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1、汽車空調(diào)平行流冷凝器傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究與仿真摘要 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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和模擬計算，分析研究了不同風(fēng)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的最適宜的替換機(jī)型，目前已成為最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(qiáng)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(qiáng)化空氣側(cè)換熱。國內(nèi)外

2、很多學(xué)者對平行流換熱器進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)2建立了多元平行流冷凝器換熱計算模型。文獻(xiàn)3建立了多元平行流蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型，對兩流程和三流程的蒸發(fā)器進(jìn)行了比較分析。文獻(xiàn)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(jìn)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(qiáng)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(dá)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(jìn)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Jack

3、son 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Kuroda7 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(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。Atkinson8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(fù)雜的三維特征，而且其換熱和阻力的平均特性也和實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行了系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)10 模擬分析了不同百葉窗角度下的傳熱和阻

4、力性能，發(fā)現(xiàn)在24度時傳熱性能最好。 文獻(xiàn)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(jìn)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(xiàn)12對汽車上常用的百葉窗式換熱器的傳熱過程進(jìn)行了分析，建立了翅片內(nèi)導(dǎo)熱與翅片耦合對流換熱的物理數(shù)學(xué)模型，并采用數(shù)值分析方法對該耦合傳熱問題進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，數(shù)值計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果進(jìn)行了比較，它們有很好的一致性。2 平流式冷凝器試驗(yàn)分析本文采用美國TESCOR汽車空調(diào)換熱器性能試驗(yàn)臺測試?yán)淠骺諝鈧?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

5、標(biāo)準(zhǔn)的測試風(fēng)洞，用于空氣的熱焓測量。測試風(fēng)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?？諝饬髁坎捎脟娮鞙y量，測試風(fēng)洞選擇不同的噴嘴組合來滿足不同的測量范圍。測試風(fēng)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(fēng)機(jī)，這樣就不會影響室內(nèi)溫度的均勻性。風(fēng)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(dāng)位置，有助于選擇循環(huán)風(fēng)機(jī)最有效益的工作點(diǎn)。試驗(yàn)用平行流冷凝器為岳陽恒立冷氣設(shè)備有限公司提供的2mm16 mm的十孔鋁質(zhì)口琴

6、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。圖1 平流式冷凝器制冷劑流程示意圖冷凝器換熱性能試驗(yàn)工況條件：進(jìn)風(fēng)干球溫度為45，進(jìn)口制冷劑壓力2.0MPa，進(jìn)口制冷劑溫度100，出口過冷度5。試驗(yàn)中設(shè)定冷凝器迎面風(fēng)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(shí)驗(yàn)得到，本文采用文獻(xiàn)13給出的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式如

7、下： 式中：空氣側(cè)換熱系數(shù)，W/ m2K； 雷諾數(shù)；流通截面上的流量密度，kg/( m2s)；空氣粘性系數(shù)，Pas ；普朗特數(shù)，；空氣定壓比熱，J/kgK；W換熱器沿氣流方向厚度，m；扁管側(cè)當(dāng)量直徑，m； 翅片間距，m；管間距，m；翅片厚度，m；D扁管高度，m；翅片高度，m；空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)。平流式冷凝器的空氣側(cè)傳熱主要是通過翅片來進(jìn)行的，因此要考慮翅片的肋片效率。 式中： 翅片導(dǎo)熱系數(shù)，W/ (m2K)；扁管寬，m。表面效率：式中：翅片面積，m2；翅片管的總表面，m2。流動阻力關(guān)聯(lián)式14： 式中： 空氣側(cè)壓降，Pa；空氣流量，m/s。4 制冷劑側(cè)壓降和換熱系數(shù)的計算汽車空調(diào)換熱器具

8、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(jī)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1516。（1）單相區(qū)傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式17： 式中：努謝爾特數(shù)； 單相區(qū)當(dāng)量雷諾數(shù)，；制冷劑流通密度，kg/( m2s)，；密度，(kg/m2)；速度，（m/s）；制冷劑側(cè)水力直徑，m；動力粘性系數(shù)，Ns / m2。 在制冷劑冷凝過程中，忽略加速壓降和重力壓降，只考慮摩擦壓降，即： 式中：摩擦壓降，Pa；管長，m；摩擦系數(shù)。 ； ； ；（2）兩相區(qū)Yang和Webb首先對小水力直徑

9、的多孔矩形扁管進(jìn)行了試驗(yàn)研究15、16 ，并推薦關(guān)聯(lián)式。文獻(xiàn)15、18的研究工作充分說明了矩形通道兩相流過程的特殊性，本文采用Yang和Webb推薦使用的以下關(guān)聯(lián)式。摩擦阻力關(guān)聯(lián)式： ， ；式中：為管長，m；兩相區(qū)當(dāng)量雷諾數(shù)，為制冷劑側(cè)水力直徑，m， 當(dāng)量質(zhì)量流速為：，x為制冷劑干度。冷凝器管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式： ，5 結(jié)果與分析筆者采用編制的計算機(jī)程序?qū)Σ煌L(fēng)速、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的平行流式冷凝器的風(fēng)阻與傳熱特性進(jìn)行了計算，下面分別對各個參數(shù)的影響進(jìn)行討論。圖2給出了空氣換熱系數(shù)隨翅片高度的變化。當(dāng)冷凝器在相同的扁管寬度、扁管數(shù)和迎面風(fēng)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

10、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最優(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(dāng)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(fēng)機(jī)的流量阻力特性來選取合適的翅片間距。圖2 空氣側(cè)換熱系

11、數(shù)隨翅片高度的變化圖3 空氣側(cè)換熱系數(shù)隨翅片間距的變化圖4 空氣側(cè)阻力隨翅片間距的變化圖5 空氣風(fēng)速對空氣側(cè)換熱系數(shù)的影響圖6 空氣風(fēng)速對空氣側(cè)阻力的影響圖5、6是在換熱器其它入口參數(shù)條件不變，只改變空氣進(jìn)口迎面風(fēng)速來考慮迎面風(fēng)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(fēng)速的變化可用空氣側(cè)換熱系數(shù)隨迎面風(fēng)速的變化來反映?？梢钥闯鲭S著迎面風(fēng)速的增加，換熱系數(shù)增加趨于一定值，因而隨著迎面風(fēng)速的增加，換熱量的增加趨于一定值?？諝鈧?cè)阻力隨迎面風(fēng)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

12、界風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速超過臨界風(fēng)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(fēng)速低于臨界風(fēng)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(fēng)扇的體積重量是必須考慮的，一般情況下，風(fēng)扇提供的風(fēng)量、風(fēng)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(dá)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(dá)到一定的要求。因此，利用計算機(jī)仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合國內(nèi)外對平行流式冷凝器的研究經(jīng)驗(yàn)，通過對風(fēng)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

13、式冷凝器的優(yōu)化設(shè)計提供了重要參考。參考文獻(xiàn)1 劉憲英. 用熱效率分析比較三種型式制冷機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能J. 暖通空調(diào), 1985, 15(4): 12-152 沈國民, 謝軍龍, 韓軍. 多元平行流冷凝器的換熱計算方法J. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2002, (1): 30-343 Webb R L, Wu X M. Thermal and hydraulic analysis of a brazed aluminum evaporatorJ. Applied Thermal Engineering, 2002, 22(12): 1369-13904 包濤, 董玉軍等. 多元平行流冷凝器傳熱流動性能研究

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