王 潔，蔣 慶，湯建斌

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

微通道換熱器相對(duì)于常規(guī)換熱器具有換熱性能突出，結(jié)構(gòu)緊湊等突出優(yōu)點(diǎn)。如今微通道換熱器作為新型高效換熱器，已廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)換熱器，并且正在家用空調(diào)中推廣使用[1]。

微通道換熱器的工藝缺陷有外部缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。外部缺陷主要為外漏，目前已有氣檢、氦檢等較成熟的檢測(cè)工藝可篩選出。內(nèi)部缺陷主要有內(nèi)漏和內(nèi)堵兩種，內(nèi)漏會(huì)導(dǎo)致泄露的制冷劑未通過(guò)扁管和翅片換熱，使這部分制冷劑未充分發(fā)揮換熱效能，從而導(dǎo)致?lián)Q熱效果變低；內(nèi)堵會(huì)導(dǎo)致流通管道數(shù)量變少，換熱效果下降[4]。檢測(cè)內(nèi)部缺陷最直觀的辦法是直接解剖，但解剖會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，所以只能抽樣，不能100%進(jìn)行[4]。

微通道換熱器主要由集流管和扁管構(gòu)成，集流管內(nèi)有隔板，將扁管分成不同流程，如圖1(a)所示，圖1(b)為扁管。本文所采用的MD020微通道換熱器共有4個(gè)流程，第一至第四流程分別對(duì)應(yīng)有16，12，8，5根扁管，每根扁管包含16個(gè)微通道。本文提出一種檢測(cè)微通道換熱器內(nèi)堵的方法，針對(duì)MD020微通道換熱器，進(jìn)行Fluent仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

圖1 微通道換熱器

1 模型建立

1.1 微通道幾何模型及網(wǎng)格

假設(shè)通入的空氣在扁管各通道內(nèi)均勻分布，具有相同的壓力分布，則有：

其中qi為某個(gè)微通道中空氣的流量；Q為總流量；n為流程內(nèi)的微通道數(shù)。

由式(1)可知，當(dāng)流通的微通道數(shù)量變化時(shí)，單個(gè)微通道內(nèi)的流量會(huì)跟著產(chǎn)生變化，則產(chǎn)生的壓降發(fā)生變化。微通道換熱器內(nèi)部的微通道是并聯(lián)的，由于并聯(lián)管路各分支管段流過(guò)單位質(zhì)量的流體時(shí)，阻力損失相等，且與并聯(lián)管路總阻力損失相等[5]，即一個(gè)微通道由于流量變化而產(chǎn)生的壓差變化與整個(gè)微通道換熱器產(chǎn)生的壓差變化是相等的，因此可以取一個(gè)微通道為研究對(duì)象。本文的研究對(duì)象為長(zhǎng)寬0.9mm，長(zhǎng)460mm的矩形微通道，如圖2所示為用Gambit軟件建立的所研究的一個(gè)微通道的幾何模型。

圖2 微通道幾何模型圖

空氣以速度V向Z軸正方向進(jìn)入微通道內(nèi)。由于模型為規(guī)則長(zhǎng)方體，因此采用四邊形網(wǎng)格劃分面網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分體網(wǎng)格。逐漸縮小網(wǎng)格尺寸，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量變化引起的壓力變化基本穩(wěn)定時(shí)，可認(rèn)為劃分的網(wǎng)格的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性可以滿足計(jì)算要求。圖3為網(wǎng)格劃分的局部圖。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

1.2 控制方程

由雷諾數(shù)計(jì)算公式：

其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，d為特征長(zhǎng)度。

可發(fā)現(xiàn)，空氣在微通道內(nèi)的雷諾數(shù)Re＞＞4000，因此在采用CFD軟件Fluent仿真的過(guò)程中，選擇了kε-湍流模型。其控制方程如下：

其中，Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM是由于在可壓縮湍流中，過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C2，C1ε是常數(shù)；σk和σε是k方程和e方程的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和SSε是用戶定義的。

2 仿真數(shù)據(jù)分析

不同的流程有不同的扁管數(shù)，因此內(nèi)堵發(fā)生的位置不同，產(chǎn)生的壓降變化也不同。表1所示為內(nèi)堵一個(gè)微通道至內(nèi)堵四個(gè)微通道的產(chǎn)品相對(duì)于無(wú)內(nèi)堵的產(chǎn)品所產(chǎn)生的壓降增大的變化。為了研究?jī)?nèi)堵所在位置不同所帶來(lái)的不同的壓降變化，其中第一個(gè)內(nèi)堵微通道在第一流程，第二個(gè)內(nèi)堵在第二流程，以此類推，至第四個(gè)內(nèi)堵在第四流程。

表1 仿真數(shù)據(jù)

表中標(biāo)注“/”的表示當(dāng)前情況下壓降變化較小，可以忽略。

由表1可明顯看出，當(dāng)通入的氣體流量達(dá)到474L/min以上時(shí)，有內(nèi)堵的仿真數(shù)據(jù)相較于無(wú)內(nèi)堵的仿真數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯；當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多，則壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達(dá)到3個(gè)及以上時(shí)，可明顯檢測(cè)出產(chǎn)品有缺陷；當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越大。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證Fluent軟件仿真的可靠性，筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

由圖4可看出，實(shí)驗(yàn)裝置中主要包括氣源、緩沖罐、過(guò)濾器、減壓閥、流量計(jì)及差壓計(jì)等部分。其中，過(guò)濾器用于過(guò)濾空氣中的雜質(zhì)；減壓閥選用的量程為1MPa，用于調(diào)節(jié)空氣流量；緩沖罐是用于緩沖氣流波動(dòng)，降低氣流波動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，提高實(shí)驗(yàn)的精度；流量計(jì)選用的量程為1000L/min，精度為0.1%，用于檢測(cè)空氣流量的大??；差壓計(jì)選用的量程為1MPa，精度為0.075%，用于測(cè)量微通道換熱器進(jìn)出口壓降的大小。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制模塊、信息采集模塊和顯示模塊組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在圖5的系統(tǒng)單元中，控制模塊是由一臺(tái)歐姆龍CP1H系列的PLC組成，它是一種高性能高效穩(wěn)定的控制器。信息采集模塊由流量計(jì)和壓差傳感器組成，用于采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通入的流量大小和微通道換熱器進(jìn)出口的壓降大小。顯示模塊由人機(jī)交換觸摸屏組成，用于顯示采集到的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，向管路中通入壓縮空氣，為了確保氣源充足，調(diào)節(jié)流量從700L/min開(kāi)始以25L/min遞減至200L/min，由信息采集模塊采集到不同流量時(shí)，被測(cè)微通道換熱器的進(jìn)出口的壓降，并由顯示模塊顯示出來(lái)。

將被測(cè)微通道換熱器第一流程的扁管中的一個(gè)微通道堵實(shí)，模擬內(nèi)堵情況，再以上述的實(shí)驗(yàn)方法重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。再分別將第二至第四流程的扁管中的一個(gè)微通道堵實(shí)，重復(fù)上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄。為了驗(yàn)證相同情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，因此無(wú)內(nèi)堵至內(nèi)堵四個(gè)微通道，共五種產(chǎn)品狀態(tài)，每種狀態(tài)各測(cè)量5組數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相同狀態(tài)時(shí)的一致性對(duì)比，如圖6所示，以及不同情況下的壓差對(duì)比，如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性對(duì)比

圖7 不同實(shí)驗(yàn)情況壓差對(duì)比

圖6(b)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性的局部圖。從圖6中可看出，當(dāng)內(nèi)堵情況相同、流量大小相同的狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，說(shuō)明不會(huì)對(duì)不同狀態(tài)的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖7(b)為不同實(shí)驗(yàn)情況壓差對(duì)比的局部圖，即無(wú)內(nèi)堵情況和在第一至第四流程分別內(nèi)堵一個(gè)微通道時(shí)的壓差對(duì)比。從圖7中可明顯看出，當(dāng)通入的氣體流量達(dá)到475L/min以上時(shí)，有內(nèi)堵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相較于無(wú)內(nèi)堵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯；當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多，則壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達(dá)到3個(gè)及以上時(shí)，可明顯檢測(cè)出產(chǎn)品有缺陷；當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越明顯。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本文采用CFD軟件Fluent仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，對(duì)型號(hào)為MD020的微通道換熱器進(jìn)行研究。根據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后所得結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)微通道換熱器內(nèi)堵?tīng)顩r及通入的空氣流量大小相同的情況下，多次測(cè)量的結(jié)果顯示產(chǎn)品進(jìn)出口的壓差波動(dòng)幅度很小，重復(fù)測(cè)量的一致性較好。

2）當(dāng)通入的氣體流量達(dá)到475L/min及以上時(shí)，有內(nèi)堵情況的仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相較于無(wú)內(nèi)堵情況下的仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較明顯的壓降變化，且空氣流量越大，壓降變化越明顯。

3）當(dāng)內(nèi)堵的微通道數(shù)量較少時(shí)，較難檢測(cè)出壓差變化，當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵的微通道數(shù)量越多時(shí)，壓降變化越明顯，一般內(nèi)堵的微通道數(shù)量達(dá)到3個(gè)及以上時(shí)，可明顯檢測(cè)出產(chǎn)品有缺陷，且當(dāng)發(fā)生內(nèi)堵所在的流程的扁管數(shù)越少，則發(fā)生的壓降變化越明顯。

4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，吻合程度較好，說(shuō)明本文提出的微通道換熱器的性能測(cè)試方法具有可行性。

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