汽車空調平行流冷凝器傳熱性能實驗研究 

摘要 對汽車空調平行流式冷凝器使用的沖縫百葉窗翅片空氣側的傳熱與流動性能進行了實驗研究和模擬計算，分析研究了不同風速和不同翅片結構參數對平行流式冷凝器性能的影響，為平行流式冷凝器性能優化設計提供了重要的參考。
關鍵詞 汽車空調；平行流冷凝器；性能；仿真 

1、前言
       平行流式冷凝器吸收了管帶式的各項新技術，是R134a的*適宜的替換機型，目前已成為*有前途的冷凝器形式[1]。平行流式冷凝器采用空氣冷卻且為了減少車用空調的體積、重量和增強傳熱，它一般在制冷劑側采用低肋管，以增大傳熱面積，在管外采用波紋百葉窗翅片，能有效破壞空氣流動邊界層，從而大大強化空氣側換熱。國內外很多學者對平行流換熱器進行了大量的研究。
       文獻[2]建立了多元平行流冷凝器換熱計算模型。文獻[3]建立了多元平行流蒸發器數學模型，對兩流程和三流程的蒸發器進行了比較分析。文獻[4]選用合適的傳熱和壓降關聯式，對多元平行流冷凝器進行了數值模擬，結果表明制冷劑在非圓截面微通道內的冷凝過程中，表面張力對表面傳熱系數的強化效果明顯通過改變流程數和各流程管數來改變冷凝過程中的流通截面而達到調整流速的作用，從而可以保持較高的冷凝換熱系數和較低的流動壓降，與常規換熱器相比具有顯著的優越性。Suga和Aoki [5]對百葉窗角度一定時翅片間距與百葉窗間距比值進行了優化，分析了翅片結構與換熱性能的關系。Yuan Y M和Jackson [6]發現熱尾流增大了熱阻，對傳熱不利，在設計換熱器時要考慮盡量減少熱尾流對換熱的影響。Itoh和Kuroda[7] 在模擬過程中考慮了空氣物性隨溫度的變化，同時他們還對百葉窗翅片陣列進行了可視化實驗，發現數值模擬結果與實驗結果吻合。Atkinson[8]模擬了百葉窗翅片換熱和阻力特性，結果表明三維模型不但能得到百葉窗翅片表面流體流動中存在的復雜的三維特征，而且其換熱和阻力的平均特性也和實驗數據更吻合。Keu和Liu等[9] 對圓管和橢圓管結構的翅片管換熱器空氣側流動和傳熱性能進行了數值模擬，他們對百葉窗翅片的翅片間距、百葉窗角度以及長度進行了系統的研究。文獻[10] 模擬分析了不同百葉窗角度下的傳熱和阻力性能，發現在24度時傳熱性能*好。 文獻[11]對不同的翅片間距和翅片厚度的傳熱特性和流動阻力做了比較，結果表明，翅片間距減小，空氣側對流換熱系數以及進出口壓差都隨之增大，效果明顯翅片厚度減小，換熱系數增加和壓差減少，但是變化都不大。文獻[12]對汽車上常用的百葉窗式換熱器的傳熱過程進行了分析，建立了翅片內導熱與翅片耦合對流換熱的物理數學模型，并采用數值分析方法對該耦合傳熱問題進行了數值模擬計算，數值計算結果與實驗關聯式計算結果進行了比較，它們有很好的一致性。 
2 、平流式冷凝器試驗分析 
       本文采用美國TESCOR汽車空調換熱器性能試驗臺測試冷凝器空氣側性能。整個換熱器測試臺放置在測試室內，測試室配置了一套標準的測試風洞，用于空氣的熱焓測量。測試風洞為封閉隔熱結構，分兩部分分別用于溫、濕度測量和空氣流量測量。采用鋁制混合器及銅絲網，以確保迅速感應溫度變化。溫、濕度由空氣采樣器采樣，并遵循從哪里采樣又順流送回到哪里的原則，保持空氣的穩定性。空氣流量采用噴嘴測量，測試風洞選擇不同的噴嘴組合來滿足不同的測量范圍。測試風洞的排氣口與室內空氣處理系統入口直接相連，配備一臺可調節空氣循環風機，這樣就不會影響室內溫度的均勻性。風洞后部設有一分流調節器。在測試開始前，調節好分流調節器于一適當位置，有助于選擇循環風機*有效益的工作點。        試驗用平行流冷凝器為岳陽恒立冷氣設備有限公司提供的2mm×16 mm的十孔鋁質口琴管鑲嵌開百頁窗U形帶狀鋁質翅片平流式冷凝器。采用的制冷劑為R134a，其界面如圖1所示。冷凝器各流程扁管數依次為16、10、6、4；扁管外型高、寬分別為2mm、16mm，翅片厚0.12mm，翅片間距1.5mm翅片高8mm，百葉窗角度27°。

       冷凝器換熱性能試驗工況條件：進風干球溫度為45℃，進口制冷劑壓力2.0MPa，進口制冷劑溫度100℃，出口過冷度5℃。試驗中設定冷凝器迎面風速為1.0、2.0、3.0、4.0 m/s。
3 、空氣側百葉窗翅片的傳熱和阻力計算 
       由于平流式冷凝器中氣體流動狀況與翅片幾何特征有關，空氣側換熱系數一般由實驗得到，本文采用文獻[13]給出的準則關聯式如下：

       平流式冷凝器的空氣側傳熱主要是通過翅片來進行的，因此要考慮翅片的肋片效率。

4、制冷劑側壓降和換熱系數的計算     汽車空調平行流冷凝器傳熱性能實驗研究

       汽車空調換熱器具有特殊性，其管帶式冷凝器和平流式冷凝器均使用了帶或不帶內肋的多孔矩形扁管或三角形扁管。對于這兩種異形管的相變傳熱機理，C-Y. Yang和Webb于1996年發表了CFC12在多孔矩形扁管內的摩擦阻力和傳熱系數的關聯式[15][16]。 

5、結果與分析
       筆者采用編制的計算機程序對不同風速、不同結構參數的平行流式冷凝器的風阻與傳熱特性進行了計算，下面分別對各個參數的影響進行討論。
       圖2給出了空氣換熱系數隨翅片高度的變化。當冷凝器在相同的扁管寬度、扁管數和迎面風速條件下，隨著翅片高度的增加，相應的基于扁管基表面積的空氣側換熱系數減小，但單位管長的總外表面積增加，由此可見，在傳熱溫差一定的前提下，換熱器綜合性能比值隨著百葉窗間距的增大而減小，翅片高度存在理論上的*優值。
       圖3、圖4 給出了空氣側換熱系數和阻力隨翅片間距的變化，隨翅片間距的增大，換熱器側壓降呈冪指數關系減小的趨勢，相應地，基于扁管基表面積的換熱系數也減小，但減小的幅度不一樣，而且減小的幅度和其它幾何因素也是密切相關的。為了提高換熱器的換熱效率，應該適當減小翅片間距，從而可以減小空氣側水力直徑，有利于提高空氣側的傳熱系數，使換熱器傳熱面積增加，換熱能力也增加，但卻引起阻力的增加，設計時應根據風機的流量阻力特性來選取合適的翅片間距。

       圖5、6是在換熱器其它入口參數條件不變，只改變空氣進口迎面風速來考慮迎面風速對冷凝器性能的影響。從圖5、6可以看出，對于一定結構的冷凝器，換熱量在低速區增速較快，而空氣側阻力在高速區增速較快。換熱量隨迎面風速的變化可用空氣側換熱系數隨迎面風速的變化來反映。可以看出隨著迎面風速的增加，換熱系數增加趨于一定值，因而隨著迎面風速的增加，換熱量的增加趨于一定值。空氣側阻力隨迎面風速的變化基本體現了二者成冪指數變化關系。對于不同結構的冷凝器均存在一個臨界風速，當風速超過臨界風速時，空氣側阻力增加劇烈而換熱量趨于定值。在優化設計平流式冷凝器時，應合理選擇結構型式，使常用風速低于臨界風速。
6、結論        考慮到行業的特殊性，隨著汽車技術的發展，對汽車空調系統的緊湊性，所耗功率等的要求越來越高，而對緊湊性而言，換熱器，冷卻系統用風扇的體積重量是必須考慮的，一般情況下，風扇提供的風量、風壓與其尺寸、所耗功率是成正比的，而對換熱器而言，換熱器要達到一定的散熱量，換熱器內的空氣速度，換熱面積等就必須達到一定的要求。因此，利用計算機仿真技術和實驗研究，結合國內外對平行流式冷凝器的研究經驗，通過對風速、翅片結構參數改變后對平行流式冷凝性能影響作了分析研究，為平行流式冷凝器的優化設計提供了重要參考。
汽車空調平行流冷凝器傳熱性能實驗研究