271汽车空调平行流冷凝器传热性能实验研究与仿真

汽车空调平行流冷凝器传热性能实验研究与仿真1.湖南科技大学，2.湖南工业大学，向立平1，王汉青2，邹声华1摘要对汽车空调平行流式冷凝器使用的冲缝百叶窗翅片空气侧的传热与流动性能进行了实验研究和模拟计算，分析研究了不同风速和不同翅片结构参数对平行流式冷凝器性能的影响，为平行流式冷凝器性能优化设计提供了重要的参考。关键词汽车空调；平行流冷凝器；性能；仿真1前言平行流式冷凝器吸收了管带式的各项新技术，是R134a的最适宜的替换机型，目前已成为最有前途的冷凝器形式[1]。平行流式冷凝器采用空气冷却且为了减少车用空调的体积、重量和增强传热，它一般在制冷剂侧采用低肋管，以增大传热面积，在管外采用波纹百叶窗翅片，能有效破坏空气流动边界层，从而大大强化空气侧换热。国内外很多学者对平行流换热器进行了大量的研究。文献[2]建立了多元平行流冷凝器换热计算模型。文献[3]建立了多元平行流蒸发器数学模型，对两流程和三流程的蒸发器进行了比较分析。文献[4]选用合适的传热和压降关联式，对多元平行流冷凝器进行了数值模拟，结果表明制冷剂在非圆截面微通道内的冷凝过程中，表面张力对表面传热系数的强化效果明显通过改变流程数和各流程管数来改变冷凝过程中的流通截面而达到调整流速的作用，从而可以保持较高的冷凝换热系数和较低的流动压降，与常规换热器相比具有显著的优越性。Suga和Aoki[5]对百叶窗角度一定时翅片间距与百叶窗间距比值进行了优化，分析了翅片结构与换热性能的关系。YuanYM和Jackson[6]发现热尾流增大了热阻，对传热不利，在设计换热器时要考虑尽量减少热尾流对换热的影响。Itoh和Kuroda[7]在模拟过程中考虑了空气物性随温度的变化，同时他们还对百叶窗翅片阵列进行了可视化实验，发现数值模拟结果与实验结果吻合。Atkinson[8]模拟了百叶窗翅片换热和阻力特性，结果表明三维模型不但能得到百叶窗翅片表面流体流动中存在的复杂的三维特征，而且其换热和阻力的平均特性也和实验数据更吻合。Keu和Liu等[9]对圆管和椭圆管结构的翅片管换热器空气侧流动和传热性能进行了数值模拟，他们对百叶窗翅片的翅片间距、百叶窗角度以及长度进行了系统的研究。文献[10]模拟分析了不同百叶窗角度下的传热和阻力性能，发现在24度时传热性能最好。文献[11]对不同的翅片间距和翅片厚度的传热特性和流动阻力做了比较，结果表明，翅片间距减小，空气侧对流换热系数以及进出口压差都随之增大，效果明显翅片厚度减小，换热系数增加和压差减少，但是变化都不大。文献[12]对汽车上常用的百叶窗式换热器的传热过程进行了分析，建立了翅片内导热与翅片耦合对流换热的物理数学模型，并采用数值分析方法对该耦合传热问题进行了数值模拟计算，数值计算结果与实验关联式计算结果进行了比较，它们有很好的一致性。2平流式冷凝器试验分析本文采用美国TESCOR汽车空调换热器性能试验台测试冷凝器空气侧性能。整个换热器测试台放置在测试室内，测试室配置了一套标准的测试风洞，用于空气的热焓测量。测试风洞为封闭隔热结构，分两部分分别用于温、湿度测量和空气流量测量。采用铝制混合器及铜丝网，以确保迅速感应温度变化。温、湿度由空气采样器采样，并遵循从哪里采样又顺流送回到哪里的原则，保持空气的稳定性。空气流量采用喷嘴测量，测试风洞选择不同的喷嘴组合来满足不同的测量范围。测试风洞的排气口与室内空气处理系统入口直接相连，配备一台可调节空气循环风机，这样就不会影响室内温度的均匀性。风洞后部设有一分流调节器。在测试开始前，调节好分流调节器于一适当位置，有助于选择循环风机最有效益的工作点。试验用平行流冷凝器为岳阳恒立冷气设备有限公司提供的2mm×16mm的十孔铝质口琴管镶嵌开百页窗U形带状铝质翅片平流式冷凝器。采用的制冷剂为R134a，其界面如图1所示。冷凝器各流程扁管数依次为16、10、6、4；扁管外型高、宽分别为2mm、16mm，翅片厚0.12mm，翅片间距1.5mm翅片高8mm，百叶窗角度27°。冷凝器换热性能试验工况条件：进风干球温度为45℃，进口制冷剂压力2.0MPa，进口制冷剂温度100℃，出口过冷度5℃。试验中设定冷凝器迎面风速为1.0、2.0、3.0、4.0m/s。3空气侧百叶窗翅片的传热和阻力计算由于平流式冷凝器中气体流动状况与翅片几何特征有关，空气侧换热系数一般由实验得到，本文采用文献[13]给出的准则关联式如下：3133.03333.05057.0)(Re1758.0eaDWrPeaepeDDHDD5268.09908.1)()(式中：a——空气侧换热系数，W/m2·K；Re——雷诺数；aeaDGRe；aG——流通截面上的流量密度，kg/(m2·s)；a——空气粘性系数，Pa·s；rP——普朗特数，aapaCrP；paC——空气定压比热，J/kg·K；W——换热器沿气流方向厚度，m；eD——扁管侧当量直径，m；)()())((2fpgfpgeSDDSDDDpS——翅片间距，m；gD——管间距，m；f——翅片厚度，m；D——扁管高度，m；pH——翅片高度，m；a——空气导热系数，W/(m·K)。平流式冷凝器的空气侧传热主要是通过翅片来进行的，因此要考虑翅片的肋片效率。)()(lmlmhtf图1平流式冷凝器制冷剂流程示意图21)]/1(2[gfffaWKmfpHl2/式中：fK——翅片导热系数，W/(m2·K)；gW——扁管宽，m。表面效率：tffsAA/)1(1式中：fA——翅片面积，m2；tA——翅片管的总表面，m2。流动阻力关联式[14]：75.173.059.148.0egfpgaaDDDSWVP式中：aP——空气侧压降，Pa；aV——空气流量，m/s。4制冷剂侧压降和换热系数的计算汽车空调换热器具有特殊性，其管带式冷凝器和平流式冷凝器均使用了带或不带内肋的多孔矩形扁管或三角形扁管。对于这两种异形管的相变传热机理，C-Y.Yang和Webb于1996年发表了CFC12在多孔矩形扁管内的摩擦阻力和传热系数的关联式[15][16]。（1）单相区传热系数关联式[17]：3.08.0023.0rPeRuNDh式中：uN——努谢尔特数；DheR——单相区当量雷诺数，lhDhGDeR/；G——制冷剂流通密度，kg/(m2·s)，vG；——密度，(kg/m2)；v——速度，（m/s）；hD——制冷剂侧水力直径，m；l——动力粘性系数，N·s/m2。在制冷剂冷凝过程中，忽略加速压降和重力压降，只考虑摩擦压降，即：242GDLfPht式中：P——摩擦压降，Pa；tL——管长，m；f——摩擦系数。eRf162500eR；25.0Re079.0f20000Re2500；2.0Re046.0f20000Re；（2）两相区Yang和Webb首先对小水力直径的多孔矩形扁管进行了试验研究[15、16]，并推荐关联式。文献[15、18]的研究工作充分说明了矩形通道两相流过程的特殊性，本文采用Yang和Webb推荐使用的以下关联式。摩擦阻力关联式：feRDLPlleqht2422312.0435.0eqleRff，25.0079.0DhleRf；式中：tL为管长，m；两相区当量雷诺数lheqeqDGRe，hD为制冷剂侧水力直径，m，当量质量流速为：2/1)()1(vleqxxGGlhDhGDeR/，x为制冷剂干度。冷凝器管内制冷剂换热系数关联式：3/18.0Pr0265.0eqeRuNhrDauN，50000eqeR5结果与分析笔者采用编制的计算机程序对不同风速、不同结构参数的平行流式冷凝器的风阻与传热特性进行了计算，下面分别对各个参数的影响进行讨论。图2给出了空气换热系数随翅片高度的变化。当冷凝器在相同的扁管宽度、扁管数和迎面风速条件下，随着翅片高度的增加，相应的基于扁管基表面积的空气侧换热系数减小，但单位管长的总外表面积增加，由此可见，在传热温差一定的前提下，换热器综合性能比值随着百叶窗间距的增大而减小，翅片高度存在理论上的最优值。图3、图4给出了空气侧换热系数和阻力随翅片间距的变化，随翅片间距的增大，换热器侧压降呈幂指数关系减小的趋势，相应地，基于扁管基表面积的换热系数也减小，但减小的幅度不一样，而且减小的幅度和其它几何因素也是密切相关的。为了提高换热器的换热效率，应该适当减小翅片间距，从而可以减小空气侧水力直径，有利于提高空气侧的传热系数，使换热器传热面积增加，换热能力也增加，但却引起阻力的增加，设计时应根据风机的流量阻力特性来选取合适的翅片间距。图2空气侧换热系数随翅片高度的变化55.566.577.588.599.51060708090100110120翅片高度(mm)空气侧换热系数(kW/(m2K))图3空气侧换热系数随翅片间距的变化11.11.21.31.41.51.61.71.81.92406080100120140160翅片间距/mm空气侧换热系数[kW/(m2K)]图4空气侧阻力随翅片间距的变化11.11.21.31.41.51.61.71.81.9230507090110130翅片间距(mm)空气侧阻力(Pa)图5、6是在换热器其它入口参数条件不变，只改变空气进口迎面风速来考虑迎面风速对冷凝器性能的影响。从图5、6可以看出，对于一定结构的冷凝器，换热量在低速区增速较快，而空气侧阻力在高速区增速较快。换热量随迎面风速的变化可用空气侧换热系数随迎面风速的变化来反映。可以看出随着迎面风速的增加，换热系数增加趋于一定值，因而随着迎面风速的增加，换热量的增加趋于一定值。空气侧阻力随迎面风速的变化基本体现了二者成幂指数变化关系。对于不同结构的冷凝器均存在一个临界风速，当风速超过临界风速时，空气侧阻力增加剧烈而换热量趋于定值。在优化设计平流式冷凝器时，应合理选择结构型式，使常用风速低于临界风速。6结论考虑到行业的特殊性，随着汽车技术的发展，对汽车空调系统的紧凑性，所耗功率等的要求越来越高，而对紧凑性而言，换热器，冷却系统用风扇的体积重量是必须考虑的，一般情况下，风扇提供的风量、风压与其尺寸、所耗功率是成正比的，而对换热器而言，换热器要达到一定的散热量，换热器内的空气速度，换热面积等就必须达到一定的要求。因此，利用计算机仿真技术和实验研究，结合国内外对平行流式冷凝器的研究经验，通过对风速、翅片结构参数改变后对平行流式冷凝性能影响作了分析研究，为平行流式冷凝器的优化设计提供了重要参考。参考文献[1]刘宪英.用热效率分析比较三种型式制冷机的经济性能[J].暖通空调,1985,15(4):12-15[2]沈国民,谢军龙,韩军.多元平行流冷凝器的换热计算方法[J].建筑热能通风空调,2002,(1):30-34[3]WebbRL,WuXM.Thermalandhydraulicanalysisofabrazedaluminumevaporator[J].AppliedThermalEngineering,2002,22(12):1369-1390[4]包涛,董玉军等.多元平行流冷凝器传热流动性能研究[J].制冷学报,2005,26(3):1-5[5]SugaK,AokiH.Numericalstudyonheattransferandpressuredropinmultilouveredfins[J].JournalofEnhancedHeatTransfer,1995,2(3):231-238[6]YuanYM,JacksonA.CFDparametricanalysisforcompactheatexchangerairwaydesign[J].VehicleThermalManagementSystems,VTMS6,2003:901-918[7]ItohS,KurodaM,KatoY,KobayashiT.Numericalan