引言
工商制冷空調用換熱器是制冷空調設備及系統的重要部件之一，其性能和可靠性直接影響制冷空調設備及系統的運行性能和使用壽命。近年來，隨著行業技術進步，在制冷劑替代、能效提升等多方面因素的推動下 ［1-6］ ，制冷空調用換熱器取得了較快發展，種類和型號也越來越多樣化。然而，隨著環保意識的提升和能源消耗的日益增長，對于換熱器技術的要求也越來越高。如何提高換熱器的性能、降低設備及系統能耗、減少對環境的負面影響，是當前和未來研究的重要課題。
為了滿足行業需求，本文對工商制冷空調用換熱器技術的現狀進行了深入分析，并展望未來的發展趨勢，為企業生產經營活動、應對節能減排和制冷劑替代等問題提供參考。
1、 工商制冷空調用換熱器技術現狀
1.1 翅片管式換熱器
1.1.1?強化傳熱技術
（1）管內側強化傳熱技術。
目前制冷空調行業應用最多的傳熱管為圓形無縫內螺紋銅管，內螺紋管管徑、齒形幾何參數等對換熱器的傳熱效率有較大影響。其中，細徑化是內螺紋管發展的重要方向之一。但換熱器管徑并不是越小越好，小管徑會引起沿程阻力增大、壓縮機輸入功率增大等問題，因此在實際應用中需要綜合考慮各影響因素。在齒形形狀方面，交叉齒槽內螺紋管、人字齒槽的傳熱效率高于單旋梯形槽內螺紋管，但較高的生產成本造成其應用范圍的廣度不及單旋梯形槽內螺紋管。董志強等 ［7］對不同管型蒸發換熱系數隨著制冷劑流速的變化
進行了研究，結果如圖 1 所示。在蒸發換熱時，齒高、齒條數和螺旋角對換熱系數影響顯著，較大的齒高、較多的齒條數和較大的螺旋角均有利于換熱系數的提高。
（2）空氣側強化傳熱技術。
相關研究主要集中在翅片片型和幾何結構、翅片表面性能的改進等方面。不同翅片片型和幾何結構的換熱器，單從換熱性能來說，異型翅片換熱器性能優于光直翅片換熱器 ［8-11］ ；翅片表面性能的改進在提升換熱器性能方面也有著重要的作用，以普遍應用的鋁翅片換熱器為例，有關研究發現，濕工況下對翅片進行親水涂層處理后，空氣側的壓降降低顯著，降低的最大值可達到 51% ［12］ 。
（3）流路優化設計。
對于翅片管換熱器的理論和實驗研究證明，除了通過改善管外空氣側的翅片和管內結構來增強換熱外，還可以通過合理地設計管路流程來取得良好的換熱效果 ［13-14］ 。
1.1.2?抑霜技術
近年來針對翅片管式換熱器抑霜技術的研究，主要集中在結霜機制研究、抑制結霜技術等方面 ［15-16］ 。
（1）結霜機制的研究。
水蒸氣向冷表面凝華成霜，是涉及傳熱傳質、特殊的多孔介質移動邊界問題。關于霜層生長機制的研究一般涉及霜層的物性、霜層生長規律及其影響因素、結霜過程的傳熱傳質等。霜層物性的研究是結霜問題研究的重點，其中 2 個最重要的參數是霜層密度和導熱系數，是由結霜的環境條件所決定，并與結霜過程密切相關；霜層內傳熱傳質現象也是結霜研究領域中的重要問題。在霜層生長過程中，霜層表面溫度隨著時間和空間位置發生變化，表面上水蒸氣分壓力也隨之變化，由此改變了霜層表面熱邊界層和擴散邊界層的結構，從而導致傳熱傳質速率隨時間和空間位置發生變化。一般認為，濕空氣傳遞的水蒸氣一部分在霜層表面凝華增加霜層厚度，導致邊界層移動，另一部分擴散進入霜層內部，增加了霜層密度。
（2）抑制結霜技術。
利用干燥劑等來減少流經蒸發器的空氣含濕量，從而減少蒸發器表面的結霜量；利用親水材料表面來抑制結霜。經過處理使基材表面親水，當表面出現水滴時，水滴會自行鋪展形成水膜流掉，減緩了霜層的生長。但親水表面涂層耐久性較差，一旦被灰塵覆蓋后，表面的抑霜作用將會減弱，因此限制了其在工業領域的應用。目前，關于抑制結霜技術已經開展了很多研究工作，但這些研究距實際應用還有一定的距離。
1.1.3?加工制造工藝
脹接是一種利用外力使管道擴徑并產生塑性變形，從而使管道外壁緊密連接在薄翅片內孔壁上的方法，目前主要有機械脹接、液壓脹接兩種。
機械脹接是利用脹管機加載使換熱管外壁擴大并和翅片孔內壁接觸，卸載后翅片孔內壁的收縮大于換熱管的收縮，因而在換熱管和翅片間產生殘余應力；液壓脹接是通過對管子內表面施加液壓力，使管子產生徑向變形而緊貼翅片孔內壁，并利用液壓卸壓后管子和翅片不同的回彈程度使管子和翅片孔間產生接觸應力。
上述兩種脹接方式中，液壓脹接的管內表面質量好，對管子損傷小，但液壓脹接設備成本較高；機械脹接能夠快速完成脹接，且其脹接長度和脹管規模便于調整，是制冷空調換熱器較為常用的脹接方法。
1.2 板式換熱器
1.2.1?強化傳熱技術
板片是板式換熱器的核心元件，其結構形式直接影響著板式換熱器的傳熱及流動特性 ［17-20］ ，對板式換熱器的性能影響至關重要。圖 2 示出目前常用的部分板片結構，其中人字形波紋板的應用最廣泛，包括單人字形、橫人字形、斜人字形和鋸齒形等等，是較為成功的一種換熱板型。
1.2.2?板式換熱器的失效與預防措施
板式換熱器產生故障的原因是多方面的，其失效模式主要包括結垢、泄漏、腐蝕和凍裂等。預防措施有：
（1）結垢預防措施。冷卻循環水中雜質過多的場合，可在適當位置處設置沖洗裝置或過濾裝置，從而防止設備的堵塞；避免應用在較臟或易結垢的環境；如果冷卻循環水的硬度偏高，應將循環水預先進行軟化。如果冷卻水未經軟化處理，則應控制較低的運行溫度，以避免結垢。
（2）泄漏預防措施。開發使用新型密封材料的板式換熱器密封墊，使其適應于制冷空調系統的應用需求；設置壓縮預緊彈簧，有效地補償夾緊結構密封預緊力的變化，從而阻止泄漏的發生。
（3）腐蝕預防措施。正確選用板式換熱器的材料，破壞腐蝕的生成條件，可有效預防腐蝕的產生。
（4）凍裂預防措施。板式換熱器在制冷空調系統中作為蒸發器使用時，應設置可靠的防凍機電保護程序來防止換熱器結冰。
1.3 管殼式換熱器
1.3.1?強化傳熱技術
（1）制冷劑側強化傳熱技術。
冷凝器管外冷凝強化傳熱的研究主要集中在肋管結構設計和管材的選擇。圖 3 示出矩形截面和梯形截面的低肋管結構示意。國內外在低肋管基礎上，相繼開發出各種強化管，如具有三維結構的鋸齒形翅片管、徑向輻射肋管、花瓣形翅片管等 ［21］ 。對于管殼式換熱器的管材，常采用奧氏體不銹鋼，普通黃銅及紫銅等。在制冷空調領域，紫銅管應用較為廣泛。?
目前干式蒸發器主要采用內螺旋翅片管作為強化傳熱管型，在微肋管的應用方面也有較多的研究工作，但交叉內螺旋翅片管應用與干式蒸發器的研究尚未見報道。
在滿液式蒸發器中，我國主要采用 Turbo-B管及其改進的管型，由于傳熱管浸沒于制冷劑之中，其沸騰傳熱系數較高。
與滿液式蒸發器相比，采用降膜式蒸發傳熱技術可以有效降低制冷劑的充注量，在大型制冷空調機組中的應用越來越廣泛。國內外對于降膜式蒸發器管外降膜蒸發傳熱強化的研究，目前主要是沿用滿液式蒸發器的強化傳熱管型，針對降膜蒸發的傳熱特點而開發的專用高效強化管尚未見報道。降膜式蒸發器外觀及工作原理如圖 4 所示。
（2）水側強化傳熱技術。
從目前水冷式冷凝器、滿液式蒸發器和降膜蒸發器的實際應用來看，水側強化傳熱主要是通過采用具有內螺旋結構的管材來實現。但這種管型的不足之處在于其強化傳熱性能受結垢影響明顯，尤其對冷凝器而言；在干式蒸發器中，水在管外流動，制冷劑在管內蒸發，為了提高管外水的流速和湍流強度，目前一般采用弓型隔板作為支撐結構 ［22-26］ 。
（3）納米流體傳熱強化技術。
傳熱強化技術除了對換熱器本身結構的改進優化以外，針對流體物性的改善也是重要的研究方向。國外學者研究了 CuO/H2O，MWCNT（多壁碳納米管）/H2O，CuO/C2H6O2 （乙二醇），SiO2 /H2O等 4 種納米流體與基液的導熱系數的相對值 ［27］ ，研究結果表明，基液的導熱系數越低，對納米流體越有效。
王維等 ［28］ 研究了納米流體在微槽道中的沸騰換熱特性及規律，結果表明，水基 Al2O3納米流體相對于去離子水可以明顯強化微槽傳熱能力，傳熱系數可提高 10%~15%；畢勝山等 ［29］ 將不同配比 R134a/TiO2納米制冷劑直接充灌到 R134a冰箱制冷系統中進行試驗研究，結果表明，在不改變冰箱結構的條件下使用納米制冷劑所帶來的節能效果較顯著。
1.3.2?失效及預防措施
管殼式換熱器因耐高溫高壓、傳熱系數高、生產成本低等特點應用較為廣泛，但應用于制冷空調場合時，由于其結構相對比較復雜，使用工況也具有多元化的特點，因此會產生多種失效形式 ［30-32］ 。管殼式換熱器的失效主要包括管束失效、換熱管與管板的連接失效、換熱管與折流板接觸面處振動引起的失效、管板與殼體連接處的失效等幾種形式。對于管束失效，應從選材、防腐、防損傷、減小拉應力、防止振動以及高精度檢漏試驗方法等方面考慮，并采取定期清洗管束、在流體中加入緩蝕劑以及在流體入口設置過濾裝置和緩沖結構等措施；換熱管與管板連接可以采取改進焊接工藝，減小或消除溫差應力和焊縫缺陷，并通過合理選材，消除不同材料接觸所形成的電勢差；換熱管與折流板接觸面處振動引起的失效可通過改變管束支撐形式消除流體的誘導振動、采用較大的管徑增加換熱管的剛度以及設置膨脹節降低換熱管振動頻率等措施來控制。
1.4 套管式換熱器
強化套管式換熱器換熱性能的途徑有許多，主要有改變管子外形或在管外加翅片等，如外翅片管、波紋管、螺旋槽管等 ［33-35］ 。
外管加裝翅片不僅增大了換熱面積，而且可以迫使流體在螺旋片和內外管組成的螺旋通道內流動，即改變了速度場的特性；內管為波紋管的套管式換熱器，其中波紋管的面積大于直管面積，增大了換熱面積；由于管截面的不斷變化，使管內流體的湍動程度增加，增加橫向流動，破壞邊界層，從而起到強化傳熱的作用。
螺旋槽管通過滾壓的方法在光管上軋制成外凹內凸的螺旋形粗糙表面，圖 5 示出一種螺旋槽管的外觀。由于螺旋槽管所具有的特殊結構，使得強化管內外流體呈現螺旋型運動，減小了管壁熱邊界層厚度，增強了流體湍流強度，強化了管道傳熱能力；流體運動過程中發生了旋轉和脫體，增大了流體流動阻力。因此，評價螺旋槽管性能需綜合考慮其流動阻力與換熱特性。與其他強化換熱管相比，螺旋槽管具有較優良的綜合性能，是目前套管式換熱器內管的主流選擇。
1.5 微通道換熱器
1.5.1?微通道換熱器結構的優化設計研究
微通道換熱器結構的優化設計大多圍繞翅片和扁管開展研究 ［36-38］ 。對翅片換熱性能產生影響的主要因素有翅片的材料、間距、厚度等；對扁管換熱性能的產生影響的主要因素包括扁管的間距、材料、形狀等。
制冷劑流量分配不均勻性對系統性能影響較大，據國內外學者的研究結果 ［39-41］ ，采用 R134a做制冷劑時，流量分配不均勻使機組性能減少29%~39%。采用 R22 做制冷劑時，流量分配不均勻使機組性能減少約為 50%。
1.5.2?微通道換熱器結霜問題研究
影響微通道換熱器結霜的因素包括環境條件和換熱器結構 2 個方面。提高濕空氣溫度、含濕量、氣流速度等均將導致水蒸氣相變驅動力增大，結霜量增大；排水能力是微通道換熱器結構設計中面臨的重要問題，排水不暢將促進翅片霜層的形成。結霜問題是影響微通道換熱器推廣使用過程中遇到的主要障礙之一。
目前解決微通道換熱器結霜問題主要通過換熱器結構設計來實現，但不同換熱器結構對于霜層形成和霜層厚度影響的定量研究較少，現有研究成果還不能有效指導微通道換熱器的設計。
2 、制冷空調用換熱器技術發展趨勢
2.1 翅片管式換熱器
小管徑換熱器技術是指基于采用小管徑（管徑≤ 5?mm）內螺紋銅管的一種高效換熱器技術 ［42-43］ ，是指采用小管徑高效內螺紋銅管替代原換熱器中較大管徑的銅管，從而降低產品成本；隨著各應用行業對換熱器需求的增加，市場對換熱器產品的質量、性能等提出了更高的要求，如環保、個性化、多樣化等，會使我國換熱器企業面臨的市場競爭壓力增大。因此，亟需提高換熱器生產過程的智能化水平，實現加工零件精度一致性好、加工質量穩定、廢品率降低等目標，對提高產品科技含量和市場競爭力具有較大幫助。
2.2 板式換熱器
國內對新型板片的開發力度較弱，發展新的換熱板型波紋，成為我國板式換熱器研究中的主要方向之一 ［44］ 。國內學者提出一種不連續交叉肋結構的板式換熱器，并對其換熱能力和壓降等進行了數值和試驗研究 ［45］ ；開展減量充注技術研究，對于適應替代制冷劑所帶來的換熱器結構變化，保證換熱器在工作條件下最佳的傳熱效果，助推新型工質，特別是（低）可燃工質的進一步應用具有重要意義。
2.3 管殼式換熱器
在強化傳熱技術方面，管殼式換熱器的強化傳熱研究 ［46-47］ 將著重于以下幾個方面。對于水冷式冷凝器，解決細密翅片結構的三維翅片管管束效應，以減少表面張力作用下冷凝液在傳熱管表面的粘滯問題，從而提高冷凝器傳熱性能；開發新型傳熱管支撐結構，改善傳熱性能，降低流體流動壓降，提高傳熱管間換熱溫度的均勻性；采用降膜蒸發器傳熱強化技術，減少制冷劑的充注量；開展相關管內水側強化傳熱，使得管內傳熱系數與管外相變傳熱系數基本相當是今后研究的關鍵；采用不同的管束布局方式和節距比，直接影響到換熱器的壓降、換熱性能等；開展分液技術的研究，保證在偏離設計條件下，仍能夠實現向蒸發器均勻、等量的供液，是帶分液功能換熱器設計的重要內容。
在可靠性提升技術 ［48-49］ 方面，主要在以下幾個方面開展工作。新材料的選擇和應用，有效提高換熱器的換熱效率和耐腐蝕性，并降低產品制造成本；換熱器結垢機理以及在線清洗技術的研發，對于延緩水垢的形成、維持換熱器的長時間高效運行具有重要意義；開展管殼式換熱器在不同場合、不同運行工況條件的結構優化設計，對換熱器的強度、剛度、振動等可靠性指標進行動態仿真，結合試驗研究開發新型換熱器結構型式，提升產品的可靠性。
2.4 套管式換熱器
（1）大型化研究。
對于制冷空調行業而言，隨著大型機組及裝置的發展，對換熱器的能力提出了更高的要求。
大容量套管式換熱器目前主要通過小容量模塊拼接而成，使得系統臃腫龐大，同時設備投資費用高昂，并且產生管間接頭較多、易發生泄漏等問題。因此，開展套管式換熱器大型化研究，突破現有技術瓶頸，對于提高大容量套管式換熱器可靠性、減小占地面積、改善系統設備的安裝和維修條件，進而提高制冷空調系統的總體技術性能具有重要意義。
（2）強化傳熱機理研究 ［50］ 。
不同強化管的強化傳熱機理不同，針對不同形式的強化管，開展相應的強化傳熱機理的研究，對于進一步提高套管式換熱器的傳熱效率具有重要意義。
（3）可靠性研究 ［51］ 。
套管換熱器的失效模式主要體現在冰凍后脹管導致管子強度不足；管內污垢導致換熱系數下降等。因此，運用新的設計理論和設計方法，結合產品的失效模式分析，研制重量輕、體積小、可靠性高的套管換熱器，并對其可靠性和安全性進行預測，減少換熱器事故的發生，保障制冷空調系統的安全運行。
2.5 微通道換熱器
在考慮換熱器制造成本的同時，應針對翅片型式及其參數、換熱器布置、回路設置、集流管的設計等方面進行研究 ［52-53］ ，得到高效經濟的換熱器；新材料的應用可增強微通道換熱器在多種使用環境中的適應性，并提升換熱器性能；對微通道換熱器的研究多集中于傳熱方面，腐蝕影響方面則較少涉及，也應加強相關研究。當前行業內雖然存在多種試驗方法，但并沒有公認的且能與現場失效很好吻合的方法，需要進一步開展相關研究工作；對于微通道換熱器作為冷凝器時的傳熱特性研究較多，而針對微通道蒸發器的研究，尤其是理論上對結霜和融霜工況下換熱器表面傳熱傳質機理研究還比較少。因此，還必須針對微通道換熱器作為蒸發器時在結霜和融霜工況下，內部制冷劑的分配特性、換熱器表面霜層生長規律等對系統性能特性的影響進行研究。
3、 結語
隨著行業的技術進步和應用市場的需求多樣化，我國工商制冷空調用換熱器的市場呈現出百家爭鳴的態勢，新型產品、研究方向和研究成果不斷涌現，換熱器的發展面臨著新的機遇和挑戰。目前在我國工商制冷空調用換熱器發展中存在換熱器性能和可靠性亟需進一步提升、制冷劑替代技術的研究薄弱、生產效率有待進一步提高等問題。針對上述問題，應在強化傳熱和輕量化技術、數值模擬技術、適應新型制冷劑和減量充注技術、智能制造技術等方面加大研發投入，提高換熱器傳熱效率并節約材料成本，適應制冷劑替代的行業發展趨勢，并進一步提高生產效率、降低人力成本，為我國制冷空調用換熱器產業做大做強提供技術支撐。
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作者簡介：張秀平（1971），女，研究員，主要從事制冷空調技術研究工作，通信地址：230031?安徽省合肥市長江西路888 號合肥通用機械研究院有限公司，E-mail：[email protected]。
張秀平，等：工商制冷空調用換熱器技術現狀與發展趨勢
本文引用格式：
張秀平，劉曉紅，周到，等 . 工商制冷空調用換熱器技術現狀與發展趨勢［J］. 流體機械，2024，52（6）：67-75.
ZHANG?X?P，LIU?X?H，ZHOU?D，et?al.Technical?status?and?development?trend?of?heat?exchanger?for?industrial?and?commercial?refrigeration?and?air conditioning［J］.Fluid?Machinery，2024，52（6）：67-75.
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