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    [摘要]本文通過對微通道換熱器應用于空調(diào)時的系統(tǒng)可靠性、長期可靠性和工藝可靠性的研究成果進行分析，總結了冷凝水排除、結霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面存在的主要問題及研究方向，這對提高微通道換熱器的可靠性具有重要的指導意義，有助于擴大微通道換熱器在空調(diào)領域的應用范圍并加快其推廣進度。

    [關鍵詞]微通道換熱器；可靠性；排水；除霜；腐蝕；積灰；工藝

    1引言

    微通道換熱器是～種基于微通道技術發(fā)展起來的高效緊湊式換熱器，最早應用于電子產(chǎn)品散熱領域，微通道具有尺度效應，面積體積比大，表面作用較強，傳熱效率較高，這些良好的性能使其應用領域迅速擴大。目前，微通道換熱器在制冷領域的應用主要集中在汽車空調(diào)方面，同傳統(tǒng)的銅管一鋁翅片換熱器相比，微通道換熱器采用全鋁結構，具有體積小、成本低、換熱效率高等優(yōu)勢，符合低成本高能效空調(diào)產(chǎn)品的開發(fā)需求，得到空調(diào)行業(yè)內(nèi)的普遍關注。盡管微通道換熱器具有眾多優(yōu)勢，但在家用和商用空調(diào)上的推廣進度緩慢，只能用于需求量較少的單冷機組，結霜化霜及排水困難等可靠性問題使其很難應用于需求量大的熱泵機組。

    如圖1所示，微通道換熱器特殊的扁管結構增大了冷凝水與換熱器的接觸面和接觸角，造成排水不暢，且扁管和翅片焊接處的表面粗糙度較大，排水不暢及粗糙表面為結霜創(chuàng)造了條件，而其緊湊的結構形式和較差的排水能力又使得化霜困難，性能衰減嚴重，同時易出現(xiàn)壓縮機回液等問題，系統(tǒng)可靠性降低。此外，鋁的腐蝕、焊接等影響微通道換熱器可靠性及使用壽命的問題仍未得到有效解決。為擴大微通道換熱器在空調(diào)領域的應用范圍，加快其推廣進度，除了對微通道的傳熱機理和換熱性能進行深入研究外，微通道換熱器的應用可靠性也成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點�，F(xiàn)有的可靠性研究可以分為系統(tǒng)可靠性研究、長期可靠性研究和工藝可靠性研究，主要集中在冷凝水排除、結霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面，本文將對這些方面的研究進展進行總結分析。

    2系統(tǒng)可靠性研究

    系統(tǒng)可靠性一般用于評價空調(diào)在使用環(huán)境中能否正常運行，如在高溫工況是否出現(xiàn)高壓保護，低溫工況是否出現(xiàn)液擊等。微通道換熱器應用于空調(diào)系統(tǒng)時，如果不能針對其特殊的結構形式進行合理設計就會產(chǎn)生某些可靠性問題，其中冷凝水排除和結霜化霜就成為兩大應用難點。微通道換熱器作為空調(diào)的蒸發(fā)器使用時會有冷凝水產(chǎn)生，使得空氣側的熱阻和風阻增大，并為低溫條件下的結霜創(chuàng)造了條件。在低溫制冷時，室內(nèi)機換熱器排水不暢，風量降低，換熱效果下降，蒸發(fā)壓力降低，當蒸發(fā)溫度低于022時，換熱器表面出現(xiàn)結霜，化霜困難又加劇了系統(tǒng)參數(shù)惡化，制冷劑蒸發(fā)不完全，使得壓縮機回液，出現(xiàn)液擊或潤滑油稀釋而加劇壓縮機的磨損。在低溫制熱時，室外環(huán)境溫度低于0℃，同樣會出現(xiàn)結霜惡化等問題。影響排水及化霜的主要因素有進風狀態(tài)、換熱器結構及制冷劑分配。

    通過實驗研究了進風濕度和換熱器傾角對微通道換熱器空氣側熱濕特性的影響，研究表明，當傾角大于45度時，傾角會對換熱系數(shù)產(chǎn)生較大影響；濕工況的壓降比干工況增大3％一14％；翅片間距較大時，進風濕度對換熱系數(shù)和壓降的影響較��；適當?shù)膬A角有利于排水，在某些情況下(如低風速)開窗片間的冷凝水形成液橋，此時即使增大風速，液橋依然存在。對帶有平行翅片的微通道換熱器的結霜特性進行研究發(fā)現(xiàn)，同傳統(tǒng)的折彎翅片相比，平行翅片的排水能力更強，更有助于改善結霜。對三種不同開窗片的微通道換熱器進行實驗研究發(fā)現(xiàn)，結霜使得開窗片出現(xiàn)霜橋，開窗片的縫隙被堵塞，空氣流動形式由開窗片間的交叉流動變?yōu)橥ǖ朗降牧鲃�，這也是影響換熱的主要因素。通過對兩種不同翅片間距和扁管．傾角的微通道結構進行研究，認為優(yōu)化排水和集流管的制冷劑分配可以達到更好的除霜效果。陳小康通過實驗研究了微通道蒸發(fā)器的結霜過程，實驗結果表明，霜通常在溫度最低的靠近波紋式翅片表面的扁管開始形成；微通道蒸發(fā)器的制冷劑分配不均勻使得表面溫度分布不均勻，并引起結霜不均勻；環(huán)境溫度相對較高時，部分管內(nèi)的制冷劑不完全蒸發(fā)是微通道蒸發(fā)器容易結霜的重要因素，并建議通過提高制冷劑分配的均勻性來改善結霜。

    水的附著力通常被認為是引起微通道換熱器快速結霜的主要因素之一，而研究表明，影響結霜的主要因素并非水的附著力，盡管其對空氣側壓降產(chǎn)生影響，但引起霜形成和生長的關鍵因素是翅片表面溫度和翅片幾何形狀。他們進而對7種不同寬度、高度和間距的翅片進行結霜實驗研究，提出能夠預測霜層厚度和風速衰減的關聯(lián)式，并在翅片溫度為-11~-5℃時進行驗證，其中霜層厚度誤差為±17．6％，風速衰減誤差為±7．7％；該關聯(lián)式能夠用于計算結霜時的瞬時雷諾數(shù)，有助于預測準靜態(tài)結霜條件下微通道換熱器的傳熱系數(shù)。Padhmanabhanl9等對微通道換熱器和翅片管換熱器的結霜除霜特性進行對比研究，結果顯示，微通道換熱器的結霜時間比翅片管換熱器縮短50％以上，平均制熱能力和系統(tǒng)性能下降；結霜首先發(fā)生在翅片和扁管焊接處，除霜后的殘存水使得結霜速率加快，使用氮氣將殘存水排除后的結霜周期增加4％；干表面時的結霜周期比濕表面延長約60％。Padhmanabhan等還建立了微通道換熱器的結霜模型，該模型考慮了結霜不均勻所引起的風量重新分布，能夠預測霜層厚度和結霜量，通過對不同進液溫度條件下微通道換熱器的結霜特性進行模擬分析和實驗研究，霜層厚度的模擬結果同實驗數(shù)據(jù)相匹配，而忽略風量重新分布的模擬結果將產(chǎn)生較大誤差；研究結果還表明，表面溫度越低結霜越快，換熱器結霜時的性能幾乎呈線性衰減，且表面溫度越低，衰減速率越大。由此可見，改善排水和除霜可從風速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面進行設計，并可借助可視化、仿真等技術進行輔助優(yōu)化。

    3長期可靠性研究

    長期可靠性一般用于評價空調(diào)的使用壽命，空調(diào)的使用環(huán)境復雜多變，惡劣的環(huán)境除了會對系統(tǒng)運行參數(shù)產(chǎn)生影響外，也會降低空調(diào)各部件的性能和壽命，如出現(xiàn)磨損、腐蝕等。換熱器作為關鍵部件之一，其長期可靠性對整機壽命有重要影響。微通道換熱器采用全鋁結構，所面臨的鋁腐蝕問題成為制約其應用推廣的重要原因之一，緊湊的結構形式容易積灰且不易清洗，除對空調(diào)性能產(chǎn)生影響外，還為細菌滋生及腐蝕提供條件，同時加劇了售后保養(yǎng)維護的困難程度，故微通道換熱器的長期可靠性問題也引起行業(yè)內(nèi)的關注。丁漢新等采用微通道換熱器和銅管一鋁翅片換熱器進行了腐蝕實驗，前者的實驗時間約為7000h，后者的實驗時間約為lO00h，通過對比兩種換熱器的腐蝕情況發(fā)現(xiàn)，相比銅鋁翅片換熱器，微通道換熱器具有良好的抗電化學腐蝕的性能，微通道換熱器中集流管、扁管及翅片采用鋁合金及配合一定的涂層，極大地降低了電位腐蝕的速率。何國軍¨在對平行流換熱器進行1200h單體腐蝕實驗后發(fā)現(xiàn)，換熱器的翅片與扁管焊接處出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，但氦檢并未泄漏，可以應用于普通空調(diào)產(chǎn)品，但同時指出，在海鹽離子濃度較高的環(huán)境中，仍存在翅片腐蝕粉化的現(xiàn)象，有必要對換熱器進行整體防腐處理。Bell等對比研究了ASHPAE標準粉塵和ArizonaRoad實驗粉塵對微通道換熱器空氣側壓降和傳熱性能的影響，結果表明，ASHPAE標準粉塵會對壓降產(chǎn)生較大影響，1612．5g／m的粉塵會使壓降增大200％；而ArizonaRoad實驗粉塵并未使壓降增大，但卻使傳熱量降低10％；此外，在粉塵結垢過程中，開窗片的翅片間距小于2．0mm時更易積灰。

    目前，針對微通道換熱器腐蝕及積灰等長期可靠性運行的研究資料還比較少，鋁合金材料對扁管基材耐腐蝕性的影響，換熱器整體噴涂處理對換熱性能的影響，翅片結構對積灰的影響等問題仍是值得深入研究的內(nèi)容。

    4工藝可靠性研究

傳統(tǒng)的翅片管換熱器加工方便，工藝成熟，而微通道換熱器的結構完全不同于翅片管換熱器，生產(chǎn)設備和加工工藝都發(fā)生很大變化�，F(xiàn)階段，空調(diào)用微通道換熱器的生產(chǎn)加工仍不成熟，因焊點承壓能力差產(chǎn)生的爆破泄漏或因焊接破壞表面涂層引起的腐蝕泄漏等現(xiàn)象普遍存在，為加快微通道換熱器的推廣進度，其工藝可靠性問題亟待解決。Zhaol等對微通道換熱器的焊接進行了較全面的研究，認為焊接條件的控制和焊接位置的設計是換熱器加工的關鍵。他們還對微通道換熱器焊接過程中的焊料熔化流動及成型現(xiàn)象進行可視化研究，觀察發(fā)現(xiàn)，在扁管和集流管的焊接過程中，熔化的金屬液體很可能會在表面張力的作用下流入微通道，從而堵塞制冷劑通道；此外，還討論了液態(tài)金屬流動的理論模型，認為利用現(xiàn)代仿真技術能夠很好的輔助焊接設計和選擇焊接材料。包振球,等對平行流換熱器最容易出現(xiàn)疲勞斷裂的原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部壓力和熱應力會造成疲勞破壞，指出在設計平行流換熱器的集氣管時，應盡量增加壁厚，選用小管徑可以減小圓周應力；支架與集氣管間的接觸部位應留有足夠的接觸面積以改善該部位的散熱能力和熱應力，為防止應力集中，支架和集氣管間應采用圓角過度。郭艷_J對多元平行流式冷凝器爐中釬焊工藝進行了仿真建模和實驗研究，分析發(fā)現(xiàn)，冷凝器在爐中釬焊過程中，扁管與翅片升溫速率和降溫速率均大于集流管與扁管；加熱階段，扁管與翅片的釬焊峰值溫度和保溫時間均高于集流管與扁管，集流管與扁管的釬焊接頭是冷凝器爐中釬焊的薄弱環(huán)節(jié)；研究認為采用有限元軟件進行工藝指導不僅是可行的，還可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。以上研究指出微通道扁管與集流管的焊接工藝是需要重點關注的地方，操作不當可能會造成微通道焊堵，影響制冷劑的分流，而該問題是隱蔽性的，除了采用破壞性的解剖，否則很難被發(fā)現(xiàn)，該位置的焊接質量還可能引起腐蝕泄漏，故在實際生產(chǎn)中應對此進行可靠控制。

    5總結

    本文通過對微通道換熱器應用于空調(diào)時的系統(tǒng)可靠性、長期可靠性和工藝可靠性的研究成果進行分析，總結了冷凝水排除、結霜化霜、防腐與積灰、加工工藝等方面存在的主要問題和研究進展，這對提高微通道換熱器的可靠性具有重要的指導意義。為進一步加快微通道換熱器在空調(diào)領域的應用推廣，今后的可靠性研究方向包括：

    (1)除了從風速、換熱器或扁管傾角、翅片幾何參數(shù)、制冷劑分配等方面來改善排水和除霜外，還可從控制邏輯方面進行優(yōu)化，特別是對于變頻空調(diào)，在低溫工況下適當調(diào)節(jié)壓縮機頻率、電子膨脹閥開度、風機轉速等，以提高蒸發(fā)溫度，減少凝露和結霜。

    (2)盡管微通道換熱器抗電化學腐蝕的能力優(yōu)于銅管一鋁翅片換熱器，但基材選擇不當、焊接破壞涂層等問題使得腐蝕失效依然存在，故需對此進行深入研究。此外，耐腐蝕性設計標準和檢驗標準的制定、除塵清洗工藝的改進等也將有助于微通道換熱器的應用推廣。

    (3)微通道換熱器扁管和集流管的焊堵、焊漏問題已得到關注，但為了提供耐腐蝕性，扁管一般都噴有保護涂層，如電弧噴鋅等，此時焊接扁管和翅片時會引起焊點周圍的鋅濃度分布發(fā)生變化，從而降低扁管的耐腐蝕性，這種因焊接造成腐蝕泄漏也普遍存在，故同樣需要對扁管和翅片的焊接工藝進行研究。

    (4)借助理論模型和仿真技術可以對微通道換熱器的制冷劑分配、結霜、焊接等問題進行輔助指導和優(yōu)化設計，并能夠提高換熱器質量，模擬仿真技術通用化也是非常必要的研究內(nèi)容之一。

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