汽車空調(diào)平行流冷凝器傳熱性能實驗研究
摘要 對汽車空調(diào)平行流式冷凝器使用的沖縫百葉窗翅片空氣側(cè)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(jié)構(gòu)參數(shù)對平行流式冷凝器性能的影響，為平行流式冷凝器性能優(yōu)化設(shè)計提供了重要的參考。
關(guān)鍵詞 汽車空調(diào)；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(shù)，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(diào)的體積、重量和增強傳熱，它一般在制冷劑側(cè)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(cè)換熱。國內(nèi)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(fā)器數(shù)學模型，對兩流程和三流程的蒸發(fā)器進行了比較分析。文獻[4]選用合適的傳熱和壓降關(guān)聯(lián)式，對多元平行流冷凝器進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明制冷劑在非圓截面微通道內(nèi)的冷凝過程中，表面張力對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的強化效果明顯通過改變流程數(shù)和各流程管數(shù)來改變冷凝過程中的流通截面而達到調(diào)整流速的作用，從而可以保持較高的冷凝換熱系數(shù)和較低的流動壓降，與常規(guī)換熱器相比具有顯著的優(yōu)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(yōu)化，分析了翅片結(jié)構(gòu)與換熱性能的關(guān)系。Yuan Y M和Jackson [6]發(fā)現(xiàn)熱尾流增大了熱阻，對傳熱不利，在設(shè)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(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。Atkinson[8]模擬了百葉窗翅片換熱和阻力特性，結(jié)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(shù)據(jù)更吻合。Keu和Liu等[9] 對圓管和橢圓管結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器空氣側(cè)流動和傳熱性能進行了數(shù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(jié)果表明，翅片間距減小，空氣側(cè)對流換熱系數(shù)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(shù)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(nèi)導熱與翅片耦合對流換熱的物理數(shù)學模型，并采用數(shù)值分析方法對該耦合傳熱問題進行了數(shù)值模擬計算，數(shù)值計算結(jié)果與實驗關(guān)聯(lián)式計算結(jié)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(diào)換熱器性能試驗臺測試冷凝器空氣側(cè)性能。整個換熱器測試臺放置在測試室內(nèi)，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(jié)構(gòu)，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(wǎng)，以確保迅速感應(yīng)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(wěn)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(nèi)空氣處理系統(tǒng)入口直接相連，配備一臺可調(diào)節(jié)空氣循環(huán)風機，這樣就不會影響室內(nèi)溫度的均勻性。風洞后部設(shè)有一分流調(diào)節(jié)器。在測試開始前，調(diào)節(jié)好分流調(diào)節(jié)器于一適當位置，有助于選擇循環(huán)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(shè)備有限公司提供的2mm×16 mm的十孔鋁質(zhì)口琴管鑲嵌開百頁窗U形帶狀鋁質(zhì)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(shù)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(shè)定冷凝器迎面風速為1.0、2.0、3.0、4.0 m/s。
3 、空氣側(cè)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(guān)，空氣側(cè)換熱系數(shù)一般由實驗得到，本文采用文獻[13]給出的準則關(guān)聯(lián)式如下：
平流式冷凝器的空氣側(cè)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(cè)壓降和換熱系數(shù)的計算 汽車空調(diào)平行流冷凝器傳熱性能實驗研究
汽車空調(diào)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(nèi)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(fā)表了CFC12在多孔矩形扁管內(nèi)的摩擦阻力和傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式[15][16]。
5、結(jié)果與分析
筆者采用編制的計算機程序?qū)Σ煌L速、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)的影響進行討論。
圖2給出了空氣換熱系數(shù)隨翅片高度的變化。當冷凝器在相同的扁管寬度、扁管數(shù)和迎面風速條件下，隨著翅片高度的增加，相應(yīng)的基于扁管基表面積的空氣側(cè)換熱系數(shù)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(yōu)值。
圖3、圖4 給出了空氣側(cè)換熱系數(shù)和阻力隨翅片間距的變化，隨翅片間距的增大，換熱器側(cè)壓降呈冪指數(shù)關(guān)系減小的趨勢，相應(yīng)地，基于扁管基表面積的換熱系數(shù)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(guān)的。為了提高換熱器的換熱效率，應(yīng)該適當減小翅片間距，從而可以減小空氣側(cè)水力直徑，有利于提高空氣側(cè)的傳熱系數(shù)，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(shè)計時應(yīng)根據(jù)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(shù)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(jié)構(gòu)的冷凝器，換熱量在低速區(qū)增速較快，而空氣側(cè)阻力在高速區(qū)增速較快。換熱量隨迎面風速的變化可用空氣側(cè)換熱系數(shù)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(shù)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(cè)阻力隨迎面風速的變化基本體現(xiàn)了二者成冪指數(shù)變化關(guān)系。對于不同結(jié)構(gòu)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(cè)阻力增加劇烈而換熱量趨于定值。在優(yōu)化設(shè)計平流式冷凝器時，應(yīng)合理選擇結(jié)構(gòu)型式，使常用風速低于臨界風速。
6、結(jié)論 考慮到行業(yè)的特殊性，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，對汽車空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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(shù)和實驗研究，結(jié)合國內(nèi)外對平行流式冷凝器的研究經(jīng)驗，通過對風速、翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)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(yōu)化設(shè)計提供了重要參考。
汽車空調(diào)平行流冷凝器傳熱性能實驗研究
