引言
工商制冷空调用换热器是制冷空调设备及系统的重要部件之一，其性能和可靠性直接影响制冷空调设备及系统的运行性能和使用寿命。近年来，随着行业技术进步，在制冷剂替代、能效提升等多方面因素的推动下 ［1-6］ ，制冷空调用换热器取得了较快发展，种类和型号也越来越多样化。然而，随着环保意识的提升和能源消耗的日益增长，对于换热器技术的要求也越来越高。如何提高换热器的性能、降低设备及系统能耗、减少对环境的负面影响，是当前和未来研究的重要课题。
为了满足行业需求，本文对工商制冷空调用换热器技术的现状进行了深入分析，并展望未来的发展趋势，为企业生产经营活动、应对节能减排和制冷剂替代等问题提供参考。
1、 工商制冷空调用换热器技术现状
1.1 翅片管式换热器
1.1.1 强化传热技术
（1）管内侧强化传热技术。
目前制冷空调行业应用最多的传热管为圆形无缝内螺纹铜管，内螺纹管管径、齿形几何参数等对换热器的传热效率有较大影响。其中，细径化是内螺纹管发展的重要方向之一。但换热器管径并不是越小越好，小管径会引起沿程阻力增大、压缩机输入功率增大等问题，因此在实际应用中需要综合考虑各影响因素。在齿形形状方面，交叉齿槽内螺纹管、人字齿槽的传热效率高于单旋梯形槽内螺纹管，但较高的生产成本造成其应用范围的广度不及单旋梯形槽内螺纹管。董志强等 ［7］对不同管型蒸发换热系数随着制冷剂流速的变化
进行了研究，结果如图 1 所示。在蒸发换热时，齿高、齿条数和螺旋角对换热系数影响显著，较大的齿高、较多的齿条数和较大的螺旋角均有利于换热系数的提高。
（2）空气侧强化传热技术。
相关研究主要集中在翅片片型和几何结构、翅片表面性能的改进等方面。不同翅片片型和几何结构的换热器，单从换热性能来说，异型翅片换热器性能优于光直翅片换热器 ［8-11］ ；翅片表面性能的改进在提升换热器性能方面也有着重要的作用，以普遍应用的铝翅片换热器为例，有关研究发现，湿工况下对翅片进行亲水涂层处理后，空气侧的压降降低显著，降低的最大值可达到 51% ［12］ 。
（3）流路优化设计。
对于翅片管换热器的理论和实验研究证明，除了通过改善管外空气侧的翅片和管内结构来增强换热外，还可以通过合理地设计管路流程来取得良好的换热效果 ［13-14］ 。
1.1.2 抑霜技术
近年来针对翅片管式换热器抑霜技术的研究，主要集中在结霜机制研究、抑制结霜技术等方面 ［15-16］ 。
（1）结霜机制的研究。
水蒸气向冷表面凝华成霜，是涉及传热传质、特殊的多孔介质移动边界问题。关于霜层生长机制的研究一般涉及霜层的物性、霜层生长规律及其影响因素、结霜过程的传热传质等。霜层物性的研究是结霜问题研究的重点，其中 2 个最重要的参数是霜层密度和导热系数，是由结霜的环境条件所决定，并与结霜过程密切相关；霜层内传热传质现象也是结霜研究领域中的重要问题。在霜层生长过程中，霜层表面温度随着时间和空间位置发生变化，表面上水蒸气分压力也随之变化，由此改变了霜层表面热边界层和扩散边界层的结构，从而导致传热传质速率随时间和空间位置发生变化。一般认为，湿空气传递的水蒸气一部分在霜层表面凝华增加霜层厚度，导致边界层移动，另一部分扩散进入霜层内部，增加了霜层密度。
（2）抑制结霜技术。
利用干燥剂等来减少流经蒸发器的空气含湿量，从而减少蒸发器表面的结霜量；利用亲水材料表面来抑制结霜。经过处理使基材表面亲水，当表面出现水滴时，水滴会自行铺展形成水膜流掉，减缓了霜层的生长。但亲水表面涂层耐久性较差，一旦被灰尘覆盖后，表面的抑霜作用将会减弱，因此限制了其在工业领域的应用。目前，关于抑制结霜技术已经开展了很多研究工作，但这些研究距实际应用还有一定的距离。
1.1.3 加工制造工艺
胀接是一种利用外力使管道扩径并产生塑性变形，从而使管道外壁紧密连接在薄翅片内孔壁上的方法，目前主要有机械胀接、液压胀接两种。
机械胀接是利用胀管机加载使换热管外壁扩大并和翅片孔内壁接触，卸载后翅片孔内壁的收缩大于换热管的收缩，因而在换热管和翅片间产生残余应力；液压胀接是通过对管子内表面施加液压力，使管子产生径向变形而紧贴翅片孔内壁，并利用液压卸压后管子和翅片不同的回弹程度使管子和翅片孔间产生接触应力。
上述两种胀接方式中，液压胀接的管内表面质量好，对管子损伤小，但液压胀接设备成本较高；机械胀接能够快速完成胀接，且其胀接长度和胀管规模便于调整，是制冷空调换热器较为常用的胀接方法。
1.2 板式换热器
1.2.1 强化传热技术
板片是板式换热器的核心元件，其结构形式直接影响着板式换热器的传热及流动特性 ［17-20］ ，对板式换热器的性能影响至关重要。图 2 示出目前常用的部分板片结构，其中人字形波纹板的应用最广泛，包括单人字形、横人字形、斜人字形和锯齿形等等，是较为成功的一种换热板型。
1.2.2 板式换热器的失效与预防措施
板式换热器产生故障的原因是多方面的，其失效模式主要包括结垢、泄漏、腐蚀和冻裂等。预防措施有：
（1）结垢预防措施。冷却循环水中杂质过多的场合，可在适当位置处设置冲洗装置或过滤装置，从而防止设备的堵塞；避免应用在较脏或易结垢的环境；如果冷却循环水的硬度偏高，应将循环水预先进行软化。如果冷却水未经软化处理，则应控制较低的运行温度，以避免结垢。
（2）泄漏预防措施。开发使用新型密封材料的板式换热器密封垫，使其适应于制冷空调系统的应用需求；设置压缩预紧弹簧，有效地补偿夹紧结构密封预紧力的变化，从而阻止泄漏的发生。
（3）腐蚀预防措施。正确选用板式换热器的材料，破坏腐蚀的生成条件，可有效预防腐蚀的产生。
（4）冻裂预防措施。板式换热器在制冷空调系统中作为蒸发器使用时，应设置可靠的防冻机电保护程序来防止换热器结冰。
1.3 管壳式换热器
1.3.1 强化传热技术
（1）制冷剂侧强化传热技术。
冷凝器管外冷凝强化传热的研究主要集中在肋管结构设计和管材的选择。图 3 示出矩形截面和梯形截面的低肋管结构示意。国内外在低肋管基础上，相继开发出各种强化管，如具有三维结构的锯齿形翅片管、径向辐射肋管、花瓣形翅片管等 ［21］ 。对于管壳式换热器的管材，常采用奥氏体不锈钢，普通黄铜及紫铜等。在制冷空调领域，紫铜管应用较为广泛。
目前干式蒸发器主要采用内螺旋翅片管作为强化传热管型，在微肋管的应用方面也有较多的研究工作，但交叉内螺旋翅片管应用与干式蒸发器的研究尚未见报道。
在满液式蒸发器中，我国主要采用 Turbo-B管及其改进的管型，由于传热管浸没于制冷剂之中，其沸腾传热系数较高。
与满液式蒸发器相比，采用降膜式蒸发传热技术可以有效降低制冷剂的充注量，在大型制冷空调机组中的应用越来越广泛。国内外对于降膜式蒸发器管外降膜蒸发传热强化的研究，目前主要是沿用满液式蒸发器的强化传热管型，针对降膜蒸发的传热特点而开发的专用高效强化管尚未见报道。降膜式蒸发器外观及工作原理如图 4 所示。
（2）水侧强化传热技术。
从目前水冷式冷凝器、满液式蒸发器和降膜蒸发器的实际应用来看，水侧强化传热主要是通过采用具有内螺旋结构的管材来实现。但这种管型的不足之处在于其强化传热性能受结垢影响明显，尤其对冷凝器而言；在干式蒸发器中，水在管外流动，制冷剂在管内蒸发，为了提高管外水的流速和湍流强度，目前一般采用弓型隔板作为支撑结构 ［22-26］ 。
（3）纳米流体传热强化技术。
传热强化技术除了对换热器本身结构的改进优化以外，针对流体物性的改善也是重要的研究方向。国外学者研究了 CuO/H2O，MWCNT（多壁碳纳米管）/H2O，CuO/C2H6O2 （乙二醇），SiO2 /H2O等 4 种纳米流体与基液的导热系数的相对值 ［27］ ，研究结果表明，基液的导热系数越低，对纳米流体越有效。
王维等 ［28］ 研究了纳米流体在微槽道中的沸腾换热特性及规律，结果表明，水基 Al2O3纳米流体相对于去离子水可以明显强化微槽传热能力，传热系数可提高 10%~15%；毕胜山等 ［29］ 将不同配比 R134a/TiO2纳米制冷剂直接充灌到 R134a冰箱制冷系统中进行试验研究，结果表明，在不改变冰箱结构的条件下使用纳米制冷剂所带来的节能效果较显著。
1.3.2 失效及预防措施
管壳式换热器因耐高温高压、传热系数高、生产成本低等特点应用较为广泛，但应用于制冷空调场合时，由于其结构相对比较复杂，使用工况也具有多元化的特点，因此会产生多种失效形式 ［30-32］ 。管壳式换热器的失效主要包括管束失效、换热管与管板的连接失效、换热管与折流板接触面处振动引起的失效、管板与壳体连接处的失效等几种形式。对于管束失效，应从选材、防腐、防损伤、减小拉应力、防止振动以及高精度检漏试验方法等方面考虑，并采取定期清洗管束、在流体中加入缓蚀剂以及在流体入口设置过滤装置和缓冲结构等措施；换热管与管板连接可以采取改进焊接工艺，减小或消除温差应力和焊缝缺陷，并通过合理选材，消除不同材料接触所形成的电势差；换热管与折流板接触面处振动引起的失效可通过改变管束支撑形式消除流体的诱导振动、采用较大的管径增加换热管的刚度以及设置膨胀节降低换热管振动频率等措施来控制。
1.4 套管式换热器
强化套管式换热器换热性能的途径有许多，主要有改变管子外形或在管外加翅片等，如外翅片管、波纹管、螺旋槽管等 ［33-35］ 。
外管加装翅片不仅增大了换热面积，而且可以迫使流体在螺旋片和内外管组成的螺旋通道内流动，即改变了速度场的特性；内管为波纹管的套管式换热器，其中波纹管的面积大于直管面积，增大了换热面积；由于管截面的不断变化，使管内流体的湍动程度增加，增加横向流动，破坏边界层，从而起到强化传热的作用。
螺旋槽管通过滚压的方法在光管上轧制成外凹内凸的螺旋形粗糙表面，图 5 示出一种螺旋槽管的外观。由于螺旋槽管所具有的特殊结构，使得强化管内外流体呈现螺旋型运动，减小了管壁热边界层厚度，增强了流体湍流强度，强化了管道传热能力；流体运动过程中发生了旋转和脱体，增大了流体流动阻力。因此，评价螺旋槽管性能需综合考虑其流动阻力与换热特性。与其他强化换热管相比，螺旋槽管具有较优良的综合性能，是目前套管式换热器内管的主流选择。
1.5 微通道换热器
1.5.1 微通道换热器结构的优化设计研究
微通道换热器结构的优化设计大多围绕翅片和扁管开展研究 ［36-38］ 。对翅片换热性能产生影响的主要因素有翅片的材料、间距、厚度等；对扁管换热性能的产生影响的主要因素包括扁管的间距、材料、形状等。
制冷剂流量分配不均匀性对系统性能影响较大，据国内外学者的研究结果 ［39-41］ ，采用 R134a做制冷剂时，流量分配不均匀使机组性能减少29%~39%。采用 R22 做制冷剂时，流量分配不均匀使机组性能减少约为 50%。
1.5.2 微通道换热器结霜问题研究
影响微通道换热器结霜的因素包括环境条件和换热器结构 2 个方面。提高湿空气温度、含湿量、气流速度等均将导致水蒸气相变驱动力增大，结霜量增大；排水能力是微通道换热器结构设计中面临的重要问题，排水不畅将促进翅片霜层的形成。结霜问题是影响微通道换热器推广使用过程中遇到的主要障碍之一。
目前解决微通道换热器结霜问题主要通过换热器结构设计来实现，但不同换热器结构对于霜层形成和霜层厚度影响的定量研究较少，现有研究成果还不能有效指导微通道换热器的设计。
2 、制冷空调用换热器技术发展趋势
2.1 翅片管式换热器
小管径换热器技术是指基于采用小管径（管径≤ 5 mm）内螺纹铜管的一种高效换热器技术 ［42-43］ ，是指采用小管径高效内螺纹铜管替代原换热器中较大管径的铜管，从而降低产品成本；随着各应用行业对换热器需求的增加，市场对换热器产品的质量、性能等提出了更高的要求，如环保、个性化、多样化等，会使我国换热器企业面临的市场竞争压力增大。因此，亟需提高换热器生产过程的智能化水平，实现加工零件精度一致性好、加工质量稳定、废品率降低等目标，对提高产品科技含量和市场竞争力具有较大帮助。
2.2 板式换热器
国内对新型板片的开发力度较弱，发展新的换热板型波纹，成为我国板式换热器研究中的主要方向之一 ［44］ 。国内学者提出一种不连续交叉肋结构的板式换热器，并对其换热能力和压降等进行了数值和试验研究 ［45］ ；开展减量充注技术研究，对于适应替代制冷剂所带来的换热器结构变化，保证换热器在工作条件下最佳的传热效果，助推新型工质，特别是（低）可燃工质的进一步应用具有重要意义。
2.3 管壳式换热器
在强化传热技术方面，管壳式换热器的强化传热研究 ［46-47］ 将着重于以下几个方面。对于水冷式冷凝器，解决细密翅片结构的三维翅片管管束效应，以减少表面张力作用下冷凝液在传热管表面的粘滞问题，从而提高冷凝器传热性能；开发新型传热管支撑结构，改善传热性能，降低流体流动压降，提高传热管间换热温度的均匀性；采用降膜蒸发器传热强化技术，减少制冷剂的充注量；开展相关管内水侧强化传热，使得管内传热系数与管外相变传热系数基本相当是今后研究的关键；采用不同的管束布局方式和节距比，直接影响到换热器的压降、换热性能等；开展分液技术的研究，保证在偏离设计条件下，仍能够实现向蒸发器均匀、等量的供液，是带分液功能换热器设计的重要内容。
在可靠性提升技术 ［48-49］ 方面，主要在以下几个方面开展工作。新材料的选择和应用，有效提高换热器的换热效率和耐腐蚀性，并降低产品制造成本；换热器结垢机理以及在线清洗技术的研发，对于延缓水垢的形成、维持换热器的长时间高效运行具有重要意义；开展管壳式换热器在不同场合、不同运行工况条件的结构优化设计，对换热器的强度、刚度、振动等可靠性指标进行动态仿真，结合试验研究开发新型换热器结构型式，提升产品的可靠性。
2.4 套管式换热器
（1）大型化研究。
对于制冷空调行业而言，随着大型机组及装置的发展，对换热器的能力提出了更高的要求。
大容量套管式换热器目前主要通过小容量模块拼接而成，使得系统臃肿庞大，同时设备投资费用高昂，并且产生管间接头较多、易发生泄漏等问题。因此，开展套管式换热器大型化研究，突破现有技术瓶颈，对于提高大容量套管式换热器可靠性、减小占地面积、改善系统设备的安装和维修条件，进而提高制冷空调系统的总体技术性能具有重要意义。
（2）强化传热机理研究 ［50］ 。
不同强化管的强化传热机理不同，针对不同形式的强化管，开展相应的强化传热机理的研究，对于进一步提高套管式换热器的传热效率具有重要意义。
（3）可靠性研究 ［51］ 。
套管换热器的失效模式主要体现在冰冻后胀管导致管子强度不足；管内污垢导致换热系数下降等。因此，运用新的设计理论和设计方法，结合产品的失效模式分析，研制重量轻、体积小、可靠性高的套管换热器，并对其可靠性和安全性进行预测，减少换热器事故的发生，保障制冷空调系统的安全运行。
2.5 微通道换热器
在考虑换热器制造成本的同时，应针对翅片型式及其参数、换热器布置、回路设置、集流管的设计等方面进行研究 ［52-53］ ，得到高效经济的换热器；新材料的应用可增强微通道换热器在多种使用环境中的适应性，并提升换热器性能；对微通道换热器的研究多集中于传热方面，腐蚀影响方面则较少涉及，也应加强相关研究。当前行业内虽然存在多种试验方法，但并没有公认的且能与现场失效很好吻合的方法，需要进一步开展相关研究工作；对于微通道换热器作为冷凝器时的传热特性研究较多，而针对微通道蒸发器的研究，尤其是理论上对结霜和融霜工况下换热器表面传热传质机理研究还比较少。因此，还必须针对微通道换热器作为蒸发器时在结霜和融霜工况下，内部制冷剂的分配特性、换热器表面霜层生长规律等对系统性能特性的影响进行研究。
3、 结语
随着行业的技术进步和应用市场的需求多样化，我国工商制冷空调用换热器的市场呈现出百家争鸣的态势，新型产品、研究方向和研究成果不断涌现，换热器的发展面临着新的机遇和挑战。目前在我国工商制冷空调用换热器发展中存在换热器性能和可靠性亟需进一步提升、制冷剂替代技术的研究薄弱、生产效率有待进一步提高等问题。针对上述问题，应在强化传热和轻量化技术、数值模拟技术、适应新型制冷剂和减量充注技术、智能制造技术等方面加大研发投入，提高换热器传热效率并节约材料成本，适应制冷剂替代的行业发展趋势，并进一步提高生产效率、降低人力成本，为我国制冷空调用换热器产业做大做强提供技术支撑。
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作者简介：张秀平（1971），女，研究员，主要从事制冷空调技术研究工作，通信地址：230031 安徽省合肥市长江西路888 号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：zhangxiuping@hgmri.com。
张秀平，等：工商制冷空调用换热器技术现状与发展趋势
本文引用格式：
张秀平，刘晓红，周到，等 . 工商制冷空调用换热器技术现状与发展趋势［J］. 流体机械，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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