流通通道中的流动和分配存在不均匀现象.分流不均匀将直接导致平行流蒸发器局部严重凝霜,凝露,削弱换热器的换热效果.同时,还影响冷凝水的顺利排除.目前,针对均流问题,已有部分学者采用计算流体力学的方法进行优化,对平行流换热器通道内制冷剂的流量进行模拟和分析研究.主要结果可归纳为:从缩小集流管的直径等方面来改进集流管的结构,从而增加集流管内制冷剂流动的扰动因素,提高制冷剂的流动速度,使制冷剂分液不均匀的状况得到改善.在以二氧化碳为制冷剂的平行流气冷器中,扁管长度,进口集管与扁管组合尺寸以及出口集管与扁管组合尺寸对气冷器内部扁管之间的流
15、量分配不均匀度有很大的影响.在其他结构尺寸不变的情况下,为了达到相对较均衡的流量分配,可将扁管插入至进口集管的中问深度处;在满足加工工艺以及结构强度的基础上,尽量减小扁管与出口集管的插入深度;适当增加扁管长度可使各扁管间流量分配趋于均匀.在集流管中添加一定数量的隔片,将平行流换热器分为数个流程,对流程进行优化设计,使制冷剂分配均匀.正如陈芝久等.所述,对于34个流道的平行流冷凝器来?1O0?制冷与空调第8卷说,分成3个流程为最优,其中各流程中扁管数分配为14/11/9.3结束语平行流蒸发器作为高效,紧凑的换热器,若能成功地饵决冷凝水排除问题,则这种换热器可被推广和普及到家用空调器,这对整个空调
16、行业的节能降耗有着重要的意义.笔者重点阐述了平行流蒸发器冷凝水的排除问题,在分析问题和研究现状的基础上,得出以下结论:1)针对平行流蒸发器的加工工艺对预亲水处理层的破坏,可以选用新型亲水性能强的材料和更有效的材料表面亲水防腐后处理方式,使其具有亲水性能.2)在平行流蒸发器的布置和导流方面,采取适当的翅片间距,合理的布置及有效引流等措施,可以进一步解决冷凝水排除问题.3)制冷剂的均流问题对冷凝水的排除有一定的影响,同时该问题也是平行流换热器存在的重要问题,需要进一步对其进行研究.123参考文献KimJH,GroollEA.Performancecomparisonsofunitarysplits
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