微细流动与传热在空调系统中的应用—李俊明

    李俊明：各位下午好！我介绍的题目是“微细流动与传热在空调制冷系统的应用”，是属于具体的技术层面。
    想分这样一些问题跟大家交流，首先是研究北京、微细流动与传热的简介、微通道换热器的种类及性能、热泵空调器微通道换热器的介绍。
    我介绍的领域比较分散，中国空调器的生产，我们国家的家用空调年产量在1亿台左右。加入它的能效可以提高，单体的节能效果不是非常明显，但对节能的推动还是具有规模效应。因为空调的节能是一个系统工程，考虑的问题比较多。
    关于温室气体，大家谈到最多的二氧化碳，假如二氧化碳是1，这些制冷剂放在环境中，造成的温室效应值分别是二氧化碳的1300到2000倍。国家也曾经想将报废的空调器进行回收，对制冷剂进行直接销毁。可是存在一个情况，再回收回来的空调、冰箱可能是一个空壳子，制冷剂在运输过程中已经放到了环境当中。
    北京就是这样两个考虑。暖通空调行业接触这个情况不是很多，我们说的微尺度包括三个含义，包括微空间尺度、微时间尺度和微重力。微重力是航天的事。现在的加工业，有一些加工过程常常是在微秒的数量级。我现在谈的微细流动是在微细尺寸的流动，我们将尺寸定义在0.1毫米到3毫米之间。纳米尺度就是0.1到100纳米。当流动和传热到了这样一个尺寸的范围以后，它会出现尺寸效应和常规的关系。有好多微加工的问题，比如做2千克左右的卫星，这个卫星中的所有设备都必须高度的小尺寸化。比方说燃料电池，实际上然燃料电池板中间的尺寸非常小，会涉及好多微细流动与传热的问题。
    我这里谈的主要问题是针对空调的应用。为了说清楚针对空调的应用，我还想简单谈一下流动和传热尺寸效应的问题。尺寸非常小的时候，与常规尺寸相比，到底出了什么问题。对于单向对流换热来说，可能出现稀薄效应，分子的自由层和流通管子的尺寸达到了比较的情况。在相变的过程中，制冷系统有两个换热器都是相变的，一个是冷凝器，一个是蒸发器，会出现不同于常规尺寸的问题。
    研究表明在三个毫米以下的尺寸，假如下面传热的话，就会有尺寸效应，微尺度的结果是需要考虑的。比如说以凝结为例，要受表面张力和重力的影响。尺度的问题不单纯是几何量的问题，比如说水，表面张力阻困可以忽略重力，这个尺寸是0.6毫米，必须考虑表面张力，同时也要考虑重力的尺寸，对水来说是5个毫米，对常规的制冷器是1到3毫米。实验表明它的传热效果确实跟大尺寸不一样。
    对相变的传热，比如说冷凝沸腾，随着尺寸的减少，对流换热系数是增大的，增大的幅度会是30-100%。段面的几何形状影响比较明显，段面的形状越偏离源，传热情况会越好。
    单相对流换热，液体对流换热系数变化不明显，气体对流换热减弱。微细通道换热器用于单向流体的换热，强化的是单位体积的换热能力，一个单位的空间可以做出更大的传热面积。用到相变的时候，两个方面都增大，传热系数增大，单位体积的换热能力也增强。这是一般介绍一下什么叫微细流通传热。
    接下来我介绍一下微通道换热器。用到空调上的，或者是可能用到空调上的换热器是两类。这一类是比较成熟的，在汽车空调使用上比较成熟，目前所有的汽车空调都是使用这种换热器，它们叫做平行流的换热器，也可以叫做微通道的换热器。每个孔的直径大概在翅片和别管之间，把它绑扎在一起进行整体焊接。这款换热器是针对二氧化碳的制冷系统，工作压力基本在5兆帕到12兆帕之间。传统的换热器的承压能力有限。一个最有效的办法是把几何尺寸减小。
    汽车空调上开始是针对二氧化碳开发的，实际二氧化碳跨临界循环的汽车空调也没有进行产业化实施，而换热器进行了产业化，几乎的汽车空调都用它。
    在家用空调上用的，大家尝试了十年左右的时间。目前也有一些企业在做小批量的研制，但基本上是用单冷机上的。我刚才说的空调器的产量一年1亿台，实际上单冷机大概只占8%的份额。所有的家用空调几乎都是热泵型的空调，只用在单冷机上，规模效应体现不出来。
    热泵机有三个难点，从节流阀出来，是气液两相的混合物，在几百个通道里均匀分配是有困难的。换热器在制冷和制热两个工况进行转换的时候，要可以接换运行。第三个是溶霜的水不容易排除。
    实际上加工是很成熟的，目前我们国家拥有的生产能力是全球第一的。尽管这种换热器最早是从日本和挪威发明的，但批量制造的加工能力，我国是最强的。问题就是我们怎么把这种换热器用在热泵型的空调器上，而不是单冷机。
    过去传统的做法是别管水平防止，中间有翅片，会做不同的管层。这是关于别管水平防止的水凝器的红外图象。第一个管层进去的只有，颜色越接近红色温度越高。第一个管层，温度基本上是从高到低的有规律变化。到了第二个管层，上部的温度比较高，而下部空间的温度比较低。我们可以断定这个地方基本上都是制冷剂的液体，只有这个小区域才发生制冷剂的凝结。相当于这个面积没有利用。这样的分配方法有这样一个缺点。
    这种设置方法也有一个好处，由于第一个管层结束就是两相混合物，对散热能力的发挥不是很有利。因为大家做的都是比较大的系统，家用空调比较细。虽然我们国家的产量是1亿台，但企业之间的竞争还是蛮激烈的，必须精打细算。
    这是另外一种节能换热器。最初都是用在计算机的CPU的冷却上，这是大家尝试用在冷水机组里的换热器构型。这是我见到最早的一个图片，这个是用单晶硅做的，用激光光刻的方式刻成了不同平行板。一个方向的尺寸是15毫米，这样一个换热器的形体的换热能力大体是3到5千瓦。它的紧凑性和换热器占据的体积和传统的换热器相比，这个进步还是非常明显的。这是苏州的一个工厂研制的一个散热器，打算用到冷水机组上。基本也是0.3到0.5毫米，也是板式的层叠，流动阻力比传统的换热器要大，他们的数据是每米460千帕。这个问题倒不是这类换热器最大的问题，因为刚才我提到15毫米见方的换热器的换热能力是3到15千瓦。好多人觉得做微细流动与传热的时候，这种换热器的阻力大是一个问题，实际上阻力不是根本问题，问题在于别的地方。
    在制作的时候，不锈钢板是鼓起不同的包，突起的部分是零点几毫米的样子，一层一层叠起来，外面焊上，有点类似于全焊接的板式换热器。板式换热器是3到5毫米左右，这个对加工的要求非常高。这是意大利的一个朋友给我提供的图片，他们利用高分子材料，换热器的结构还是像板式一样，只是层叠起来的板与板之间的距离很小，这是他们加工出来的换热器。这个换热器的换热能力也有5千瓦左右。
    由此可见，假如这类换热器可以用到空调液的冷水机组上，可能就会大幅度地减省空间。集成的微通换热器，每平方厘米是41瓦的换热量，而常规散热器是0.43瓦。它只占现在换热器的二十三分之一。
    可以节省材料，减少制冷机的充灌量，紧凑性比较好，耐压可达40兆帕。可以承受超临界二氧化碳循环气体冷却器所需的压力。实际上是单位体积能够形成的换热面。
    在2006年到2009年我们曾经承担过“863”项目，做热泵空调器的微通道换热器研究。首先是温度分布的对应。一个换热器最优的设计结果是使温度的均匀化最大可能的提升。
    微通道换热器的换热能力比较强，流动阻力较小。
    这个别管的形状是什么样的，尺寸应该多大，要综合考虑它的阻力和换热能力。这是单位体积能够实现的换热能力。从这个图上来看，两个边的比例越接近正方形的时候，形状是比较合适的。我们的研究表明尺寸是0.6到1毫米是比较合适的。排水是很重要的问题，我们也做了排水的特性，测验了水和翅片表面的关联特性。
    原来的换热器的管子是平放的，我们把它竖放了。设计合适的话，截留以后，可以分的均匀一些。在蒸发应用的时候，混合物进去，比较均匀的从各个管子分进去。假如换一个工况，比如说是室外的换热器，冷凝器用的时候，从上面进来，凝结液从下面排出去。这样的构型，别管垂直设置，这是当时已经授权的专利。后来我发现很多企业在做蒸发器的时候也这样做了，也没有考虑到是否对我们造成侵权。
    这个设计的优点是分液器就是下集管，只要结构设计合适就可以将两相混合物分均匀。涉及到的问题就是分液器的设计。翅片的形状、间距、倾角都要进行优化。分液器可以可靠地解决分液，在制冷和热泵工况下都可以运行。分液方式可以用于翅片管式换热器，省去分液器。
    做了这款换热器以后我们选了一个样机，是采用了3HP落地式分体热泵空调器，进行一些调整，交给中国家用电器质量监督检验中心，让他们给我们做实验。
    室内换热器，从材料消耗来看，假如室内采用微通道换热器，材料可以减少13%。室外机的换热器当时降的多了一点，材料消耗只是原来的50%。
    首先是充灌量，原来的充灌的制冷剂是2300克，改型以后是充灌1300克，制冷剂的充灌量减少了30%。空调器可能排放的温室气体减少了30%。由于换热器大面积的减少它减少了2%，制热的散热片增大了10%。
    制冷的ERR减少了2%，制热的散热片增大了10%，两个空调器的性能是一致的。材料的总消耗减少了33%，原来的材料一部分是铜、一部分是铝，现在全部换成了铝，制冷剂的充灌量减少了30%。比如材料消耗减少百分之十几，制冷剂充灌量减少25%左右，它的能效还可以提高。我们的工作可以表明这类换热器用在家用空调上还是比较有前景的，制冷厂家也在进行研究。
    目前遇到的是两个问题，一个是融霜水的排除问题。单冷机的运用还发现有问题，就是铝制换热器的腐蚀。
    这种技术最初不是用于制冷系统的，我们最初是想用在航天和大规模集成电路领域。但我们国家的工业领域都是各自独立的，互相之间的交流不是很多。在高技术方面，我们的技术成长不是很快。不像国外的同行，做CPU冷却的时候就可以把研究结果用到CPU上。我们没有这个条件，后来只是把它用在了可以操作的领域，就是制冷空调。事实上它是高技术领域的研究成果在普通的民用领域的应用尝试。研究表明我们做的换热器至少解决了两个问题。
    总体来说，关于这两款换热器，家用空调器上的微通道换热器都是利用汽车空调器的模具，针对空调器的计算方法和优化的结构应该是什么样的。采用微通道换热器的热泵空调器的除霜方案是不是与现在的一致。制冷行业，不管是冰箱，还是空调器，不是非常成熟，谁也不敢推出批量。以格力和美的为例，格力的年生产能力是3千万台，一个小批量大概就是十几万台，一旦出现问题，造成的影响是很大的，只有考虑成熟以后才可能推广。由于目前只是小批量研制，有一个大家迄今为止没有考虑的回油问题。不管是管子的水平放置，还是竖立放置，还没有解决回油的问题。
    一个集成的换热器是很有震慑力的，给我感觉是非常好的事情。阻力不是问题，因为我是做传热的，我感觉到阻力不是问题。用于冷水机组的可能是两个问题，一个是工值的纯净度的问题，集成的微通道换热器要求的流动工值一定要非常干净，一般的冷水机组是不是能做到。还有低成本的批量加工问题，现在做到了板与板之间焊接的阶段，但由于加工是属于精细加工，一个批次中的废品率怎么控制。有了批量生产，这些问题有可能会解决得比较好。针对冷水机组的用途，怎么进行换热器的结构设计。是不是还像高技术领域用的0.1、0.2毫米的片间距，我们把它搞到0.6、0.7行不行？虽然体积稍微大了一点，可能对融涉能力稍微强一些。
    以上这些工作都在考虑当中，我想跟大家交流的就是这些内容，谢谢大家！