進風條件對平行流冷凝器性能的影響

趙蘭萍， 高 磊， 劉彥麟， 楊志剛

(1. 同濟大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院， 上海 201804； 2. 同濟大學(xué) 上海市地面交通工具空氣動力與熱環(huán)境模擬重點實驗室， 上海 201804；3. 北京民用飛機技術(shù)研究中心， 北京 102211)

空調(diào)系統(tǒng)的室外冷凝器，有時候會由于使用不當，形成進風遮擋或阻塞，引起系統(tǒng)性能的降低.在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，冷凝器前端進風流場不僅隨車型和車況而變化，也受到發(fā)動機艙內(nèi)元件布置的影響.例如冷凝器前端布置低溫散熱器、中冷器和風扇等部件，都會對冷凝器的流動換熱特性產(chǎn)生影響，進而影響整個空調(diào)系統(tǒng)的性能.因此，有必要對不同進風條件下的冷凝器的性能進行研究[1-2].

前端進風不均勻分布對冷凝器換熱性能的影響已引起學(xué)者的關(guān)注.Chiou[3]通過建立多孔扁管型冷凝器離散模型，對4種來流空氣分布情況進行仿真，發(fā)現(xiàn)不同的進風速度分布對冷凝器的換熱性能有著不同的影響，并定義了空氣不均勻因子來衡量空氣不均勻性對冷凝器換熱的影響程度.Rabas[4]利用數(shù)值模擬研究了非均勻氣流分布下的空冷式叉流冷凝器的換熱性能.結(jié)果顯示，非均勻氣流分布會導(dǎo)致冷凝器的熱性能下降.但是冷凝器由于非均勻進風引起的換熱性能衰減較小，即使在極端的非均勻氣流分布下?lián)Q熱器的性能衰減最大只為 7%.Jugert等[5]通過數(shù)值模擬和試驗研究了不同冷凝器迎面氣流分布對汽車空調(diào)系統(tǒng)帶來的影響，發(fā)現(xiàn)不同氣流分布對冷凝器的影響區(qū)別較大.為了模擬冷凝器前不均勻氣流分布，筆者在冷凝器前方布置了一個換熱器遮擋冷凝器進風進行臺架試驗，并與均勻進風時的結(jié)果進行對比.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷凝器的換熱能力和系統(tǒng)性能分別下降了7%～22%和15%～42%.Datta等[6-7]用多種擋板對冷凝器迎風表面進行30%，40%與50%的遮擋，試驗和仿真研究的結(jié)果表明，與均勻進風條件相比，50%遮擋率時冷凝器換熱衰減了3.2%.Mao等[8]建立了制冷劑側(cè)均勻分配的冷凝器離散仿真模型，假設(shè)了4種不均勻進風情況，研究了空氣側(cè)不均勻?qū)Q熱能力的影響.仿真結(jié)果表明空氣側(cè)的不均勻會導(dǎo)致?lián)Q熱量減少，壓降增加，并且不同的空氣側(cè)不均勻分布對換熱性能和整體壓降影響程度不同.

極大多數(shù)冷凝器仿真模型都假設(shè)制冷劑在從集管進入扁管時為均勻分配[3, 7-8]，實際冷凝器中的制冷劑側(cè)分配不均會帶來一定的性能衰減[9].Wang等[10]利用壓降相等原理，建立了考慮制冷劑分配的平行流冷凝器模型.該模型相對于均勻模型，在換熱量與壓降的預(yù)測上更加準確，能更好地反映平行流冷凝器的實際換熱情況，同時可以反映制冷劑側(cè)的分配情況.

本文將在采用考慮制冷劑側(cè)流量分配的冷凝器模型的基礎(chǔ)上，就不同前端進風條件對平行流冷凝器性能的影響進行研究，同時揭示進風條件對制冷劑側(cè)流量分配產(chǎn)生的影響.

1 冷凝器模型建立

1.1 平行流冷凝器結(jié)構(gòu)

本文的研究對象是轎車空調(diào)系統(tǒng)中所使用的微通道冷凝器，該冷凝器共4個流程，結(jié)構(gòu)如圖1所示.制冷劑通過進口集管進入第一流程后沿扁管流動，重新匯合于出口集管后進行分配，流入下一個流程.冷凝器各個扁管間采用波紋型百葉窗翅片結(jié)構(gòu).冷凝器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，制冷劑使用R134a.

1.2 平行流冷凝器模型建立

采用分布參數(shù)法將整個冷凝器劃分成多個微元.扁管與集管的劃分方法如圖2和圖3所示.扁管沿管長方向劃分為多個微元，集管的劃分根據(jù)模型的要求，分別將兩個相鄰扁管中心線之間的集管劃分為一段.建模過程中，做以下假設(shè)：

圖1 微通道冷凝器結(jié)構(gòu)示意圖

項目值項目值翅片高度8mm扁管寬度16mm翅片寬度16mm小孔數(shù)10翅片厚度0．1mm微通道寬1．3mm翅片間距1．3mm微通道高1．6mm百葉長度6．8mm扁管壁厚0．1mm百葉間距1．3mm扁管長度606mm百葉角度27°集管內(nèi)徑18mm扁管厚度1．8mm流程管數(shù)15，7，5，4

(1) 制冷劑在各個流程的流動和換熱相互獨立.

(2) 進出口集管簡化為一系列T型結(jié)構(gòu)，忽略制冷劑在相鄰T型結(jié)構(gòu)之間的回流和流態(tài)變化，同時不考慮換熱[10-11].

(3) 制冷劑在集管中混合均勻，認為每根扁管入口焓值相等.

(4) 扁管各小孔內(nèi)制冷劑具有相同的質(zhì)量流量和溫度分布.

(5) 忽略微通道內(nèi)的制冷劑軸向?qū)?，扁管?nèi)制冷劑的流動簡化為沿管長方向的一維流動.

(6) 平行流冷凝器穩(wěn)態(tài)工作，每一個微元內(nèi)制冷劑和空氣的狀態(tài)參數(shù)不隨時間變化.

(7) 忽略不凝性氣體和管內(nèi)外污垢熱阻對換熱的影響.

1.2.1制冷劑分配不均下的壓降相等原理[10]

如圖2所示，制冷劑進入進口集管后，經(jīng)過分配進入該流程的各個扁管中參與流動換熱.根據(jù)壓降相等的原理，在一個流網(wǎng)中，兩個節(jié)點之間的壓降應(yīng)該相等.本文所研究的平行流換熱器的第一流程的進口集管和第四流程的出口集管上進出管位置不是在集管的頂端位置，與參考文獻中的換熱器結(jié)構(gòu)[10]上有一些差別，因此這里以第一流程為例，簡要說明一下該種建模方法.

如圖2所示，制冷劑入口管在進口集管上中部位置.在入口管之上的扁管與集管內(nèi)制冷劑的壓降關(guān)系如下：

ΔPihd, j+ΔPtube, j+ΔPehd, j=ΔPtube, j+1

(1)

式中：ΔPihd, j為當前流程第j個進口集管微元段的壓降;j為當前流程的扁管編號，j=1,2,…,m，m為當前流程的扁管總數(shù);ΔPtube, j為當前流程第j根扁管的壓降;ΔPehd, j為當前流程第j個出口集管微元段的壓降; ΔPtube, j+1為當前流程第j+1根扁管的壓降.

圖2 微通道冷凝器集管劃分(第一流程)

在進口管位置以及下方的扁管與集管內(nèi)制冷劑的壓降關(guān)系如下：

ΔPihd, j+ΔPtube, j+1=ΔPehd, j+ΔPtube, j

(2)

1.2.2微元內(nèi)換熱及壓降計算方法

冷凝器中制冷劑分為過熱、兩相和過冷三種狀態(tài)，換熱和壓降根據(jù)制冷劑不同狀態(tài)選擇不同的換熱關(guān)聯(lián)式與壓降關(guān)聯(lián)式進行計算，模型計算中所采用的計算關(guān)聯(lián)式見表2.模型計算時，集管內(nèi)只考慮壓降.扁管內(nèi)考慮換熱和壓降，扁管壓降包括扁管內(nèi)部的摩擦壓降、加速壓降、扁管進出口的突縮壓降和突擴壓降，扁管換熱計算采用傳熱單元數(shù)法，空氣與制冷劑流動方式為叉流[11-12].

整個計算過程如圖2與圖3所示，第j(i)個集管(扁管)微元出口狀態(tài)為第j+1(i+1)個微元的進口狀態(tài).圖3中，ΔPtube,c, j是第j根扁管的進口突縮壓降，ΔPtube,e,j是第j根扁管的進口突縮壓降，mr,j+1,i為第j+1根扁管的第i微元內(nèi)流過的制冷劑質(zhì)量流量，mr,unit,j+1,i+1為第j+1根扁管的第i+1微元內(nèi)流過的制冷劑質(zhì)量流量，n為扁管劃分的總微元數(shù)，Pin,j+1,i+1為第j+1根扁管的第i+1微元的進口壓力，Pout,j+1,i為第j+1根扁管的第i微元的出口壓力，hin,j+1,i+1為第j+1根扁管的第i+1微元的進

表2 關(guān)聯(lián)式選擇[11]

圖3 集管和扁管微元劃分

口壓力，hout,j+1,i為第j+1根扁管的第i微元的出口壓力.

1.3 計算流程

制冷劑在扁管和集管內(nèi)壓降可以認為是制冷劑質(zhì)量流量的非線性函數(shù)，通過第1.2.1節(jié)中的壓降相等原理和質(zhì)量守恒定律可以在一個流程中建立NP個非線性方程組成的非線性方程組(NP是第P流程的扁管數(shù)，P為流程數(shù))，通過求解后最終可以得到NP個扁管的質(zhì)量流量，本文中P=1, 2, 3, 4.模型計算步驟如下：

(1) 輸入冷凝器幾何尺寸，空氣側(cè)進風速度和溫度分布，冷凝器進口壓力、進口溫度和制冷劑總質(zhì)量流量.

(2) 預(yù)設(shè)第一流程每根扁管制冷劑質(zhì)量流量mr,1,j=G/N1，G為總質(zhì)量流量，扁管編號j=1，2，…，N1.將預(yù)設(shè)流量作為迭代初始值，輸入非線性方程求解器中求解，迭代求解過程中壓降收斂的精度控制在10-4以內(nèi).然后得到該流程的制冷劑分配情況、換熱量、壓降和制冷劑側(cè)與空氣側(cè)出口狀態(tài)等.

(3)第二流程的制冷劑入口狀態(tài)為第一流程制冷劑的出口狀態(tài)，計算過程同步驟(2).

(4)依次按照流程進行計算，直至第四流程計算結(jié)束，整個冷凝器的仿真計算結(jié)束，輸出計算結(jié)果.

2 臺架試驗驗證

利用上海某空調(diào)設(shè)備有限公司的汽車空調(diào)系統(tǒng)試驗臺對模型進行試驗測試，該試驗臺采用空氣焓差法原理設(shè)計，如圖4所示.試驗過程中使用的測量儀表精度見表3.冷凝器臺架試驗工況參數(shù)見表4.

圖4 汽車空調(diào)系統(tǒng)焓差室裝置原理圖

測量項目儀表設(shè)備儀表精度分辨率制冷劑溫度熱電偶±0．5°C<0．2°C制冷劑壓力壓力傳感器0．1%<30Pa空氣溫度PT100±0．2°C<0．1°C空氣壓差微壓差變送器>0．25%<10Pa大氣壓力絕對壓力變送器0．1%<30Pa

圖5是4個工況條件下平行流冷凝器換熱量和壓降的模擬值與實驗值的對比情況，在不同的工況下?lián)Q熱量與實驗值相對誤差都在±5%以內(nèi)，制冷劑側(cè)壓降與實驗值偏差都在±10%以內(nèi).說明考慮制冷劑側(cè)流量分配后，較好地改變了以往該類冷凝器壓降仿真誤差偏大的局面[10-12].

表4 試驗工況

3 結(jié)果與分析

3.1 遮擋方式對冷凝器性能的影響

平行流冷凝器在實際應(yīng)用的多種場合中，有些

圖5 模型計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比

安裝條件下冷凝器前端會有不可避免的遮擋，或者長時間使用后翅片間隙被灰塵堵塞和翅片變形都會造成冷凝器產(chǎn)生不同類型和不同程度的遮擋效果.如圖6所示，假設(shè)了3種冷凝器前端進風遮擋方式.圖中陰影部分為前端遮擋區(qū)域，三種遮擋方式的遮擋率都為50%.圖6中4種情況空氣側(cè)進風溫度都為35°C，考慮到冷凝器進風遮擋時，冷凝器的背面存在由于自然對流而產(chǎn)生的換熱，因此在這里假設(shè)未遮擋部分進風速度為4.5 m·s-1，遮擋部分進風速度為0.1 m·s-1.對上述遮擋條件下的平行流冷凝器性能和制冷劑側(cè)質(zhì)量流量分配情況進行研究，制冷劑進口狀態(tài)選取試驗中風速為4.5 m·s-1工況時的進口狀態(tài).

a無遮擋b均勻格柵遮擋

c中間遮擋d四周遮擋

圖6冷凝器前端理想遮擋方式

Fig.6Differenttypesoffrontalblockage

圖7是未遮擋情況與三種遮擋情況下的冷凝器性能對比.從圖中可以看到，格柵遮擋時換熱量減少47.1%，壓降增加299%；中間遮擋時式換熱量減少47.9%，壓降增加335.5%；四周遮擋時換熱量減少45.6%，壓降增加246.4%.三種遮擋方式中，中間遮擋造成的冷凝器性能衰減最多.

圖7 遮擋方式對換熱量和壓降的影響

從圖8可以看出，三種遮擋方式下，冷凝器中受到遮擋的流程的換熱量相對于未遮擋情況下的對應(yīng)的流程換熱量均有所減小.圖9的冷凝器各流程制冷劑干度分布(圖中將各流程入口設(shè)定在坐標軸左側(cè))表明，只有未遮擋情況時，制冷劑在冷凝器第四流程達到了過冷狀態(tài)，而中間遮擋情況下冷凝器第四流程中的制冷劑干度最大.

從圖10的冷凝器各個流程的壓降對比可以看出，三種遮擋方式下，冷凝器制冷劑在第二、第三和第四流程內(nèi)的壓降要大幅大于未遮擋時對應(yīng)流程的壓降.中間遮擋情況時由于制冷劑在第三和第四流程時干度較大，密度較小，因此總壓降最大.

圖8 不同遮擋條件下各流程換熱量對比

圖11是未遮擋情況與三種遮擋方案的扁管內(nèi)制冷劑流量分配情況對比，圖中mr,P,j是第P流程中第j扁管的質(zhì)量流量，mr,P,u對應(yīng)第P流程每根扁管內(nèi)的平均質(zhì)量流量.相對于未遮擋情況，三種遮擋情況下冷凝器的扁管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量分配受到了遮擋的影響.同一個流程中，被遮擋的扁管與未被遮擋的扁管內(nèi)的制冷劑流量有差別，第一流程內(nèi)，被遮擋的扁管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量較大.第二流程、第三流程、第四流程內(nèi)時情況則相反，進風被遮擋的扁管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量較小.

a無遮擋b均勻格柵遮擋

c中間遮擋d四周遮擋

圖9遮擋方式對制冷劑干度分布的影響

Fig.9Influenceofdifferentblockagetypesonthequalitydistributionofrefrigerant

圖10 不同遮擋方式下各流程壓降對比

圖11 遮擋方式對制冷劑流量分配影響

Fig.11Influenceofdifferentblockagetypesonthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypass

為了說明造成遮擋后冷凝器扁管內(nèi)的制冷劑流量分配情況的原因，圖12將格柵遮擋情況下冷凝器第一流程的扁管1(未被遮擋)與扁管2(被遮擋)的微元內(nèi)干度與壓降變化進行了對比.因為扁管內(nèi)的壓降由制冷劑質(zhì)量流量及制冷劑狀態(tài)共同決定，扁管1與扁管2由于空氣側(cè)進風情況不同，導(dǎo)致制冷劑狀態(tài)不同，因此為了滿足壓降相等原理，扁管1與扁管2內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量有所不同，扁管2(被遮擋)內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量較大.

圖12 格柵遮擋第一流程第1根扁管與第2根扁管干度及壓降對比

Fig.12Comparisonofqualityandpressuredropoftube1andtube2ofpass1underthegrilleblockagecondition

對平行流冷凝器每個流程扁管內(nèi)制冷劑分配的不均勻程度用標準差σP值衡量，公式如下：

(3)

對平行流冷凝器整體的制冷劑分配不均勻程度用σcond[10]定義：

(4)

式中：Ncond為冷凝器扁管總數(shù).

圖13為不同遮擋情況下制冷劑流量分配σP值與σcond對比.未遮擋時，平行流冷凝器各個流程扁管制冷劑流量的σP值相對較小.由于格柵遮擋方式在每個流程中都遮擋了部分扁管，因此每個流程的σP值都較大.中間遮擋方式與四周遮擋方式只造成了第一流程與第三流程中扁管的換熱不同，因此第一流程與第三流程的σP值較大，兩種遮擋下第四流程的扁管壓降遠大于集管壓降，因此制冷劑分配接近均勻，圖中已經(jīng)無法明顯顯示對應(yīng)的σP.最后從σcond值可以看出格柵遮擋方式下制冷劑流量分配的不均勻程度最大.

圖13 不同遮擋情況下σP對比與σcond對比

3.2 前置散熱器對冷凝器性能的影響

有些汽車的冷凝器前端安裝有低溫散熱器和中冷器等散熱部件，冷卻空氣經(jīng)過散熱部件后速度和溫度上都會發(fā)生變化.如圖14所示，為了接近汽車前端實際進風情況，人為假設(shè)了三種進風條件，圖中ta為來流空氣溫度，va來流風速.圖14中，未放置散熱器時整體進風均勻，速度為4.5 m·s-1，進風溫度為35°C，冷凝器下部12根扁管前方設(shè)置了一個散熱器，經(jīng)過該散熱器的空氣有以下三種變化：① 速度降低50%，溫度不變，即局部風速降低；② 溫度增加10°C，速度不變，即局部風溫升高；③ 速度降低50%和溫度增加10°C，即局部風速降低且風溫升高.對上述三種進風條件下的平行流冷凝器性能和制冷劑側(cè)質(zhì)量流量分配進行研究，制冷劑進口狀態(tài)取試驗中4.5 m·s-1工況時的進口狀態(tài).

圖14 冷凝器前放置散熱器造成的進風變化

圖15對比了4種進風條件下?lián)Q熱器的換熱量與壓降的差別.相對于未放置散熱器的情況，局部風速降低時冷凝器換熱量減少了12%，壓降增加了37.7%；局部風溫升高時冷凝器換熱量減少了16.9%，壓降增加了53%；局部風速降低且風溫升高時冷凝器換熱量減少了24.1%，壓降增加了80%.在所研究的條件下，相對于局部風速降低，局部風溫升高對換熱器換熱性能的衰減和壓降的增加影響更大.

圖16和圖17分別對4種進風條件下冷凝器各個流程的換熱量和壓降進行了對比.可以看出冷凝器前端放置散熱器時空氣進風狀態(tài)不一致影響了第二流程的部分扁管，以及第三流程和第四流程的所有扁管，導(dǎo)致冷凝器第三流程的換熱量減少最多，第四流程壓降增加最多.

圖15 4種進風條件下冷凝器換熱量與壓降對比

圖16 4種進風條件下冷凝器各流程換熱量對比

圖17 4種進風條件下冷凝器各流程壓降對比

空氣側(cè)進風狀態(tài)不一致對制冷劑側(cè)流量分配也產(chǎn)生了影響.圖18為4種進風條件下的扁管內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量分配對比.與未放置散熱器時不同，冷凝器前端放置散熱器時，第二流程的下部3根扁管和上部4根扁管的來流空氣速度或溫度存在差別，根據(jù)第3.1節(jié)中的分析可以知道，同一流程的扁管之間換熱情況不同將會影響制冷劑側(cè)流量的分配情況.從圖18中可以明顯看到前端放置散熱器增加了平行流冷凝器第二流程的制冷劑側(cè)流量分配的不均勻程度，局部風速降低且風溫升高的情況下整體的制冷劑分配不均勻程度最大.

圖18 4種進風條件下冷凝器各流程扁管流量分配情況

Fig.18Influenceoffourairflowtypesonthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypass

3.3 冷卻風扇布置對冷凝器性能的影響

本節(jié)研究冷凝器冷卻風扇單、雙布置對冷凝器性能產(chǎn)生的影響.人為假設(shè)進風速度分布如圖19所示.兩種氣流分布分別是空間拋物面型的氣流分布和雙峰面型氣流分布，等速線接近圓形，盡可能接近實際風扇送風分布.兩種風扇布置方式，保持通過冷

a 單風扇

b 雙風扇

凝器的總風量不變，平均風速為4.5 m·s-1.制冷劑進口狀態(tài)取試驗中風速為4.5 m·s-1的工況的進口制冷劑狀態(tài).

從圖20中可以看出，與均勻進風相比，單風扇進風情況下，換熱量比均勻進風時少了0.17 kW，壓降增加了2 kPa；雙風扇進風情況下，換熱量與均勻進風時無明顯差別，而壓降減小了1.3 kPa左右.單風扇情況時進風速度不均勻程度較雙風扇情況下的進風速度不均勻程度為大，因此對冷凝器性能產(chǎn)生的影響相對較大.

圖20 單、雙風扇布置與均勻進風情況下性能對比

Fig.20Comparisonofperformanceofthecondenserunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

圖21是兩種風扇布置方式與均勻進風時的平行流冷凝器扁管制冷劑質(zhì)量流量分配情況對比.單風扇與雙風扇情況下，冷凝器的風速峰值在第16根集管上，單風扇與雙風扇的空氣來流使得第一流程靠近下部分的扁管換熱性能較好，因此下部分扁管內(nèi)的制冷劑流量較大，第二流程、第三流程和第四流程中的制冷劑流量則是流程中靠上的扁管內(nèi)制冷劑流量較多.

圖21 單、雙風扇布置與均勻進風情況下流量分配情況對比

Fig.21Comparisonofthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypassunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

圖22為單、雙風扇進風和均勻進風時冷凝器各個流程扁管流量的σP值對比與整體制冷劑分配不均勻程度σcond對比.可以看到單、雙風扇進風條件下平行流冷凝器各個流程的制冷劑側(cè)不均勻程度都大于均勻進風情況，單風扇進風形式由于空氣側(cè)的不均勻程度大于雙風扇進風形式，因此其冷凝器整體制冷劑流量分配σcond值最大.

圖22 單、雙風扇布置與均勻進風情況下流量分配σP值對比和σcond對比

Fig.22ComparisonofσPandσcondunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

4 結(jié)論

(1) 平行流冷凝器前端遮擋率為50%時，本文所研究三種遮擋方式中，中間遮擋方式時平行流冷凝器的換熱性能衰減最多，壓降增加最大，換熱量減少了47.9%，壓降增加了335.5%.不同遮擋方式下制冷劑側(cè)流量分配情況不同，格柵遮擋方式下制冷劑側(cè)流量的分配不均勻程度最大.

(2) 平行流冷凝器前端放置散熱器時的三種進風條件下，局部風溫增加10°C對冷凝器性能衰減的影響大于局部風速降低50%.局部進風風速降低且風溫升高造成冷凝器的性能衰減最大，換熱量減小24.1%，制冷劑側(cè)壓降增加80%.散熱器的遮擋導(dǎo)致平行流冷凝器在第二、第三和第四流程的換熱量衰減較大，第三和第四流程的壓降增加較多.冷凝器前放置散熱器只造成了第二流程制冷劑側(cè)流量分配不均勻程度增加.

(3) 總風量不變時，相對于均勻進風情況，單雙風扇進風對平行流冷凝器整體的換熱與壓降影響較小，但是制冷劑側(cè)的流量分配不均勻性程度增加較多.

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