冷凝器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

徐智雄 張麗英

法雷奧發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻（佛山）有限公司研發(fā)部 廣東省佛山市 528137

1 引言

在目前市場(chǎng)上大部分乘用車空調(diào)系統(tǒng)中，對(duì)制冷系統(tǒng)起著關(guān)鍵決定作用的熱交換器就是風(fēng)冷式冷凝器。風(fēng)冷式冷凝器一般放置在汽車前端模塊的最前端，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的前面。其熱交換的性能直接影響到制冷系統(tǒng)的制冷能力，壓縮機(jī)的能耗以及整個(gè)空調(diào)的能效。冷凝器的作用就是對(duì)從汽車壓縮機(jī)排出的高溫高壓的氣態(tài)制冷劑進(jìn)行散熱降溫，使之凝結(jié)成液態(tài)的高壓制冷劑排出。其中儲(chǔ)液干燥瓶使得進(jìn)入干燥瓶的汽液兩相的制冷劑進(jìn)行汽液分離和干燥過濾，再通過冷凝器的過冷區(qū)的散熱降溫進(jìn)一步過冷，使制冷劑變成100%液體離開冷凝器。本研究主要是基于熱行為理論和流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)冷凝器在不同流程設(shè)計(jì)（2流程和4流程）的對(duì)比，用Dymola仿真軟件模擬分析對(duì)散熱性能的影響，進(jìn)行評(píng)估和分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。還通過兩種流程設(shè)計(jì)的逆流式冷凝器樣品的實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出在不同流程下對(duì)回油率和充注平臺(tái)的長(zhǎng)度的最佳設(shè)計(jì)方案（所有實(shí)驗(yàn)和模擬都是使用R-134a制冷劑進(jìn)行）。

2 冷凝器的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

冷凝器主要分為三個(gè)區(qū)域，如下圖1所示，過熱區(qū)，冷凝區(qū)和過冷區(qū)。在目前的汽車行業(yè)，接頭在同側(cè)的情況中，流程設(shè)計(jì)主要分為2流程和4流程兩種。對(duì)于2流程的冷凝器，第一流程為過熱區(qū)和冷凝區(qū)，第二流程為過冷區(qū)。對(duì)于4流程的冷凝器，第一流程為過熱區(qū)，第二和第三流程為冷凝區(qū)，第四流程為過冷區(qū)。2流程和4流程的設(shè)計(jì)目的都是為了將進(jìn)入前的冷媒進(jìn)行充分換熱，從氣態(tài)變成汽液態(tài)，再經(jīng)過干燥和汽液分離，最后在過冷區(qū)進(jìn)一步散熱，從出口排出。

如下圖1的焓圖和冷凝器所示。

3 兩種流程設(shè)計(jì)的模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)

針對(duì)冷凝器的2流程和4流程的設(shè)計(jì)，我們運(yùn)用Dymola性能模擬軟件，對(duì)同樣的散熱面積 OA X LF的42排管，以定冷媒入口壓力溫度和定過冷度情況下，用最優(yōu)的管子數(shù)量進(jìn)行性能對(duì)比，如圖2。

（2流程：17/11/7/7 VS 4流程35/7）

從模擬結(jié)果得出結(jié)論是：

功率：中高風(fēng)速下，兩種流程都很接近。

風(fēng)阻：在換熱的情況下不同風(fēng)速下，兩種流程風(fēng)阻幾乎一樣。

圖1

出口溫度：4流程的在不同風(fēng)速下，優(yōu)于2流程。

冷媒流阻：2流程的在不同風(fēng)速下，優(yōu)于4流程

從以上結(jié)果來看，4流程的優(yōu)勢(shì)是冷媒的出口溫度低。2流程的優(yōu)勢(shì)是內(nèi)阻壓降較小的。但是從系統(tǒng)上應(yīng)該如何選擇呢？我們一起從空調(diào)系統(tǒng)的COP系數(shù)來對(duì)比一下。

4 流程設(shè)計(jì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)的影響

我們用上述的兩款冷凝器，用同樣的測(cè)試工況進(jìn)行性能測(cè)試，并計(jì)算 2流程和4流程的COP性能系數(shù)。

（注：COP： 性能系數(shù)，用于評(píng)價(jià)系統(tǒng)的能效。Coefficient of performance，allows evaluating the system energy efficiency.）

2流程(2P)VS 4流程(4P)的COP測(cè)試結(jié)果如下圖3所示。

對(duì)于2流程和4流程冷凝器來說，兩者在同樣的工況下，功率都是相差無幾，而4流程的內(nèi)部壓降明顯要大于2流程的1倍左右，但是對(duì)于整個(gè)冷卻系統(tǒng)來說，4流程的冷凝器有較低的出口溫度，換熱更加充分。所以4流程的COP性能系數(shù)明顯要比2流程的冷凝器要稍高。綜合來說4流程的冷凝器在空調(diào)系統(tǒng)性能表現(xiàn)方面更加出色。

圖2

圖3

5 流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)充注平臺(tái)長(zhǎng)度的影響

我們拿上述同樣的42排管的逆流式冷凝器作為研究對(duì)象，通過做實(shí)物樣品進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

要求是在過冷度區(qū)間8～12K下，達(dá)到135g的充注平臺(tái)長(zhǎng)度（測(cè)試?yán)涿綖镽134a）測(cè)試工況如下：

冷凝器工況：TAKI =40℃；HAKI=0% r.H；MAKI ＞=2000kg/h

蒸發(fā)器工況TAEI =40℃；HAEI =40%r.H；MAEI ＞=540 kg/h

壓縮機(jī)工況：在充注平臺(tái)下，壓縮機(jī)最少流量達(dá)到170kg/h

初始設(shè)計(jì)方案是2流程：36排+6排過冷區(qū)

根據(jù)圖4的測(cè)試結(jié)果可知：

充注平臺(tái)長(zhǎng)度：112，5[g]，過冷區(qū)間：9，5-10，5K對(duì)比要求結(jié)果135g，還需要增加22.5g。

由于有固定邊界的位置的限制，不能改變冷凝器的外形尺寸和干燥瓶的直徑。只能進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)和流程的優(yōu)化。

通過對(duì)比分析結(jié)果和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，增加過冷區(qū)的流程的數(shù)量更有利于提高過冷度和降低內(nèi)阻。所以我們?cè)黾?排管作為過冷區(qū)，流程分布從36排管+6排管過冷區(qū)變?yōu)?5排管+7排管過冷區(qū)。同時(shí)，為了進(jìn)一步降低內(nèi)阻，提高了冷凝器的冷媒的流量，我們?cè)诟稍锲窟M(jìn)口的設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化，把干燥瓶進(jìn)口的孔的面積增加1倍，把圓孔的設(shè)計(jì)變成長(zhǎng)橢圓孔。

而且我們知道干燥瓶的有效容積對(duì)于充注平臺(tái)的長(zhǎng)度是一個(gè)重要的關(guān)鍵因數(shù)。影響干燥瓶容積的內(nèi)部零部件有：干燥包，過濾網(wǎng)，密封堵頭和內(nèi)跳管。我們可以在滿足吸濕性能的前提下適當(dāng)減少干燥劑的總量，減少堵頭的體積可以增大干燥瓶有效容積。

最后優(yōu)化完成后，我們?cè)龠M(jìn)行一次實(shí)際樣件測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果如上圖5：

充注平臺(tái)長(zhǎng)度：135[g]，過冷區(qū)間：11，5-12K

滿足要求的135g充注平臺(tái)長(zhǎng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)成功！

6 流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)油殘留量的影響

我們上述同款的42排管的逆流式冷凝器作為研究對(duì)象，對(duì)比2流程冷凝器和4流程冷凝器對(duì)油殘留量的影響，我們通過做實(shí)物樣品進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)比。如下圖6：

要求是在規(guī)定的工況下，冷凝器在最低的載荷點(diǎn)時(shí)，對(duì)比2流程和4流程的油殘留量。

在同樣的工況如下，固定測(cè)試樣品在空調(diào)回路中，-在下述工況下運(yùn)行回路3小時(shí)，-關(guān)閉壓縮機(jī)同時(shí)關(guān)閉進(jìn)出口接頭的閥體開關(guān)， 打開冷凝器的出口以每5秒1bar最大的速度緩慢釋放冷媒，至完全釋放。 從回路中拆下冷凝器，測(cè)量其最后的重量。

1＞測(cè)量工況先測(cè)試2流程冷凝器的油殘留量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，2流道的油殘留量為94.5g。（殘留量比較大）

2＞我們?cè)僖酝瑯拥墓r測(cè)試4流程冷凝器的油殘留量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4流程的油殘留量為53.8g。對(duì)比2流程的94.5g，4流程明顯減少了40.7g（有43%的減少）。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，4流程的逆流式冷凝器在回油率方面明顯優(yōu)于2流程的逆流式冷凝器。原因?yàn)楹危?/p>

如圖7熱成像圖可見在2流程的熱成像圖中，可見冷媒從進(jìn)口進(jìn)入冷凝器后，直接通過最上面的幾排管到達(dá)干燥瓶端的集液管后，再向下流。壓縮機(jī)油會(huì)在冷凝器最底部集聚最后形成堆積區(qū)，難以通過干燥瓶回到回路中。這就是2流程逆流式冷凝器回油率低的原因。

圖4

圖5

圖6

圖7

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于2流程和4流程的冷凝器在同樣的工況下，功率都是不相伯仲，但是4流程的冷凝器冷媒的出口溫度更低，2流程的冷凝器部壓降更小。但是對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)來說，4流程的冷凝器COP性能系數(shù)要比2流程的冷凝器要稍高。綜合來說4流程的冷凝器在空調(diào)系統(tǒng)中表現(xiàn)方面更加出色。

對(duì)于冷凝器的充注平臺(tái)長(zhǎng)度來說，我們可以優(yōu)化過冷區(qū)的管子數(shù)量和內(nèi)部孔的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)增加充注平臺(tái)長(zhǎng)度。還可以在干燥瓶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高干燥瓶有效容積來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于增大冷凝器的回油率和減少內(nèi)部油殘留，我們可以通過流程優(yōu)化設(shè)計(jì)讓集聚在底部的壓縮機(jī)油和冷媒一起通過干燥瓶進(jìn)去過冷區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)證明在逆流的冷凝器中，4流程的冷凝器回油率明顯由于2流程的冷凝器。