平行流蒸發(fā)器分流板分流特性對蒸發(fā)器性能和出風(fēng)溫度的影響分析

郭盼盼，潘云仙，吉紅云，文校方，蘇明旭，

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平行流蒸發(fā)器分流板分流特性對蒸發(fā)器性能和出風(fēng)溫度的影響分析

郭盼盼*1，潘云仙1，吉紅云1，文校方1，蘇明旭2，

（1-上海馬勒熱系統(tǒng)有限公司，上海 201206；2-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

平行流蒸發(fā)器內(nèi)氣液兩相在扁管中的流量特性對換熱性能有較大影響，實(shí)驗(yàn)研究了汽車空調(diào)平行流蒸發(fā)器改變氣液兩相流量特性對性能和出風(fēng)溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：通過在蒸發(fā)器集液管中設(shè)置分流板，可以有效地改善制冷劑在內(nèi)部流量分配特性，提高制冷性能和出風(fēng)溫度場的均勻性；在一定范圍內(nèi)通過增加分流板開孔數(shù)量和開孔面積優(yōu)化流量特性，可以進(jìn)一步提高制冷性能并降低制冷劑壓降，改善出風(fēng)溫度的均勻性。在高風(fēng)量工況下，制冷量最大可提高10%，表面溫差在2.6 ℃~4.6 ℃之間，實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)的高效、舒適運(yùn)行。

平行流蒸發(fā)器；兩相流；散熱性能；溫度場

0 引言

隨著人們對乘車環(huán)境要求的提高，越來越多的汽車裝配有空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)也對汽車空調(diào)部件和系統(tǒng)提出了環(huán)保、節(jié)能、溫度舒適等更高的要求。蒸發(fā)器作為空調(diào)系統(tǒng)中關(guān)鍵而復(fù)雜的部件[1]，其結(jié)構(gòu)緊湊，性能高效并影響系統(tǒng)出風(fēng)口溫度變化。制冷劑以氣液兩相狀態(tài)在內(nèi)部空間平行流動(dòng)并完成蒸發(fā)制冷效果[2]，外部伴有凝結(jié)水生產(chǎn)和排出，蒸發(fā)器的換熱性能對空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]以及人體舒適度有決定性的作用。學(xué)者對蒸發(fā)器的理論研究主要集中在空氣冷卻過程冷凝水以及強(qiáng)化傳熱問題上[4-8]。制冷劑在微通道蒸發(fā)器內(nèi)的流量分配均勻性直接影響著蒸發(fā)器的換熱性能，流量分配不均會導(dǎo)致某些扁管內(nèi)的制冷劑提前全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，出現(xiàn)“干蒸”現(xiàn)象，而另一些扁管內(nèi)的制冷劑過量，來不及全部轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝霈F(xiàn)“供液過多”的現(xiàn)象，使得蒸發(fā)器的換熱面積不能有效利用，引起出風(fēng)溫度場分布不均，從而換熱性能降低。李夔寧等[9]以空氣-水實(shí)驗(yàn)研究了支管尺寸和流體的入口位置對流量分配的影響，認(rèn)為增加管徑不能改善流量分配的均勻性，而流體的入口位置布置在集液管中間有利于液體流量在各支管內(nèi)分配均勻；KIM等[10]研究了集液管幾何形狀和Reynolds數(shù)對流量分配的影響，發(fā)現(xiàn)矩形集液管的流量分配最均勻，且不受Reynolds數(shù)變化的影響；考慮到汽車空調(diào)系統(tǒng)對空間尺寸、風(fēng)機(jī)壓降以及系統(tǒng)出風(fēng)口溫度均勻性等要求，通過研究平行流蒸發(fā)器內(nèi)部氣液兩相流量分配特性[11-12]對提高換熱性能以及空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)口溫度分布均勻性有重要的應(yīng)用意義，但目前關(guān)于此方面的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較少。因此本文通過改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)研究了汽車空調(diào)平行流蒸發(fā)器氣液兩相流量特性對換熱性能和出風(fēng)口溫度場的影響,對提高空調(diào)制冷性能和人體舒適度提供了新的優(yōu)化途徑。

1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

1.1 平行流蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)和工作原理

汽車空調(diào)平行流蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，有集液管、扁管、百葉窗翅片、分流板、堵帽組成，其中扁管和百葉窗翅片組成了換熱基本單元。集液管和分流板的作用是對制冷劑進(jìn)行匯集和分流，使各扁管內(nèi)冷媒流量趨于均勻，實(shí)現(xiàn)換熱效率的提高和出風(fēng)溫度的均勻。

平行流蒸發(fā)器由雙排扁管構(gòu)成，根據(jù)制冷劑流程分為兩流程、四流程、六流程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文選取四流程平行流蒸發(fā)器為研究對象，制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)的流動(dòng)如圖2所示。為了保護(hù)壓縮機(jī)不發(fā)生液擊，使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠持久運(yùn)行，蒸發(fā)器出口一般具有3 ℃~5 ℃的過熱度，使出口為單向氣態(tài)。制冷劑在平行流蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)制冷時(shí)表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度使空氣中的水冷凝，為使冷凝水及時(shí)排出以提高換熱性能，故平行流蒸發(fā)器均采用集液管上下水平放置，氣液兩相狀態(tài)的制冷劑在豎直扁管內(nèi)上下流動(dòng)。本文研究對象蒸發(fā)器的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 平行流蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)原理

圖2 平行流蒸發(fā)器制冷劑流向示意圖

表1 蒸發(fā)器幾何參數(shù)

蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量分配特性受制于分流板的結(jié)構(gòu)特征，平行流蒸發(fā)器下集液管的第二和第四流程上升流進(jìn)口設(shè)置了分流板，以實(shí)現(xiàn)對氣液兩相制冷劑流量的更均勻分配，達(dá)到換熱性能的提高和出風(fēng)口溫度場分布更均勻，提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的舒適度。

本文設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過調(diào)整分流板的參數(shù)驗(yàn)證流量特性對蒸發(fā)器制冷性能和出風(fēng)溫度場的影響。其中：第1組1#蒸發(fā)器2、4流程不設(shè)置分流板；第2組2#蒸發(fā)器在2、4流程各設(shè)置一塊9孔分流板；第3組3#蒸發(fā)器在2、4流程各設(shè)置一塊10孔分流板；為避免制冷劑通過分流板后直接對流進(jìn)入扁管引起更大的流量不均勻，分流板上的孔均開設(shè)在相鄰扁管之間，相鄰兩孔間距為扁管間距的2倍，即=13.4 mm，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 分流板結(jié)構(gòu)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

平行流蒸發(fā)器性能實(shí)驗(yàn)采用空氣焓差法在汽車空調(diào)系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)臺架上進(jìn)行測試[13-14]，測試系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、電子膨脹閥以及輔助設(shè)備組成，制冷劑為R134a。實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示，其中蒸發(fā)器布置在蒸發(fā)器風(fēng)洞中，達(dá)到設(shè)定工況要求的空氣經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換之后進(jìn)入風(fēng)道，然后通過整流板進(jìn)入混合室充分混合，測量蒸發(fā)器出口溫度和濕度，然后進(jìn)入噴嘴測量蒸發(fā)器前后空氣壓差，最后通過風(fēng)機(jī)流出風(fēng)洞，風(fēng)洞示意圖如圖4所示。本文研究中的測試工況如表3所示。

圖3 汽車空調(diào)焓差性能實(shí)驗(yàn)原理圖

圖4 蒸發(fā)器風(fēng)洞示意圖

表3 性能實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在汽車空調(diào)焓差性能實(shí)驗(yàn)臺上對平行流蒸發(fā)器制冷量、制冷劑的流動(dòng)壓降和表面溫度分布進(jìn)行了測試。在蒸發(fā)器表面布置有16個(gè)溫度測點(diǎn)，表面溫差為16組溫度的最大與最小值的差值。實(shí)驗(yàn)參數(shù)和精度見表4，蒸發(fā)器制冷量的相對誤差≤2.5%，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[15]。

蒸發(fā)器制冷量的大小直接決定空調(diào)系統(tǒng)的性能，溫度分布的均勻性是駕駛室內(nèi)人體舒適度的反應(yīng)，因此本文主要從這兩方面進(jìn)行衡量蒸發(fā)器的綜合性能。3種設(shè)計(jì)方案的性能測試結(jié)果如表5所示。

表4 實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)和精度

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖5可知，隨著風(fēng)量的提高，制冷量提高；對比1#和2#、3#數(shù)據(jù)，在集液管的上升入口處設(shè)置分流板，通過對制冷劑的均流分配可有效地提高制冷量，在高風(fēng)量時(shí)制冷量最大可提高10%；對比2#和3#數(shù)據(jù)，在一定條件下改變分流板的開孔數(shù)量和面積可以進(jìn)一步提高蒸發(fā)器的制冷量；

圖6是蒸發(fā)器表面最大溫差隨風(fēng)量的變化關(guān)系，從圖中可以看出1#方案沒有分流板時(shí)，表面溫差最大為12.9 ℃，是由于制冷劑在扁管內(nèi)部分布極不均勻造成的，同時(shí)也使蒸發(fā)器的制冷量較低；蒸發(fā)器表面溫差大，一方面會使蒸發(fā)器出風(fēng)溫度不均勻，降低駕駛室人體舒適度；另一方面蒸發(fā)器表面溫差較大，導(dǎo)致在系統(tǒng)運(yùn)行過程中蒸發(fā)器結(jié)冰結(jié)霜的風(fēng)險(xiǎn)增加，使系統(tǒng)中壓縮機(jī)頻繁進(jìn)行啟停，駕駛室溫度波動(dòng)大，無法保持恒溫；再一方面，蒸發(fā)器表面溫差大易導(dǎo)致低溫積水表面產(chǎn)生冰球，嚴(yán)重時(shí)冰球?qū)⒉粩嗯蛎洸D壓扁管，使蒸發(fā)器發(fā)生泄露，系統(tǒng)無法正常工作；2#和3#設(shè)置分流板后，表面最大溫度差值顯著降低，溫度分布更為均勻，說明制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)部分流特性較為均勻；3#表面溫度分布相比2#更為均勻，表面溫差在1.6 ℃~2.8 ℃，說明通過改變分流板的開孔面積和孔數(shù)，進(jìn)一步改善了分配特性并提高了系統(tǒng)的制冷性能和舒適性能。

圖7是蒸發(fā)器制冷劑壓降隨制冷劑流量的變化，相比1#方案，2#和3#方案設(shè)置分流板改變了制冷劑的流動(dòng)，均使壓降增加；對比2#和3#可知，改變分流板的孔數(shù)和開孔面積，在一定范圍內(nèi)降低壓降8.1%~18.4%，可作為以后優(yōu)化壓降的一個(gè)方向。

圖5 蒸發(fā)器制冷量隨風(fēng)量的變化

圖6 蒸發(fā)器表面最大溫差隨風(fēng)量的變化

為了進(jìn)一步分析分流板對汽車空調(diào)制冷性能的影響，對蒸發(fā)器出口表面溫度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，圖8、圖9和圖10分別是不同樣件在400 kg/h風(fēng)量下的表面溫度分布，從圖中可以看出，1#件的出風(fēng)表面溫差較大，局部溫度呈現(xiàn)較高趨勢，反映了制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)部分配非常不均勻，嚴(yán)重影響制冷性能；圖9和圖10表面溫度分布較為均勻，同時(shí)溫度相對圖8顯著降低；圖10的出風(fēng)表面溫度更低，同時(shí)也更均勻；出風(fēng)溫度分布均勻可以提高人體舒適度，是衡量汽車空調(diào)的一個(gè)重要指標(biāo)；出風(fēng)溫度場的分布也直接反映蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的分配情況；通過改善和優(yōu)化分流板的結(jié)構(gòu)特征，可以有效改善蒸發(fā)器出風(fēng)溫度場的均勻性，極大提高空調(diào)的舒適度，避免蒸發(fā)器表面結(jié)冰結(jié)霜以及壓縮機(jī)頻繁啟停等問題。

圖8 1#蒸發(fā)器表面溫度分布圖

圖9 2#蒸發(fā)器表面溫度分布圖

圖10 3#蒸發(fā)器表面溫度分布圖

3 結(jié)論

1）平行流蒸發(fā)器增加分流板，改善了內(nèi)部制冷劑的分配均勻性，可以有效提高制冷性能，通過優(yōu)化分流板開孔數(shù)和面積在一定范圍內(nèi)可以改善制冷劑氣液兩相流量分配特性，高風(fēng)量工況下制冷量最大可提高10%，實(shí)現(xiàn)制冷性能的優(yōu)化。

2）分流板的設(shè)置通過內(nèi)部分流的均勻性，有效改善了蒸發(fā)器表面溫度分布，使表面溫差在1.8 ℃~4.6 ℃之間，使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)，不僅提高了系統(tǒng)的制冷性能，同時(shí)可以有效改善汽車空調(diào)系統(tǒng)的出風(fēng)溫度舒適度，降低了系統(tǒng)運(yùn)行過程中蒸發(fā)器結(jié)冰結(jié)霜的幾率，從而避免壓縮機(jī)頻繁啟停，降低汽車油耗和排放。

3）平行流蒸發(fā)器在下集液管設(shè)置分流板后增加了系統(tǒng)的壓降，使制冷性能和溫度分布均勻性提高；在滿足系統(tǒng)制冷性能的前提下，可以通過進(jìn)一步優(yōu)化分流板孔數(shù)和面積以降低壓降。

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Effects of Deflector Flow Distribution Characteristic on Performance and Air Temperature Field of Parallel Flow Evaporator

GUO Panpan*1, PAN Yunxian1, JI Hongyun1, WEN Xiaofang1, SU Mingxu2

(1-Shanghai MAHLE Thermal Systems Co., Ltd, Shanghai 201206, China; 2-School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The distribution of the vapor-liquid two-phase flow in flat tubes of parallel flow evaporator has an important influence on heat transfer performance. Effects of vapor-liquid two phase flow on performance and air temperature field of evaporator were experimental investigated. The research results show that the deflector affects heat transfer performance and flow distribution characteristic of refrigerant in evaporator. An appropriate structure of deflector can improve the uniformity of flow distribution. The cooling performance, pressure drop and air temperature field can be improved by optimizing the open area and hole number of deflector. The cooling performance can be improved by 10% and the surface temperature deviation ranges from 2.6 ℃ to 4.6 ℃ at high air volume condition with deflector. The automobile air conditioning can realize effective and comfortable operation with appropriate deflect structure.

Parallel flow evaporator; Two phase flow; Heat transfer performance; Temperature field

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.204

*郭盼盼（1989-），男，汽車熱系統(tǒng)工程師，碩士研究生。研究方向：汽車熱管理系統(tǒng)。聯(lián)系地址：上海市浦東新區(qū)隴橋路355號，郵編：201206。聯(lián)系電話：021-38522450。E-mail：guopan1013@163.com。