汽車空調(diào)層疊式蒸發(fā)器的壓降特性與管帶式蒸發(fā)器的比較

汽車空調(diào)層疊式蒸發(fā)器的壓降特性與管帶式蒸發(fā)器的比較

針對(duì)汽車空轉(zhuǎn)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是汽車空轉(zhuǎn)單元還是汽車空轉(zhuǎn)系統(tǒng)，現(xiàn)在都圍繞環(huán)境保護(hù)、提高效率、低質(zhì)量、體積、振動(dòng)和噪聲減少等話題進(jìn)行。而冷凝器和蒸發(fā)器作為汽車空調(diào)系統(tǒng)中兩個(gè)重要的部件,其換熱效果直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能,所以一直是改進(jìn)和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。由于受到安裝空間和重量的限制,汽車空調(diào)系統(tǒng)對(duì)換熱器高效、緊湊性的要求比較高。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外車用空調(diào)換熱器在強(qiáng)化傳熱、提高效率、縮小體積等方面取得了很大的進(jìn)展,換熱器更新?lián)Q代的速度很快。例如,汽車空調(diào)換熱器已由原來(lái)的翅片管式及管帶式結(jié)構(gòu),逐步被層疊式和多元平行流式結(jié)構(gòu)所取代。而其中層疊式蒸發(fā)器是目前汽車空調(diào)蒸發(fā)器的主要發(fā)展方向,但國(guó)內(nèi)對(duì)層疊式蒸發(fā)器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用起步較晚,并且由于其在結(jié)構(gòu)上有一些特殊之處,對(duì)它的性能的研究還比較少。因此,筆者從數(shù)值模擬的角度,對(duì)層疊式蒸發(fā)器的傳熱和流動(dòng)性能與管帶式蒸發(fā)器做了比較。1層疊式蒸發(fā)器層疊式蒸發(fā)器是在管帶式蒸發(fā)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,由兩片沖成復(fù)雜形狀的鋁板疊在一起形成小水力直徑的矩形制冷劑通道,并在每?jī)蓚€(gè)鋁板之間放置波紋型百葉窗翅片,然后一層層疊置起來(lái)(如圖1所示)。在換熱板內(nèi)部采用交叉紋、點(diǎn)狀紋和平行紋等異形表面,增大制冷劑側(cè)傳熱面積,提高紊流程度和表面換熱系數(shù)。單個(gè)換熱板由中間隔板隔開(kāi),形成U型制冷劑通道,制冷劑在流動(dòng)過(guò)程中將沿中間隔板發(fā)生180°的突轉(zhuǎn)。通常,層疊式蒸發(fā)器也會(huì)在儲(chǔ)液室內(nèi)設(shè)置隔板,將換熱板分成若干流程,每一流程有不同的夾板數(shù)。層疊式蒸發(fā)器的加工難度較大,但效率也較高,結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊,在體積和質(zhì)量方面都優(yōu)于管帶式蒸發(fā)器,并且能很好地解決管帶式蒸發(fā)器分液不均勻的問(wèn)題。2數(shù)學(xué)模型和解決方案2.1模型假設(shè)條件層疊式蒸發(fā)器與管帶式蒸發(fā)器具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了研究問(wèn)題的方便,在建立穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型時(shí)均遵循以下假設(shè)條件:①在各流程中制冷劑流量均勻分配;②蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流動(dòng)簡(jiǎn)化為一維流動(dòng),制冷劑蒸汽和液體均不可壓縮;③忽略不凝性氣體和潤(rùn)滑油對(duì)傳熱的影響;④忽略管壁軸向?qū)?即沿翅片方向?qū)嵴純?yōu);⑤翅片上凝結(jié)水立刻排出,不考慮霜工況。2.2空氣側(cè)溫度根據(jù)以上的假設(shè),分別取管帶式蒸發(fā)器的一根多孔蛇行管及其管外翅片和層疊式蒸發(fā)器的一個(gè)換熱板制冷劑通道及其周圍翅片為研究對(duì)象,如圖2和圖3所示。沿制冷劑流動(dòng)方向?qū)⒀芯繉?duì)象按一定長(zhǎng)度劃分微元,取其中一個(gè)微元為控制體,如圖4所示。對(duì)該控制體運(yùn)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒,列出控制方程組如下:制冷劑側(cè):?(ρu)?z=0ρu?u?z=??P?z?fρu?h?z=CiAiq,q=αi(Tw?Tr)?(ρu)?z=0ρu?u?z=-?Ρ?z-fρu?h?z=CiAiq,q=αi(Τw-Τr)空氣側(cè):madhadydy=αoAoCpa(ha?hs)madωadydy=σAo(wa?ws)madhadydy=αoAoCpa(ha-hs)madωadydy=σAo(wa-ws)式中ρ為密度(kg/m3);u為速度(m/s);h為比焓(kJ/kg);α為換熱系數(shù)(W/(m2·K));ω為含濕量(g/kg干空氣);P為壓力(Pa);z為制冷劑側(cè)微元長(zhǎng)度(m);Cp為定壓比熱容(kJ/(kg·K));m為質(zhì)量流量(kg/s);f為摩擦壓降梯度(Pa/m);y為空氣側(cè)微元長(zhǎng)度(m);σ為質(zhì)量傳遞系數(shù),由傳熱系數(shù)按劉易斯準(zhǔn)則關(guān)系式導(dǎo)出。下標(biāo):a表示空氣;r為制冷劑;i為管內(nèi)側(cè);o為管外側(cè);in為進(jìn)口;out為出口。由于層疊式蒸發(fā)器散熱板的特殊結(jié)構(gòu),制冷劑板內(nèi)流動(dòng)時(shí)將沿中間隔板發(fā)生180°的突轉(zhuǎn),因此應(yīng)考慮轉(zhuǎn)彎處制冷劑與空氣流動(dòng)方向的變化,以及隔板前后控制體進(jìn)口空氣狀態(tài)的不同。而對(duì)于管帶式蒸發(fā)器,空氣沿多孔扁管流動(dòng),對(duì)于橫截面上的每一扁管,應(yīng)該考慮其管外空氣狀態(tài)的變化,分別求解。2.3計(jì)算添加劑的加熱性能系統(tǒng)模擬所使用的制冷工質(zhì)為R134a,其熱力性質(zhì)和遷移性質(zhì)采用制冷劑物性計(jì)算軟件REFPROP提供的FORTRAN程序源代碼計(jì)算。2.4蒸發(fā)參數(shù)關(guān)聯(lián)式層疊式蒸發(fā)器采用的是內(nèi)部強(qiáng)化的扁型流道,其流型與圓管內(nèi)流動(dòng)有很大的差異。實(shí)驗(yàn)研究表明,表面張力對(duì)制冷劑在小水力直徑管內(nèi)流動(dòng)和傳熱的強(qiáng)化效果顯著,可以在較小的制冷劑流速下達(dá)到紊流,獲得較大的換熱系數(shù)。汽車空調(diào)蒸發(fā)器的入口干度通常為20%～30%,且空泡份額通常都大于80%。制冷劑流型以環(huán)狀流為主,液膜附在壁面流動(dòng),中心是夾帶液滴的氣體流動(dòng),沸騰以膜狀蒸發(fā)為主,核狀蒸發(fā)效果較弱。因此,兩相區(qū)傳熱系數(shù)采用Lockhart-Martinelli系數(shù)關(guān)聯(lián)式,兩相區(qū)壓降公式選用適用于小水力直徑多孔矩形扁管的Yang和Webb關(guān)聯(lián)式;過(guò)熱區(qū)對(duì)流傳熱系數(shù)同樣采用經(jīng)典的Dittus-Boelter公式計(jì)算,壓降公式參考Blasius摩擦因子關(guān)聯(lián)式。在層疊式蒸發(fā)器的U形流道轉(zhuǎn)彎處,制冷劑與空氣的相對(duì)流動(dòng)方向由叉流變?yōu)轫樍骰蚰媪?換熱效果有所變化,其換熱系數(shù)與壓降根據(jù)文獻(xiàn)進(jìn)行修正。管帶式蒸發(fā)器的制冷劑通道為內(nèi)肋橢圓扁管,兩相區(qū)換熱系數(shù)選用Kandlikar通用沸騰關(guān)聯(lián)式,過(guò)熱區(qū)對(duì)流傳熱系數(shù)采用經(jīng)典的Dittus-Boelter公式計(jì)算,并采用內(nèi)肋管表面?zhèn)鳠嵝拚禂?shù)進(jìn)行修正。內(nèi)肋管兩相區(qū)壓降選用文獻(xiàn)提出的關(guān)聯(lián)式,過(guò)熱區(qū)壓降公式也參考Blasius摩擦因子關(guān)聯(lián)式。層疊式蒸發(fā)器與管帶式蒸發(fā)器的管外空氣側(cè)都以波紋型百葉窗翅片為主,對(duì)于其傳熱及空氣流動(dòng)壓降公式,選用Davenport在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的百葉窗翅片的傳熱因子j與摩擦阻力因子f的經(jīng)驗(yàn)公式。蒸發(fā)器翅片通常工作在濕狀態(tài)下,翅片與流動(dòng)空氣間的換熱不僅有顯熱交換,同時(shí)還有空氣含濕量變化引起的潛熱交換,管外換熱系數(shù)采用析濕系數(shù)計(jì)算公式修正。3管間距和翅片間距模擬計(jì)算所用的層疊式蒸發(fā)器與管帶式蒸發(fā)器具有相同的體積和迎風(fēng)面積,均為長(zhǎng)0.2m,寬0.24m,深65mm;管間距和翅片間距也都相等,分別為8.0mm和2.8mm。保持制冷劑出口過(guò)熱度為5℃,以下改變運(yùn)行工況,對(duì)二者的換熱和流動(dòng)性能進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比。3.1內(nèi)帶式蒸發(fā)器的換熱量和壓降圖5和圖6為蒸發(fā)溫度為5℃時(shí),層疊式蒸發(fā)器與管帶式蒸發(fā)器的換熱量和壓降隨送風(fēng)量的變化曲線?？梢钥闯?層疊式和管帶式蒸發(fā)器的換熱量和壓降都隨送風(fēng)量的增大而增大。但是與管帶式相比,層疊式蒸發(fā)器換熱量大,總體壓降小,尤其在風(fēng)量較大時(shí),換熱性能更為優(yōu)越。通過(guò)對(duì)比可知,在相同的送風(fēng)量條件下,層疊式蒸發(fā)器的換熱量要比管帶式平均高15%,壓降比管帶式低50%左右。壓降差別大主要是由于層疊式蒸發(fā)器的特殊結(jié)構(gòu)以及流程布置,使得其流程長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于管帶式蒸發(fā)器的流程長(zhǎng)度。3.2空氣濕球溫度圖7和圖8為兩者的換熱量和壓降隨進(jìn)口空氣濕球溫度的變化曲線。由于蒸發(fā)器管外為濕工況,在濕空氣狀態(tài)下,推動(dòng)管外熱交換的動(dòng)力主要是進(jìn)口空氣與蒸發(fā)器管外凝結(jié)水膜周圍飽和空氣之間的焓差,因此濕球溫度對(duì)其影響較大。由圖可以看出,兩種換熱器的換熱量和壓降都隨進(jìn)口空氣濕球溫度的提高而增加。在相同的進(jìn)口空氣狀態(tài)下,層疊式蒸發(fā)器換熱和流動(dòng)性能也均優(yōu)于管帶式。由于模擬計(jì)算中假設(shè)凝結(jié)水立即排出,而在實(shí)際中為避免凝結(jié)水過(guò)多而阻塞百葉窗以及產(chǎn)生水膜熱阻,空氣進(jìn)口濕球溫度不應(yīng)該過(guò)大。但是,由于層疊式蒸發(fā)器壓降小的特性,可以使制冷劑在蒸發(fā)過(guò)程溫度變化較小,避免壓降過(guò)大而使制冷劑溫度降到冰點(diǎn)以下,從而有效減少管壁結(jié)霜這種惡化換熱的情況發(fā)生。3.3不同蒸發(fā)溫度下的管帶式蒸發(fā)器性能以下研究在保持進(jìn)口空氣狀態(tài)、送風(fēng)量以及節(jié)流前制冷劑狀態(tài)不變的情況下,改變蒸發(fā)器溫度對(duì)層疊式蒸發(fā)器及管帶式蒸發(fā)器性能的影響。圖9和圖10為換熱量和壓降隨蒸發(fā)溫度的變化情況。通過(guò)對(duì)比可以看出,在3～9℃蒸發(fā)溫度范圍內(nèi),層疊式蒸發(fā)器的換熱量要比管帶式平均高16%;而在壓降方面,層疊式蒸發(fā)器卻比管帶式平均低50%,并且隨著蒸發(fā)溫度的降低,其換熱和壓降優(yōu)勢(shì)都在增大。從圖11可以看出,在保持出口過(guò)熱度不變的情況下,兩者的流量均隨蒸發(fā)溫度的增加而減小。在保持進(jìn)口空氣狀態(tài)不變的條件下,提高蒸發(fā)溫度,在一定程度上減小了制冷劑與空氣的溫差,減弱了換熱,但層疊式蒸發(fā)器始終比管帶式具有更好的換熱性能。從圖12單位質(zhì)量制冷量隨蒸發(fā)溫度變化曲線可以看出,制冷劑在層疊式蒸發(fā)器中的單位質(zhì)量制冷量比在管帶式蒸發(fā)器中高2.08%～1.36%。雖然蒸發(fā)溫度越高,單位質(zhì)量制冷量越大,但層疊式蒸發(fā)器在低蒸發(fā)溫度下的優(yōu)勢(shì)更為明顯。由于模擬中,在較低的蒸發(fā)溫度下的制冷劑流量比較大,綜合圖9～圖12,也反應(yīng)映在較大的制冷劑流量下,層疊式蒸發(fā)器壓降和換熱特性的優(yōu)勢(shì)比管帶式蒸發(fā)器表現(xiàn)的更加突出。4內(nèi)壓降小裝置的工作原理通過(guò)對(duì)汽