(1 河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 焦作 454000； 2 上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所 上海 200240)

微通道換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、節(jié)省材料、制冷劑填充量少等優(yōu)點(diǎn)，最早應(yīng)用于電子元件的散熱。隨著制冷行業(yè)的發(fā)展，微通道換熱器作為冷凝器已經(jīng)被大量應(yīng)用于空調(diào)、熱泵等系統(tǒng)中[1]。但是結(jié)霜和制冷劑的分配不均勻等難題限制了微通道換熱器作為蒸發(fā)器在制冷空調(diào)系統(tǒng)及熱泵系統(tǒng)中的應(yīng)用[2-3]。

當(dāng)換熱器表面溫度低于0 ℃且低于空氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生結(jié)霜。盛偉等[4-6]研究表明，空氣中的含濕量及冷表面溫度是影響結(jié)霜的主要因素，而微通道換熱器表面溫度分布主要受制冷劑分布的影響。制冷劑分布不均勻造成微通道換熱器效率下降，在其作為蒸發(fā)器時(shí)，由于制冷劑處于氣液兩相狀態(tài)，導(dǎo)致制冷劑分配不均問(wèn)題更嚴(yán)重。針對(duì)以上問(wèn)題，劉巍等[7]研究了微通道蒸發(fā)器內(nèi)分流板開(kāi)孔面積對(duì)制冷劑分布均勻性的影響。Shi Junye等[8]通過(guò)在集流管中添加導(dǎo)流板以改善制冷劑分布，但是導(dǎo)致?lián)Q熱器的壓降增加。Tou Hanfei等[9]實(shí)驗(yàn)研究了集流管壓降對(duì)制冷劑分布不均勻的影響，并分析了制冷劑流量分布不均勻?qū)λ焦芎拓Q直管的微通道蒸發(fā)器換熱性能的影響。嚴(yán)瑞東等[10]研究不同流程數(shù)對(duì)制冷劑分布的影響，研究表明，當(dāng)微通道換熱器作為蒸發(fā)器時(shí)，流程數(shù)越多，制冷劑分布均勻性越好。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)在流體等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究微通道換熱器內(nèi)制冷劑分布問(wèn)題。W. Brix等[11]構(gòu)建了一維穩(wěn)態(tài)微通道蒸發(fā)器模型，分析了制冷劑的不均勻分布和空氣的不均勻分布對(duì)換熱器性能的影響。M. H. Shojaeefard等[12]利用有限元法和CFD模擬方法構(gòu)建了微通道換熱器的三維數(shù)值模型，研究了幾何設(shè)計(jì)對(duì)平行流換熱器制冷劑分布的影響。Zou Yang等[13]構(gòu)建了微通道換熱器數(shù)值模型，模擬分析了R134a和R410A兩種制冷劑在微通道換熱器中分布不均勻?qū)Q熱效率的影響，結(jié)果表明，制冷劑分布不均勻?qū)е翿134a和R410A的換熱量分別降低了50%和40%。

使用常規(guī)的方法很難直接測(cè)量微通道換熱器內(nèi)通過(guò)每根管的液態(tài)制冷劑質(zhì)量流量。為了開(kāi)發(fā)不破壞換熱器整體性的非侵入式測(cè)量方法，已有部分學(xué)者嘗試使用紅外熱像儀測(cè)量微通道換熱器內(nèi)的制冷劑分布。Shi Junye等[8-10]通過(guò)紅外熱像儀定性的描述了微通道換熱器內(nèi)制冷劑的分布。Li Huize等[14]基于紅外熱像儀定量的測(cè)量了干燥情況下微通道蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑分布。

以上研究均為在干燥情況下研究制冷劑分布問(wèn)題，缺少在結(jié)霜狀態(tài)下對(duì)微通道換熱器制冷劑分布的研究。本文提出基于紅外熱像儀測(cè)量結(jié)霜工況下微通道蒸發(fā)器制冷劑分布的實(shí)驗(yàn)研究方法，并分析換熱器表面結(jié)霜對(duì)制冷劑分布的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，該系統(tǒng)共分為3個(gè)部分：制冷系統(tǒng)(壓縮機(jī)、平行流式微通道蒸發(fā)器、蛇形微通道冷凝器、毛細(xì)管、干燥過(guò)濾器等)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(T型熱電偶、壓力變送器、流量計(jì)、功率表、數(shù)據(jù)采集儀、熱敏風(fēng)速儀等)；圖像采集系統(tǒng)(體視顯微鏡、CCD攝像頭、紅外熱像儀、PC終端等)。

1壓縮機(jī);2平行流蒸發(fā)器;3毛細(xì)管;4液體轉(zhuǎn)子流量計(jì);5干燥過(guò)濾器; 6蛇形微通道冷凝器;7 PC終端; 8數(shù)據(jù)采集儀; 9功率表;10體視顯微鏡及CCD攝像頭;11紅外熱像儀；T T型熱電偶；P壓力傳感器。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 The principle of experimental device

實(shí)驗(yàn)用壓縮機(jī)型號(hào)QD35Y，額定功率50 W，制冷劑為R600A。體視微鏡型號(hào)Olympus SZ61，放大范圍6.7～40倍，CCD相機(jī)像素1 000萬(wàn)。數(shù)據(jù)采集儀型號(hào)Agilent34970A，紅外熱像儀選用FLIR T620，測(cè)量?jī)x器的參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試用平行流式微通道蒸發(fā)器如圖2所示，圖3所示為扁管和翅片的結(jié)構(gòu)。該換熱器分為兩個(gè)流程，流程A具有6根扁管，流程B有9根扁管，換熱器的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 測(cè)量?jī)x器參數(shù)Tab.1 Instrument accuracy

圖2 測(cè)試用平行流微通道換熱器Fig.2 The parallel flow micro-channel heat exchangers for testing

圖3 扁管和翅片的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of flat tube and fin

結(jié)構(gòu)尺寸/mm集流管直徑16扁管寬度W12扁管厚度H2扁管長(zhǎng)度L200百葉窗長(zhǎng)度Lf6百葉窗間距Lp1翅片厚度δf0.1翅片深度Fl12翅片高度Fh8翅片間距Fp1通道寬度Chw1.5通道高度Chh1.6

2 制冷劑分布測(cè)量

微通道蒸發(fā)器根據(jù)制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)可分為兩相區(qū)和過(guò)熱區(qū)，如圖4所示。在制冷系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，制冷劑幾乎在恒定的溫度下蒸發(fā)。所以確定兩相區(qū)與過(guò)熱區(qū)分界處的壁溫即可測(cè)得扁管內(nèi)制冷劑的分布。

圖4 平行流微通道蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑分布Fig.4 The refrigerant distribution in a parallel flow micro-channel evaporator

將IR圖像上的每一個(gè)像素點(diǎn)設(shè)為一個(gè)單元。為簡(jiǎn)化模型，本文提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：1)進(jìn)入換熱器迎風(fēng)面的空氣速度、溫度、濕度均勻；2)同一扁管的各通道內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量相同；3)每個(gè)單元內(nèi)的溫度均勻；4)霜層溫度均勻，且與管壁溫度相同；5)單個(gè)氣流通道內(nèi)霜層厚度均勻。

首先對(duì)IR圖像進(jìn)行平滑處理，以消除圖像中非換熱器區(qū)域(翅片間的空氣通道等)的影響。對(duì)比了5種平滑函數(shù)(均值濾波、中值濾波、高斯低通濾波、雙邊濾波、小波變換)，其中基于小波變換的平滑圖像能夠最大程度的消除非換熱器區(qū)域的影響。圖5所示為IR圖像平滑前后等值線圖的對(duì)比x和y為圖像距陣的行列數(shù)。圖6所示為IR圖像平滑前后灰度直方圖的對(duì)比。可知平滑處理后沒(méi)有改變圖像的值域，保留了直方圖的峰值，并使直方圖更加均衡，消除了圖像中的噪聲，減少了環(huán)境因素對(duì)圖像的影響。

圖5 平滑前后IR圖像的等值線圖的對(duì)比Fig.5 Comparison of contour maps of IR images before and after smoothing

圖6 平滑前后IR圖像的灰度直方圖的對(duì)比Fig.6 Comparison of grayscale histograms of IR images

(1)

(2)

式中：pin為蒸發(fā)器入口壓力，Pa；pout為蒸發(fā)器出口壓力，Pa；mtotal為制冷劑總質(zhì)量流量，kg/s；n為扁管數(shù)。

本文選用Yan Y Y等[15]中的公式計(jì)算制冷劑飽和蒸氣處對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：

(3)

(4)

(5)

式中：hr為制冷劑飽和蒸氣狀態(tài)下對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Rer為制冷劑飽和蒸氣狀態(tài)雷諾數(shù)；λr為制冷劑飽和蒸氣狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);μr為制冷劑飽和蒸氣狀態(tài)下動(dòng)力黏度，Pa·s；Dhr為管內(nèi)通道當(dāng)量直徑，m；Chw和Chh分別為通道寬度和通道高度，m。

為計(jì)算結(jié)霜后空氣通過(guò)換熱器時(shí)的雷諾數(shù)，參考文獻(xiàn)[16]中的公式計(jì)算翅片霜層厚度。

α=c1S+c2Fp2+c3Fp+c4

(6)

δfrost=αt0.75

(7)

冷表面上水蒸氣結(jié)成冰晶的轉(zhuǎn)移速率由公式(8)計(jì)算[17]：

(8)

式中：S為水蒸氣凝結(jié)成冰晶的轉(zhuǎn)移速率；pv,air為空氣的水蒸氣分壓力，Pa；pv,surf為霜層表面溫度下飽和水蒸氣分壓力，Pa，此處溫度由IR相機(jī)測(cè)量；α為霜厚系數(shù)；c1～c4為霜層厚度相關(guān)系數(shù)，c1=0.062 9，c2=0.001 144，c3=-0.028 2，c4=0.162 22；Fp為翅片間距，mm；δfrost為霜層厚度，mm，t為結(jié)霜時(shí)間，min。

翅片結(jié)霜后，翅片間的空氣流通通道將變窄，由公式(9)計(jì)算結(jié)霜狀態(tài)下空氣通過(guò)換熱器的速度。

(9)

結(jié)霜工況下的空氣側(cè)雷諾數(shù)Ref由式(10)計(jì)算：

(10)

(11)

式中：v0為換熱器迎風(fēng)面風(fēng)速，m/s；ρa(bǔ)為入口空氣密度，kg/m3；μa為空氣的動(dòng)力黏度，Pa·s；Dha為當(dāng)量直徑，m。

干燥狀態(tài)下，微通道換熱器的換熱因子j使用M. H. Kim等[18]模型計(jì)算：

(12)

結(jié)霜狀態(tài)下?lián)Q熱因子j由下式計(jì)算[19]：

(13)

空氣側(cè)對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為：

(14)

式中：ha為空氣側(cè)對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；Ref為干燥狀況下空氣側(cè)雷諾數(shù)；λa為濕空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

基于空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，每個(gè)管中分界點(diǎn)處的壁溫Tsurf可以通過(guò)式(15)確定[15]：

haAa(Ta-Tsurf)=hrAr(Tsurf-Tr)

(15)

將每個(gè)扁管分界點(diǎn)處的溫度映射到IR圖像上以確定分界點(diǎn)在圖像中的位置。將分界點(diǎn)連接即為兩相區(qū)與過(guò)熱區(qū)的分界線，如圖7所示，圖中紅色的線為分界線。根據(jù)分界線可以測(cè)得每根管內(nèi)兩相區(qū)所占的單元數(shù)(記為a)，根據(jù)式(16)即可求出每根管內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量。

圖7 兩相區(qū)與過(guò)熱區(qū)分界線Fig.7 The boundary between the two phase′s region and overheated zone

(16)

3 結(jié)果分析

3.1 霜層計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證公式(8)所計(jì)算霜層厚度在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試用換熱器上的適用性，用CCD攝像頭每隔0.5 h拍攝一次翅片結(jié)霜照片，用于測(cè)量翅片結(jié)霜厚度。本文基于圖像分割技術(shù)測(cè)量霜層厚度。首先將翅片結(jié)霜照片轉(zhuǎn)化為灰度圖像，使用同態(tài)濾波增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，銳化霜層的邊緣，在去除圖像噪聲的同時(shí)保留了霜層的細(xì)節(jié)部分。利用迭代法將降噪后的灰度圖像分割為二值圖像。圖8所示為二值化后的霜層圖像。

圖8 處理翅片霜層圖像Fig.8 Process the fin frost layer image

圖10 換熱器表面結(jié)霜情況Fig.10 Frosting of the surface of the heat exchanger

假設(shè)圖像h(x,y)的灰度范圍在t1與t2之間，則圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像可由式(17)表示：

(17)

式中：T(t1≤T≤t0)為分割灰度閾值。式(17)中數(shù)值1表示圖像為白色部分(霜層)，數(shù)值0表示圖像為黑色部分。

測(cè)量未結(jié)霜狀態(tài)下翅片間值為0的元素個(gè)數(shù)A，與結(jié)霜后翅片間值為0的元素個(gè)數(shù)B，A與B的差值即為圖像中霜層所占元素個(gè)數(shù)。測(cè)量該圖像1 mm所占有的像素N，M為該圖像矩陣的列數(shù)，則霜層的平均高度可由式(18)表示。

(18)

圖9所示為當(dāng)干/濕球溫度為19 ℃/11.5 ℃，氣流速度為0.5 m/s工況下，測(cè)霜層厚度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比。由圖9可知，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值較為吻合。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差為16.9%，均方根誤差為9.7%。

圖9 霜層厚度實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental values of frost layer height with calculated values

3.2 結(jié)霜對(duì)制冷劑分布的影響

圖11 換熱器IR圖Fig.11 Heat exchanger IR image

圖12 液態(tài)制冷劑比率Fig.12 Liquid refrigerant ratio

為測(cè)試換熱器表面結(jié)霜對(duì)制冷劑分布的影響，每隔1 h拍攝一次換熱器表面結(jié)霜照片及IR圖像，如圖10和圖11所示。由于在流程A內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，為了便于觀察，在圖11中只給出了流程B的IR圖像。在實(shí)驗(yàn)期間，流程A內(nèi)換熱器表面的結(jié)霜量逐漸增加，實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)，流程A內(nèi)翅片間的空氣通道幾乎完全堵塞，流程B內(nèi)只有小部分區(qū)域出現(xiàn)結(jié)霜。而流程A內(nèi)制冷劑都處于兩相狀態(tài)，流程B內(nèi)制冷劑多處于過(guò)熱狀態(tài)。圖12所示為流程B內(nèi)每根管內(nèi)液態(tài)制冷劑所占比率。由圖12可知，流程B內(nèi)液態(tài)制冷劑隨著時(shí)間逐漸增多，實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)較實(shí)驗(yàn)60 min時(shí)流程B內(nèi)液態(tài)制冷劑增加了4倍，制冷劑過(guò)熱區(qū)縮小了22.7%。這是由于流程A內(nèi)的結(jié)霜量逐漸增加，導(dǎo)致流程A的換熱效率逐漸降低，在流程A內(nèi)蒸發(fā)的制冷劑逐漸減少，導(dǎo)致流程B內(nèi)的液態(tài)制冷劑所占比率逐漸增加。

(19)

式中：RDP為制冷劑分布參數(shù)，用于評(píng)定制冷劑在換熱器內(nèi)分布的均勻性[14]。RDP值域?yàn)?0,1)，RDP越大，制冷劑分布均勻性越好。隨著流程A內(nèi)換熱效率下降，流程2內(nèi)的RDP逐漸增大，到實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)，流程B內(nèi)的RDP比60 min時(shí)增加了17.2%，由于流程A內(nèi)結(jié)霜量的增加使流程B內(nèi)液態(tài)制冷劑分布均勻性得到改善，但由于流程B內(nèi)過(guò)熱區(qū)的減小，導(dǎo)致?lián)Q熱器壓損增大，實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)較實(shí)驗(yàn)60 min時(shí)蒸發(fā)器換熱量下降了2.34%。

4 結(jié)論

為研究結(jié)霜對(duì)微通道換熱器內(nèi)制冷劑分布的影響，本文提出了一種用于結(jié)霜工況下的制冷劑分布的評(píng)定方法?；谠摲椒?，實(shí)驗(yàn)研究了結(jié)霜對(duì)具有雙流程的平行流式微通道蒸發(fā)器制冷劑質(zhì)分布的影響，得到如下結(jié)論：

1)利用顯微鏡，結(jié)合圖像分割技術(shù)，測(cè)量了翅片結(jié)霜厚度，驗(yàn)證了翅片霜層厚度計(jì)算公式在雙流程微通道蒸發(fā)器上的適用性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果誤差在16.9%以?xún)?nèi)。

2)由于流程A內(nèi)結(jié)霜量的增加，導(dǎo)致流程B內(nèi)液態(tài)制冷劑比例增大，實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)較實(shí)驗(yàn)60 min時(shí)流程B內(nèi)液態(tài)制冷劑增加了4倍，制冷劑過(guò)熱區(qū)縮小了22.7%。

3)換熱器表面結(jié)霜對(duì)制冷劑分布有較大的影響，實(shí)驗(yàn)180 min時(shí)較實(shí)驗(yàn)60 min時(shí)流程B內(nèi)RDP提高了17.2%，制冷劑分布更加均勻。但隨著過(guò)熱區(qū)的減小，蒸發(fā)器換熱量下降2.34%。