汽车空调用平行流换热器的特点及研究现状-刘婷婷

271汽车空调用平行流换热器的特点及研究现状STUDYONCHARACTERSANDRESEARCHWORKSOFAUTOMOBILEACPARALLELFLOWHEATEXCHANGERS刘婷婷陈波上海精励汽车科技有限公司，上海200240Tel:[phone],E-mail:[e-mail]摘要：平行流换热器以其高效、紧凑的特点，成为汽车空调换热器（蒸发器和冷凝器）理想的换代产品。本文首先介绍了平行流换热器的特点和国内外该型式换热器的研究现状，并重点介绍了几种近几年内提出的为进一步提高平行流蒸发器性能而进行的技术改进方案，为进一步分析和研究该型换热器在汽车空调系统及其他制冷系统上的应用奠定了基础。关键词：汽车空调换热器平行流冷凝器平行流蒸发器_________________________________________________________________________________0前言汽车空调系统为汽车提供制冷、取暖、除霜、除雾和湿度控制等功能，它已成为满足车室内乘客舒适性和驾驶安全性的汽车的重要附件之一。冷凝器和蒸发器作为汽车空调中两个重要的部件，其换热效果会直接影响整个系统的性能，而且它们的重量和体积大小也会影响整车的紧凑性，因此汽车空调换热器（冷凝器和蒸发器）对高效、紧凑性的要求比较高。近年来，国内外对汽车空调换热器的研究主要集中在强化换热、提高效率、缩小体积等方面，并在这些方面取得了很大的进展，原有的翅片管式和管带式的换热器结构形式，已逐渐被更高效、紧凑的结构形式所取代。平行流换热器是在管带式换热器的基础上发展起来的一种新型多孔扁管换热器，它以高效、紧凑的特点已成为汽车空调换热器（蒸发器和冷凝器）理想的换代产品。1平行流换热器的特点平行流换热器是将管带式换热器的制冷剂单路进出或双路并串联进出的形式改变为多流程进出的形式。它主要由多孔扁管和散热翅片组成，多孔扁管的两端设有集管，用于分配和汇集制冷剂。多孔扁管间的波纹状、带百叶窗的翅片强化了空气侧的换热，同时由于制冷剂侧采用小水力直径的多通道扁管，使得制冷剂侧的换热也被强化，因此平行流换热器的换热效率可达到同体积大小的普通的换热器的1.5～2倍[1]，它被认为是一种昀有发展前途的汽车空调换热器的换代产品。平行流换热器根据集流管分段与否分为多元平行流式和单元平行流式，多元式的平行流换热器的集管内设有隔板，将所有的多孔扁管分成若干个流程，每个流程的管数不同；单元式的平行流换热器的集流管内不设隔板，集流管内制冷剂流动方向一致。由于汽车空调换热器的管内制冷剂的状态随着制冷剂与管外介质的换热过程的进行而变化，其比容也会随之变化，因此为了使管内制冷剂一直保持较高的流速，就必须使其在与外界介质换热过程中的流通总换热面积发生变化，多元式的平行流换热器通过改变每个流程中的换热管数量，使管内制冷剂始终以基本恒定的较高的流速流动，从而使换热器的有效容积得到昀合理的利用，使管内制冷剂的流动和换热情况更趋合理。在汽车空调换热器（冷凝器和蒸发器）的管内制冷剂和管外介质的换热过程中，两相传热占据主导地位，因此深入分析两相传热机理的研究内容越来越多，这对于进一步提高换热器效率有重要意义。目前对常规直径换热管（直径大于3mm）内两相传热机理的研究已较为成熟，但是由于平行流换热器采用非圆截面通道和较小水力直径的多孔扁管，这一主要结构特点决定了其传热规律和流动阻力与常规大直径传热管相比有很大不同，因此常规换热器的传热和流动关联式不能直接应用于平行流换热器中。基于上述原因，近年来关于多孔扁管内部微通道内两相流动换热性能的试验和理论研究越来越多，文献[2]对272R134a在多孔扁管内部微通道内流动的单相和沸腾换热的传热系数和压降进行了试验研究，试验用多孔扁管内有11个截面为矩形的通道，通道的当量直径为2.01mm，并将传热系数和压降的试验数据与现有的常规直径换热管的换热关联式和压降关联式进行了比较分析。2国内外对汽车空调平行流冷凝器的研究汽车空调冷凝器属于风冷式冷凝器，其冷凝效果的好坏与冷凝器本身的散热能力及通风效果有关，它受外界气候条件变化的影响较大，例如当夏季室外温度比较高时，就需要较大的换热面积才能满足冷却要求，但是由于受汽车空间尺寸的限制，车用冷凝器的迎风面积往往不能做得足够大，因而需要采用传热效率较高的结构形式，为此国内外相关学者对现有的管片式、管带式和平行流式汽车空调冷凝器（如图1）的性能进行了对比，结果显示平行流式冷凝器的传热系数要比管带式的高20％～40％，重量比管带式的轻30％～50％，制冷剂侧的阻力损失约比管带式的低70％～80％，因此多元式平行流冷凝器就以其传热系数高、压力损失小、结构紧凑、质量轻的优点，成为目前昀有发展前途的汽车空调冷凝器形式。图1平行流冷凝器目前，有关汽车空调平行流冷凝器的研究已较为成熟，文献[3]建立了多元平行流冷凝器的分布参数模型，编制了稳态分布参数模型仿真程序，着重对管路流程安排、翅片布置进行了研究探讨，并利用试验结果对比进行了验证，得出制冷剂流程分配的昀佳比值以及翅片高度和间距的昀佳值，以期在不需很大改动的前提下，为汽车空调平行流冷凝器的性能改良提供理论参考。文献[4]阐述了扁管微通道形状和扁管微通道孔数对多元平行流冷凝器的换热性能和压力损失的影响，指出在相同扁管宽度的情况下，多孔三角形微通道的换热性能低于多孔矩形微通道，压力损失大于矩形微通道，但是其耐压性能优于多孔矩形微通道，因此平行流冷凝器通常使用多孔矩形微通道，只有在较高的冷凝压力的工质中才使用多孔三角形微通道；该文献还指出平行流冷凝器的换热性能随扁管微通道孔数的增加而增加，而压力损失随微通道孔数增加的幅度很小，因此在加工工艺允许的范围内，应尽可能采用较多的微通道孔数。3国内外对汽车空调平行流蒸发器的研究汽车空调蒸发器属于直接风冷式结构，受汽车车厢空间的限制，它必须具有制冷效率高、体积小、重量轻等特点。近年来平行流式换热器以其显著的优点，已被逐渐应用于汽车空调系统的蒸发器。汽车空调用平行流蒸发器是一种高效紧凑式换热器，它由一组或两组由两侧的集管和多根多孔扁管等部件组成的换热单元构成，所有的多孔扁管通过两侧的集管相互连通，集管的作用是向每根多孔扁管分配制冷剂和汇集每根多孔扁管出口的制冷剂，在集管内部的隔板使得所有的多孔扁管被分隔成几个流程。制冷剂先从进口进入平行流蒸发器一侧的一个集管，然后再被分配给第一个流程中的换热扁管，制冷剂与管外被冷却空气换热后进入另一侧的一个集管，而后被分配进入下一个流程的多孔扁管内。国内外学者对影响多元平行流蒸发器换热性能的各种重要参数进行了研究，如流程数量、制冷剂在多孔扁管内的分布情况、扁管内微通道的横截面形状等相关参数。文献[5]建立了多元平行流蒸发器的计算模型，对两流程和三流程的平行流蒸发器的性能进行了对比，分析了流程数对蒸发器性能的影响；文献[6]根据平行流蒸发器特殊的结构形式，用能量平衡的方法建立了数学模型进行数值模拟分析，昀后得出结论，增加流程数、减小扁管内微通道的尺寸都能提高蒸发器的换热性能，但同时管内压降也随之增大，而且换热能力增强的趋势会逐渐变慢；各流程扁管数的分配比例也影响蒸发器的换热性能和管内压降，且存在一个各流程扁管数的昀佳分配比例，使得蒸发器的换热量昀大，管内压降昀小。文献[7]指出确保平行流蒸发器的换热扁管内流量分布均匀，是保证其具有较高的换热性能的重要前提。本文献阐明了影响多孔扁管内制冷剂分布情况的因素包括多孔扁管插入集管内的深度、每个流程的扁管数量、制冷剂在扁管内的流动方向和进入集管的流速等。文献[8]以由15根多孔扁管和内径为27320mm的集管组成的平行流蒸发器为试验对象，以R134a为扁管内的循环介质，分析了多孔扁管插入集管内的深度和入口段长度对扁管内制冷剂流量分布情况的影响，指出当入口段的长度较短时，多孔扁管插入集管内的深度对管内制冷剂流量分布情况的影响较小，而当入口段的长度较长时，就要相应地增加多孔扁管插入集管内的深度才能保证管内制冷剂流量分布均匀。为了使平行流蒸发器能被更广泛地应用于汽车空调系统的蒸发器，近年来国外学者对原有的一些不合理的结构形式做了相应的改进。如图2所示的平行流蒸发器的结构形式，是1997年美国的一个专利号为US5622219的文件中提出的为改善扁管内制冷剂的分布情况所做的技术改进。该结构利用安装在下侧集管上的进/出口装置和安装在上侧集管上的混合装置将两组相同的扁管换热单元连接在一起，进/出口装置与平行流蒸发器的进/出口接管连接，其与集管连接的一侧设有制冷剂分配器；混合装置与上侧集管连接的一侧设有与前后两组换热单元相连通的孔口，其作用是将进口侧换热单元的多孔扁管内的制冷剂汇集后再送入出口侧换热单元的多孔扁管内，这种平行流蒸发器的结构形式可使多孔扁管内的制冷剂分布较为均匀。图2平行流蒸发器为了使流出平行流蒸发器的被冷却空气的温度场均匀，2003年美国的一个专利号为US6536517的文件中提出如图3所示的平行流换热器的流程布置的改进方案。图3a是原有的平行流蒸发器的流程布置形式，即在进/出口侧集管内部的中间沿多孔扁管的轴向设置隔板，将集管内部的容积分为上下两部分，使得制冷剂先进入后排背风面换热单元左半部分的扁管与管外被冷却空气换热，然后依次流入后排背风侧换热单元的右半部分换热扁管、迎风面换热单元的右半部分换热扁管、迎风面换热单元的左半部分换热扁管，昀后从上侧集管的出口流出，扁管内的制冷剂与管外被冷却空气换热后，逐渐由两相状态转变为过热气体，由于相同质量的制冷剂的换热能力随其干度的增加而减小，这就使得经过该平行流蒸发器的被冷却空气的温度分布不均匀。图3b是为了解决这一问题而对平行流蒸发器的流程布置形式所做的改进，该改进方案用沿集管轴向的隔板取代原有的沿多孔扁管轴向的隔板，使上侧集管的内部空间被分为左右两部分，制冷剂先同时进入背风侧的后排换热扁管与管外空气换热后，再同时进入迎风侧的前排换热扁管，这就使得与管外被冷却空气同时接触的一排多孔扁管内的制冷剂的干度基本均匀一致，使得经过该平行流蒸发器的被冷却空气的温度场较为均匀。图3平行流蒸发器的流程布置形式的改进如图4所示的1993年美国的一个专利号为US005190100的文件中提出的对平行流蒸发器的多孔扁管的与集管连接部分结构的改进方案。图4a是常规结构的多孔扁管，这种形式较难控制扁管插入集管内的深度，图4b为改进后的结构形式，在扁管的与集管连接部分设置具有限位作用的凸台，使得所有的多孔扁管都以相同的昀佳深度插入集管内，以保证流入每根多孔扁管的制冷剂的流量不会因其插入集管的深度不同而有所差异。图4平行流蒸发器的多孔扁管与集管的连接部分的结构改进国内外相关技术人员对扁管内微通道的截面形状的研究，基本是以增大换热面积和对流换热系数，或增强其耐压能力和抗变形能力为主要目标。2001年美国的一个专利号为US6289981的文件中提出几种新型扁管内微通道的截面形状（如图5）。如图5a和图5b所示的带内翅片的圆形或矩形的多孔扁管截面形状，增大了扁管内微通道的换热面积，并有效地破坏了管内制冷剂的流动边界层，从而增强了扁管的换热能力；图5c所示的三角形多孔扁管通道虽然换热能力低于矩形通道，但是其耐压性能较强，适用于较高的蒸发压力的工质中使用；这三种形式的多孔扁管通道的昀外侧的两个微通道的截面均为圆形，目的274是增强多孔扁管的抗变形能力。图5平行流蒸发器的多孔扁管4结论（1）平行流换热器是一种在管带式换热器基础上发展起来的新型多孔扁管换热器，它以高效、紧凑的特点已成为汽车空调换热器（蒸发器和冷凝器）理想的换代产品。（2）目前，与平行流式冷凝器相关的研究已经比较成熟，它已基本取代管带式成为主要的汽车空调冷凝器的形式。影响平行流冷凝器的换热性能和压力损失的参数包括各流程扁管数量的比值、翅片高度和间距、扁管微通道形状及扁管微通道的孔数。（3）平行流式蒸发器已被逐渐应用于汽车空调蒸发器，目前对其的研究重点是如何通过改善流程布