節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能影響

唐景春,王小倩,張秀平

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,安徽 合肥 230031)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,節(jié)約能源、減少能源消耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展變得尤為重要[1]。目前,國內(nèi)外還有很多汽車空調(diào)仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,沒有從節(jié)能節(jié)材角度開展制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)[2]。

節(jié)點(diǎn)分析法是在能源利用系統(tǒng)中對(duì)換熱器的換熱效果和取得最大能量回收進(jìn)行綜合分析的一種方法,適用于有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle,ORC)系統(tǒng)的優(yōu)化以及制冷系統(tǒng)的優(yōu)化[3]。在蒸發(fā)器的空氣側(cè),節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)濕空氣的凝結(jié)有著重要影響,濕空氣首先與冷壁面接觸實(shí)現(xiàn)降溫,當(dāng)溫度降到露點(diǎn)溫度以下時(shí),壁面上水蒸氣開始凝結(jié)[4]。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)冷壁面溫度是影響濕空氣對(duì)流傳質(zhì)的決定性因素;文獻(xiàn)[6]通過熱濕交換的數(shù)值模型及實(shí)驗(yàn)研究,得到濕空氣流速對(duì)凝結(jié)換熱過程的影響規(guī)律;文獻(xiàn)[7]通過實(shí)驗(yàn)方法研究了濕空氣流速對(duì)冷凝器冷凝傳熱規(guī)律的影響。

本文針對(duì)不同的制冷工質(zhì)R245fa、R1234ze、R134a、R123,采用節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱面積進(jìn)行優(yōu)化,建立自定義函數(shù)f=CCOP/At,即單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)(coefficient of performance,COP)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),研究換熱器面積和制冷系統(tǒng)性能系數(shù)的匹配關(guān)系,從而確定優(yōu)選工質(zhì);分析優(yōu)選工質(zhì)在不同的蒸發(fā)器出口空氣溫度、冷凝器出口空氣溫度、蒸發(fā)器進(jìn)口空氣風(fēng)速等工況條件下,節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)系統(tǒng)換熱經(jīng)濟(jì)性能的影響。

1 平行流換熱器模型及性能分析

1.1 平行流換熱器結(jié)構(gòu)及制冷工質(zhì)的選擇

平行流換熱器百葉窗翅片結(jié)構(gòu)如圖1所示, 制冷劑在多孔扁管內(nèi)流動(dòng),通過集流管和隔板將制冷劑側(cè)的流動(dòng)分成若干個(gè)流程,空氣側(cè)采用波紋形百葉窗翅片。

圖1 平行流換熱器百葉窗翅片結(jié)構(gòu)

圖1中:FP為翅片間距;LL為百葉窗長度;FL為翅片高度;Fd為翅片寬度;LP為百葉窗間距;θ為百葉窗角度。

制冷工質(zhì)的熱物性是影響制冷系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一,綜合考慮其環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等,選擇R245fa、R1234ze、R134a、R123工質(zhì)為研究對(duì)象。

4種工質(zhì)的熱物性參數(shù)見表1所列。本文采用的各制冷劑物性數(shù)據(jù)來自REFPROP數(shù)據(jù)庫。表1中:ODP為消耗臭氧潛能值;GWP為全球變暖潛能值。

表1 5種工質(zhì)的熱物性參數(shù)

1.2 制冷系統(tǒng)的熱力分析

汽車空調(diào)制冷循環(huán)壓焓(p-h)曲線如圖2a所示,溫熵(T-s)曲線如圖2b所示。圖2a中:1→2為壓縮過程;2→5為冷凝過程;5→6為節(jié)流過程;6→1為蒸發(fā)過程?？諝鉁囟扰c工質(zhì)溫度的最小傳熱溫差即為節(jié)點(diǎn)溫差[8]。一般蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差在空氣出口和制冷劑進(jìn)口之間,用Δtep表示,Δtep=ta6-T6,冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差在ta3與T3之間,用Δtcp表示,Δtcp=T3-ta3。節(jié)點(diǎn)溫差不僅影響制冷系統(tǒng)的性能系數(shù),還會(huì)影響換熱器的換熱面積。以節(jié)點(diǎn)溫差為控制變量,調(diào)用工質(zhì)的熱物性參數(shù),計(jì)算空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱面積。計(jì)算工況條件為:蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度ta1=26 ℃;冷凝器空氣進(jìn)口溫度ta5=35 ℃;過熱度tsup=10 ℃;過冷度tsub=5 ℃。通過改變工質(zhì)的節(jié)點(diǎn)溫差Δtep、Δtcp、蒸發(fā)器空氣出口溫度ta6、冷凝器空氣出口溫度ta3,研究熱力學(xué)參數(shù)隨蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律,優(yōu)化單位換熱器面積的性能系數(shù),達(dá)到制冷系統(tǒng)的最佳性能匹配。

圖2 汽車空調(diào)制冷循環(huán)圖

蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差為:

Δtep=ta6-T6=ta6-Te

(1)

冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差為:

Δtcp=T3-ta3=Tc-ta3

(2)

空氣流量為:

me=va(Ho+FL)lnρ

(3)

其中:va為蒸發(fā)器空氣進(jìn)口風(fēng)速;Ho為扁管外高;FL為翅片高度;L為扁管長度;n為蒸發(fā)器總扁管數(shù);ρ為空氣密度。

6→7→1蒸發(fā)過程產(chǎn)生的熱量為:

Qe=mec(ta1-ta6)

(4)

制冷劑流量為:

(5)

1→2壓縮過程做功為:

W=mf(h2-h1)

(6)

努塞爾數(shù)Nu為:

Nu=0.026 5Re0.8Pr0.333

(7)

其中:Re為雷諾數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù)。

制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為:

(8)

其中:D為扁管內(nèi)孔水力直徑;λ為制冷劑的熱導(dǎo)率,調(diào)用REFPROP得到。

空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為:

(9)

平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為:

(10)

其中:ari(i=1,2,3,4)分別為每個(gè)流程制冷劑側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);ni(i=1,2,3,4)分別為每個(gè)流程扁管數(shù)。

傳熱系數(shù)為:

(11)

其中:Ar為每米管長扁管內(nèi)表面積;Aa為每米管長總外表面積;ra為空氣側(cè)污垢熱阻,本文取值0.000 3 m2·K/W。

蒸發(fā)器單相區(qū)平均對(duì)數(shù)溫差為:

(12)

蒸發(fā)器單相區(qū)的換熱面積為:

(13)

冷凝器單相區(qū)平均對(duì)數(shù)溫差為:

(14)

同理可得冷凝器單相區(qū)的換熱面積為:

(15)

兩相區(qū)換熱面積為:

(16)

(17)

總換熱面積為:

At=Ae1+Ae2+Ac1+Ac2

(18)

制冷系統(tǒng)COP值為:

CCOP=Qe/W

(19)

自定義函數(shù)f,即單位面積的COP為:

f=CCOP/At

(20)

其中:mf、me分別為工質(zhì)和熱源的質(zhì)量流量;hi為各對(duì)應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)的比焓值;Ke、Kc為傳熱系數(shù)。

系統(tǒng)計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)計(jì)算流程

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 制冷循環(huán)性能隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律

蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度ta1=26 ℃、冷凝器空氣進(jìn)口溫度ta5=35 ℃時(shí),4種工質(zhì)的制冷系統(tǒng)性能和換熱器面積以及自定義函數(shù)f隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律如圖4～圖6所示。

由圖4a可知:隨著Δtep從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123、R134a的COP值均逐漸減小,且R245fa和R1234ze的COP值大小變化非常相近;隨著Δtep從0 ℃增加到16 ℃,對(duì)同一個(gè)Δtep,COP值的大小依次為R134a、R123、R1234ze、R245fa。由圖4b可知：隨著Δtcp從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123的COP值均逐漸減小,R134a的COP值先減小后增大；對(duì)同一個(gè)Δtcp,COP值的大小依次為R134a、R123、R1234ze、R245fa;對(duì)于R134a,最大COP值比最小COP值大44%。從COP值可以看出,R134a工質(zhì)在汽車空調(diào)制冷循環(huán)中具有更好的熱力性能。

圖4 4種工質(zhì)的COP值隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化

由圖5a可知:隨著Δtep從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123、R134a的At值均呈現(xiàn)先快速減小、后逐漸緩慢減小的變化趨勢(shì);對(duì)同一個(gè)Δtep,At值的大小依次為R245fa、R123、R134a、R1234ze。由圖5b可知:隨著Δtcp從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123、R134a的At值均呈逐漸減小趨勢(shì);對(duì)同一個(gè)Δtcp,At值的大小依次為R245fa、R123、R134a、R1234ze,且Δtcp=2 ℃、Δtcp=30 ℃時(shí),R245fa的At比R134a的At值分別多17%、28%。對(duì)于R134a,最大At值比最小At值大65%。因?yàn)閾Q熱面積太小，換熱效率會(huì)降低,換熱面積太大,換熱器耗材會(huì)增加,所以需要選擇適中的換熱面積。

由圖5還可以看出，相較于冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差,蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)總換熱面積At值的影響更大。

圖5 4種工質(zhì)的At隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化

由圖6a可知:隨著Δtep從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123、R134a的f值均先快速增大后緩慢減小,但Δtep=30 ℃時(shí)的f值比Δtep=2 ℃時(shí)的f值大；R245fa在Δtep=22 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),R1234ze、R134a在Δtep=20 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，R123在Δtep=24 ℃出現(xiàn)拐點(diǎn)。由圖6b可知：隨著Δtcp從2 ℃增加到30 ℃,R245fa、R1234ze、R123的f值均先增大后減小,R245fa、R123在Δtcp=4 ℃時(shí)達(dá)到拐點(diǎn),R1234ze在Δtcp=6 ℃時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)；R134a先在Δtcp=4 ℃時(shí)達(dá)到第1個(gè)拐點(diǎn),逐漸上升在Δtcp=22 ℃時(shí)達(dá)到第2個(gè)拐點(diǎn),之后f值快速增加。

從圖6還可以看出，相較于冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差，蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)f值的影響更大。

綜合考慮制冷系統(tǒng)COP值、換熱總面積At、自定義函數(shù)f以及R134a對(duì)環(huán)境友好等特性,選用R134a作為汽車空調(diào)制冷劑比較合理。通過分析冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差和蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)COP值、At、f的影響可知,蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差產(chǎn)生的影響較大。

圖6 4種工質(zhì)的f隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化

2.2 節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)R134a系統(tǒng)性能的影響

2.2.1 不同出口空氣溫度ta6下的結(jié)果分析

工質(zhì)R134a在蒸發(fā)器不同空氣出口溫度ta6下,蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)f的影響如圖7所示。由圖7可知:ta6分別為5、10、15、20 ℃時(shí),隨著蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差Δtep從2 ℃增加到30 ℃,f值均呈先增大后減小趨勢(shì),Δtep分別在20、20、22、22 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn);在Δtep=2 ℃、ta6=20 ℃時(shí)的f值比ta6為5、10、15 ℃時(shí)低;ta6從5 ℃增加到20 ℃,f值呈逐漸增大的趨勢(shì)。在Δtep為2～4 ℃時(shí),達(dá)到同一個(gè)f值,ta6=10 ℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最小;在Δtep為4～6 ℃時(shí),ta6=15 ℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最小;在Δtep為2～8 ℃時(shí),ta6=20 ℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最大;在Δtep為6～22 ℃時(shí),ta6=20 ℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最小;在Δtep為22～30 ℃時(shí),ta6=15 ℃時(shí)的f值遠(yuǎn)大于ta6為5、10 ℃的f值,這是由于COP值的變化比換熱面積的變化快,COP值增大,所需換熱面積減小,經(jīng)濟(jì)性能增加?？梢?，增加ta6換熱溫差會(huì)得到提高,進(jìn)而提高了蒸發(fā)器的換熱量。因此,蒸發(fā)器空氣出口溫度不易過高,ta6=15 ℃時(shí)經(jīng)濟(jì)性能比較好。

圖7 不同ta6下f隨蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差的變化

2.2.2 不同空氣出口溫度ta3下的結(jié)果分析

工質(zhì)R134a在冷凝器不同空氣出口溫度ta3下，蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)f的影響如圖8所示。

圖8 不同ta3下f隨蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差的變化

由圖8可知:ta3分別為43、45、47、49 ℃時(shí),隨著蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差Δtep從2 ℃增加到30 ℃,f值分別在Δtep為20、20、22、22 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn);ta3從43 ℃增加到49 ℃,f值呈逐漸減小的趨勢(shì),并且f值的大小接近。對(duì)同一個(gè)f值,ta3=43 ℃時(shí)需要的節(jié)點(diǎn)溫差最小,ta3=49 ℃時(shí)需要的節(jié)點(diǎn)溫差最大。因此冷凝器空氣出口溫度不易過高,選擇比進(jìn)口溫度高10 ℃左右的出口溫度,換熱效果比較好。由圖8還可以看出,冷凝器不同空氣出口溫度ta3對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)f值的影響不明顯。

3 結(jié) 論

本文模擬了不同工質(zhì)、不同蒸發(fā)器出口空氣溫度、冷凝器出口空氣溫度下節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 對(duì)于所選工質(zhì),均存在一最佳節(jié)點(diǎn)溫差,隨著節(jié)點(diǎn)溫差的增大,系統(tǒng)COP值降低,換熱器面積減小,而目標(biāo)函數(shù)值先升高后降低,即存在最優(yōu)節(jié)點(diǎn)溫差使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能最佳。

(2) R245fa、R1234ze、R134a、R123對(duì)應(yīng)的最佳冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差分別為4、4、6、4 ℃，最佳蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差分別為22、20、20、24 ℃。

(3) 考慮熱力性和經(jīng)濟(jì)性,采用自定義函數(shù),即單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)f,f值越大,系統(tǒng)綜合性能越佳,在設(shè)定的工況條件下,R134a性能最佳。在蒸發(fā)器出口空氣溫度為15 ℃、冷凝器出口空氣溫度為45 ℃時(shí),對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差為20 ℃。