微通道平行流蒸发器两相流CFD仿真案例

一、微通道换热器基本知识：  

换热器应用于生产生活中的方方面面，空调系统中制冷剂与环境进行热量交换的蒸发器与冷凝器便是换热器的一种。而微通道换热器，则是指流体流动的通道，即管道的尺度较小，也就是微尺度的换热器，一般我们把通道的当量直径在10-1000μm的换热器称之为微通道换热器。

微通道换热器由多种零部件组成，包含制冷剂流通的扁管、增强换热的翅片、集流管、分隔流路的隔板等。制冷剂流经扁管，并与扁管外边的空气进行换热。每根扁管内部会有数十条细微的通孔流道，圆形集流管连接扁管的两头，并进行制冷剂流路的分配。扁管之间通常会有加强换热的翅片，翅片的类型也有不同。

翅片的作用是用来增加换热器换热面积，减小空气流动过程中的阻力，扰乱换热的边界层，从而达到强化换热，提高换热效率的目的。通过集流管和隔板可以控制和优化制冷剂在扁管内的流动。同时微通道蒸发器会采用不同的流程，每个流程之间通过集流管进行连接。每个流程的扁管数不一致，可根据制冷剂的物性，状态进行优化排布。

二、微通道换热器优势和不足  

2.1 微通道换热器的优势  

随着微通道换热技术的不断发展和加工工艺的逐渐成熟，对于微通道换热器应用的研究也不断发展。目前在 汽车空调行业和家用空调行业 都已经逐步开始有微通道换热器的相关产品的生产和应用。微通道换热器相比传统的管片式蒸发器，有着诸多明显的优势，分别为：

1）、不同于以往的铜铝焊接，在焊接处会存在焊接的接触热阻，导致换热性能下降。微通道换热器采用的是钎焊技术，不存在铜铝焊接中的焊接热阻问题，能够很好地增加回热器的导热性能。

2）、同时微通道换热器中制冷剂通道当量直径小，根据传热学知识，换热系数h=Nu×k/d（Nu是努塞尔数；k 为导热系数；d为水力直径）可以知道，随着扁管的通道减小，制冷剂与换热器的换热系数大大增加，微通道换热器微尺度下的换热性能将能够比传统换热器高出一个数量级。微通道换热器的水力直径通常在1mm一下，由于其水力直径相比于传统管片式换热器有明显的减小，因而使得其换热系数得到了显著的提高，使得其换热效果更强。

3）、铜管铝翅片换热器由于铜和铝两种材料之间化学性质的差异，在其铜铝焊接处，由于铜铝之间电位不一致，存在电位差，容易出现两种材料的电化学腐蚀，使得换热器换热性能下降。同时在长时间使用后会出现翅片由于腐蚀而损坏等问题。而微通道换热器中所有材料均为铝材料，不存在材料性质的差异所导致的腐蚀问题，同时材料的一致性也方便加工焊接。

4）、目前空调系统多采用铜作为原材料，而铜材料价格昂贵，使得厂家的生产成本一直居高不下。铝材料价格低廉稳定，质量轻，是很好的铜材料替代品。若能够推广使用铝材料的微通道换热器用来替换目前的铜管铝翅片换热器将会使得空调系统的材料加工及制造成本的大大降低，进一步提高产品的市场竞争力。

5）、而与此同时其质量、所占空间均要明显少于制冷量相当和能效相同的铜管铝翅片换热器。此种好处是使得微通道换热器在做到性能与原有管片式换热器一样的同时，能够减少制冷剂的充注量以及采用更小风量，也就是体积更小的风扇，这样可以进一步地节省空调系统的安装空间。而且较小的质量和体积能够降低换热器的运输成本，同时有助于实现车身轻量化[1]。

2.2 微通道换热器的不足  

目前微通道换热器在空调领域虽有不少应用，但主要仍是作为冷凝器使用。然而对于微通道换热器作为蒸发器使用，目前的研究较少，且仍有不少尚未解决的问题。微通道换热器作为蒸发器使用存在的仍存在的问题如下：

1）、制冷剂分配不均：微通道换热器作为蒸发器使用时，由于制冷剂在蒸发器中为两相流的状态，两相流流体十分不稳定，且分配容易受到流道的弯曲重力作用等诸多因素影响，分配不均现象十分严重。而制冷剂的分配不均会对换热器的换热性能大打折扣。使得微通道蒸发器换热量下降，出口温度不均。如何通过优化微通道换热器中的扁管，隔板，集流板等结构来改善制冷剂的分配，仍是一个十分打的挑战；

2）、冷凝水排除困难：微通道换热器作为蒸发器使用，由于蒸发温度低，空气侧降温后达到饱和，会在换热器表面形成凝结水。采用扁管方式的微通道换热器与采用圆管的管翅式换热器相比，冷凝水更容易停留在表面，不易排出。同时由于微通道换热器扁管与翅片之间采用的是钎焊的焊接方式，容易在焊接处产生不平的凹凸点，使得冷凝水更容易凝结且不易排出；

3）、结霜：除了冷凝水的排除问题，蒸发器使用中的又一大问题结霜也在微通道蒸发器中变得更加值得注意。由于微通道换热器中的冷凝水不易排除，使得微通道换热器更容易出现结霜的现象。由于此种原因，必将导致空调系统在实际运行中要不断地停机进行除霜化霜，而这无疑会导致系统性能的下降和用户体验好感降低；

4）、压降大：由于微通道换热器的直径在10-1000μm，孔径小，因此制冷剂在流动过程中换热系数增大的同时也伴随着阻力较大的问题。使用微通道换热器将会产生较大的压降。

5）、空气侧气流分布：微通道换热器由于空气侧的流动阻力较小，这将会导致空气流动的不均匀现象更加明显，从而造成蒸发器换热性能的下降。

三、CFD仿真算例：  

本次仿真案例拟通过Fluent，模拟仿真某一款结构微通道蒸发器的内部两相流流动情况，并通过对分流板的结构优化来改善微通道蒸发器流动分配的均匀性，并与实验结果相验证。

3.1 微通道蒸发器主要参数：

本次研究蒸发器原型芯体三维尺寸为242.4mm×200mm×41.1mm，由双排每排33根扁管组成，流程为33-33，有效迎风面积为235.4 mm×176mm，芯体由以下九部分零件组成：

进液管：

• 0人已收藏

• 0人已打赏

  免费
• 4人已点赞

• 分享

  复制链接 新浪微博 微信扫一扫