汽車空調(diào)性能試驗臺總成

趙鵬瑞++李征濤++馮朝陽++黃家團

摘要： 針對微通道換熱器用作汽車空調(diào)冷凝器的特點，研制了一套冷凝器單體性能測試試驗臺，即主機及風(fēng)洞試驗臺.該試驗臺主測風(fēng)洞系統(tǒng)的換熱量采用空氣焓差法測試，輔測主機系統(tǒng)的換熱量采用制冷劑流量計法測試，并選取兩款微通道冷凝器對其進行冷凝換熱試驗，以驗證該試驗臺的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性.結(jié)果表明，該試驗臺空氣側(cè)和制冷劑側(cè)所測得的換熱量偏差均在5%以內(nèi)，滿足冷凝器測控要求.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到了冷凝器迎面風(fēng)速對換熱量、空氣壓降和制冷劑壓降的影響規(guī)律，為微通道換熱器的優(yōu)化設(shè)計及企業(yè)的相關(guān)研究提供參考.

關(guān)鍵詞：

微通道換熱器； 汽車空調(diào)； 冷凝器單體； 主機及風(fēng)洞

中圖分類號： TK 39 文獻標(biāo)志碼： A

目前我國已經(jīng)成為全世界汽車產(chǎn)業(yè)最重要的市場，數(shù)據(jù)[1]顯示從2009—2014年，我國汽車產(chǎn)銷量已連續(xù)多年世界第一，成為了名副其實的汽車生產(chǎn)大國和消費大國.汽車空調(diào)作為提高乘坐舒適性的重要裝置，被廣大汽車制造商和消費者認(rèn)可，在激烈的汽車市場競爭中地位日趨突出.

微通道冷凝器在汽車空調(diào)行業(yè)已經(jīng)使用多年，它是一種高效緊湊式微通道熱交換器.現(xiàn)階段汽車空調(diào)行業(yè)的快速發(fā)展勢必為微通道換熱器行業(yè)提供巨大的市場.目前微通道換熱器生產(chǎn)制造商較多，但產(chǎn)品性能和科研制造水平差距較大.一些企業(yè)根據(jù)自身生產(chǎn)實際情況和產(chǎn)品需要，將已有的多種零部件獨立測試試驗臺合建成為綜合性測試試驗臺.盡管這在很大程度上節(jié)省了場地空間和資金投入，但往往使整個測試系統(tǒng)過于復(fù)雜，對試驗操作人員的技術(shù)要求較高[2-3]，因此，研制冷凝器單體性能測試試驗臺即主機及風(fēng)洞系統(tǒng)試驗臺，對微通道冷凝器產(chǎn)品的研發(fā)、檢測和規(guī)范化都具有極其重要的意義.

1試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)根據(jù)上海某企業(yè)的技術(shù)要求，參照GB/T 23130—2008《房間空調(diào)器用熱交換器》[4]和JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器》[5]，針對微通道換熱器用作汽車空調(diào)冷凝器的特點，研制了一套冷凝器單體性能測試試驗臺，即汽車空調(diào)試驗臺總成.根據(jù)設(shè)計要求，所研制的主機及風(fēng)洞系統(tǒng)在名義工況下能夠測試的冷凝器額定換熱量為3～30 kW，冷凝器最大安裝尺寸為1 200 mm×800 mm，循環(huán)風(fēng)量設(shè)計為600～9 000 m3·h-1，可測最大尺寸冷凝器最大迎面風(fēng)速為2.6 m·s-1.選取R134a作為制冷劑，冷凝器入口制冷劑溫度取90 ℃.該試驗臺可測試不同工況的冷凝器換熱性能，并可采集計算所需的性能試驗數(shù)據(jù).汽車空調(diào)試驗臺總成原理圖如圖1所示.

1.1主機系統(tǒng)

主機系統(tǒng)的主要功能為控制制冷劑參數(shù)，包括冷凝器進口溫度、進口壓力和出口過冷度等.另外，主機系統(tǒng)還需要恒溫水箱維持蒸發(fā)環(huán)境的穩(wěn)定.

主機系統(tǒng)使用了兩個電加熱器.一個電加熱器用于調(diào)節(jié)冷凝器入口制冷劑的溫度，另一個電加熱器用于調(diào)節(jié)恒溫水箱溫度，對沖蒸發(fā)器制冷量.為了精確調(diào)節(jié)制冷劑流量并控制過冷度，主機系統(tǒng)采用雙電子膨脹閥并聯(lián)的方式進行控制，分為主節(jié)流機構(gòu)和輔助節(jié)流機構(gòu).

主機系統(tǒng)的制冷劑熱量不斷通過所測試的冷凝器被空氣帶走，因此，在蒸發(fā)器處就產(chǎn)生了低溫區(qū)，需要熱源補充.主機系統(tǒng)蒸發(fā)器所需熱量由循環(huán)水系統(tǒng)提供.循環(huán)水系統(tǒng)包括冷卻水系統(tǒng)和恒溫水箱系統(tǒng).冷卻水系統(tǒng)一方面根據(jù)系統(tǒng)工況要求引入恒溫水箱，另一方面考慮到冷凝器樣件測試完成后，需要回收其內(nèi)部的制冷劑，所以利用其冷卻冷凝回收壓縮機的排氣，以便將回收的制冷劑存儲在儲液罐中.恒溫水箱系統(tǒng)主要由水箱、水泵、電加熱器和溫度傳感器等組成.為防止循環(huán)水在蒸發(fā)器內(nèi)凍結(jié)，除了利用溫度傳感器檢測進、出口溫度外，還對循環(huán)水進行了處理，在恒溫水箱中加入一定質(zhì)量的氯化鈣，以大大降低循環(huán)水的冰點.

1.2風(fēng)洞系統(tǒng)

該風(fēng)洞系統(tǒng)為設(shè)計成半開放式的開度可調(diào)的環(huán)路風(fēng)洞系統(tǒng)，用于放置測試樣件.除了需要對循環(huán)空氣流量進行控制和測量外，還需要對冷凝器進風(fēng)溫度進行控制和測量.

系統(tǒng)循環(huán)空氣流量的控制主要由循環(huán)風(fēng)機、可調(diào)電壓系統(tǒng)和流量計完成.風(fēng)洞系統(tǒng)的前段具有足夠長的整流段，可使循環(huán)空氣的流場和溫度場分布均勻，將體積流量計安裝在直管中測量循環(huán)空氣的體積流量.此外，系統(tǒng)采用兩條途徑對冷凝器進風(fēng)干球溫度Tai進行控制：一條途徑是利用PID（比例積分微分）技術(shù)調(diào)節(jié)電加熱器功率；另一條途徑是通過調(diào)節(jié)電動執(zhí)行機構(gòu)控制回風(fēng)風(fēng)門開度，進而調(diào)節(jié)環(huán)境空氣與循環(huán)空氣的混合，實現(xiàn)對循環(huán)空氣升溫和降溫的控制.兩條途徑共同作用實現(xiàn)對冷凝器進風(fēng)干球溫度Tai的精確控制.

由于空氣在流過冷凝器后被加熱，不像蒸發(fā)器處有水凝結(jié)析出，因此無需測量冷凝器出風(fēng)濕球溫度.但為滿足特殊測試需求，在風(fēng)洞系統(tǒng)內(nèi)安裝了加濕裝置，用于調(diào)節(jié)冷凝器迎面空氣含濕量.

2試驗測試及結(jié)果分析

為驗證試驗臺的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，利用該試驗臺對所選取的兩款微通道換熱器進行性能試驗.所選用的換熱器用作冷凝器.所選1號冷凝器為某款汽車空調(diào)用已量產(chǎn)的微通道換熱器，2號冷凝器較1號冷凝器尺寸小，片距大.冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

2.1測試要求

冷凝器的參數(shù)設(shè)定值需由測試要求給出，其中空氣側(cè)包括冷凝器進風(fēng)干球溫度（特殊情況包含濕球溫度）、迎面風(fēng)速等；制冷劑側(cè)包括冷凝器進口制冷劑溫度（或過熱度）、進口壓力、出口制冷劑溫度（或者過冷度）等.基于滿足測試要求的設(shè)定值進行試驗所得的結(jié)果才具有評估價值[6].

根據(jù)測試要求，1號、2號冷凝器的測試條件如表2所示，要求測試?yán)淠髟诓煌骘L(fēng)速下的性能.與1號冷凝器測試要求不同，為驗證試驗臺加濕系統(tǒng)的可靠性，在對2號冷凝器進行性能試驗時運行了加濕系統(tǒng)，對空氣側(cè)進風(fēng)濕球溫度作了設(shè)定，在給定環(huán)境工況下測試了2號冷凝器在不同迎面風(fēng)速下的性能.

3測試結(jié)果分析

迎面風(fēng)速對冷凝器性能的影響極為顯著，分析風(fēng)速對冷凝器換熱量、空氣壓降及制冷劑壓降的影響，對判斷冷凝器性能好壞非常重要[7-9].

3.1風(fēng)速對換熱量的影響

對1號冷凝器和2號冷凝器的性能試驗結(jié)果進行分析，在其他試驗參數(shù)不變的前提下，按照測試要求，研究迎面風(fēng)速對微通道冷凝器換熱量的影響.

圖2為1號冷凝器和2號冷凝器迎面風(fēng)速對換熱量的影響.換熱量分為空氣側(cè)測試的換熱量和制冷劑側(cè)測試的換熱量，兩者偏差均在5%以內(nèi).1號冷凝器為第1組試驗，空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱量偏差極??；2號冷凝器空氣側(cè)和制冷劑側(cè)偏差相對大一些.由于制冷劑側(cè)換熱量在計算時忽略了潤滑油的影響，但潤滑油稀釋在制冷劑中，參與循環(huán)流動且自身不發(fā)生相變.循環(huán)制冷劑中潤滑油含量越多，對制冷劑循環(huán)流量和換熱量的影響越大，因此潤滑油造成的誤差總是存在.所以，可以判定1號冷凝器循環(huán)制冷劑含油量相對較低.通常為提高制冷劑側(cè)換熱量測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在壓縮機排氣管上安裝高效油分離器.

此外，從圖2可以看出，冷凝器的換熱量隨著迎面風(fēng)速的提高顯著增加，但迎面風(fēng)速提高到一定值后，再繼續(xù)提高迎面風(fēng)速對換熱器的換熱量影響不大.由此可知，對于給定冷凝器，迎面風(fēng)速存在一個最佳值，可使冷凝器綜合性能最優(yōu).同時也可以認(rèn)為，隨著迎面風(fēng)速的繼續(xù)增大，微通道冷凝器的換熱量將趨向于某個特定值.

3.2風(fēng)速對空氣壓降的影響

與家用空調(diào)不同，汽車空調(diào)冷凝器迎面風(fēng)速變化范圍較大，對空調(diào)整體性能會產(chǎn)生一定的影響，因此分析迎面風(fēng)速對冷凝器空氣壓降的影響顯得比較重要.針對1號冷凝器和2號冷凝器的試驗結(jié)果，在其他條件不變的前提下，僅改變冷凝器迎面風(fēng)速，分析迎面風(fēng)速對空氣壓降的影響.

從圖3可以看出，1號冷凝器迎面風(fēng)速在1～2 m·s-1時，空氣壓降增速緩慢，但隨著迎面風(fēng)速增加，空氣壓降增速增大；2號冷凝器迎面風(fēng)速在1～3 m·s-1時，空氣壓降增速也很緩慢，隨著迎面風(fēng)速增加，空氣壓降增速隨之增大.由此可見，微通道冷凝器在迎面風(fēng)速相對較低時，空氣壓降增速緩慢；隨著迎面風(fēng)速增加，空氣壓降增速變大.對于依靠電機強制對流換熱的家用空調(diào)或者依靠汽車車速換熱的汽車空調(diào)而言，這是不經(jīng)濟的.因此，在利用增大迎面風(fēng)速增加換熱量時，需要綜合考慮空氣壓降，選擇一個最佳迎面風(fēng)速.

3.3風(fēng)速對制冷劑壓降的影響

冷凝器制冷劑側(cè)的進出口壓降對壓縮機功耗有著重要影響.當(dāng)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，壓降小，壓縮機功耗減小，壓降大，則壓縮機功耗增加.圖4為迎面風(fēng)速對制冷劑壓降的影響.

從圖4可以看出，當(dāng)冷凝器入口制冷劑壓力、過熱度和出口過冷度及進風(fēng)溫度一定時，隨著迎面風(fēng)速的增大，冷凝器進出口制冷劑壓降增大.當(dāng)迎面風(fēng)速繼續(xù)提高，制冷劑壓降顯著增大，亦即制冷劑在微通道內(nèi)的流阻大幅增加.這也是由于冷凝器迎面風(fēng)速的增大，將使換熱量增加，但進口制冷劑參數(shù)不變，導(dǎo)致出口溫度和壓力下降，使得進出口壓降變大.

此外，微通道冷凝器的制冷劑壓降與流程數(shù)、各流程扁管數(shù)以及扁管孔數(shù)、孔徑、孔形有密切關(guān)系[10-12].因此，合理設(shè)計微通道冷凝器流程數(shù)和各流程的扁管數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)谋夤芸讛?shù)和孔徑、孔形，可使冷凝器制冷劑側(cè)換熱面積得到充分利用，使換熱量增加而制冷劑壓降減小.這對微通道冷凝器優(yōu)化設(shè)計具有重要意義.

4結(jié)論

本文研制的汽車空調(diào)性能試驗臺總成——主機及風(fēng)洞系統(tǒng)，以空氣側(cè)換熱量作為主測，制冷劑側(cè)換熱量作為輔測，并選取兩款微通道冷凝器作了性能測試，驗證了該試驗臺的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到了冷凝器迎面風(fēng)速對換熱量、空氣壓降和制冷劑壓降的影響規(guī)律，為微通道換熱器的優(yōu)化設(shè)計及企業(yè)的相關(guān)研究提供參考.

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