散熱板擾流帶形式液冷冷凝器換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

侯海焱，吳兆亮

（上海愛斯達(dá)克汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司，上海 201204）

0 引 言

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)階段，低碳經(jīng)濟(jì)成為我國未來發(fā)展的主要方向，在此背景下，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生。新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車和太陽能汽車等，在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用。無論哪種類型的汽車，汽車空調(diào)都是不可或缺的。汽車空調(diào)主要包含了制冷、采暖、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)的功能。其中，制冷系統(tǒng)用于產(chǎn)生冷氣，是汽車空調(diào)的冷源。目前普遍采用的蒸氣壓縮式制冷裝置，是通過壓縮機(jī)的壓縮和抽吸作用，使制冷劑在制冷管路中循環(huán)，通過其氣液轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)熱量的“搬移”，完成制冷過程。制冷系統(tǒng)在制冷過程中，制冷劑在低壓端（蒸發(fā)器）汽化吸熱，以降低周圍空氣的溫度，并通過鼓風(fēng)機(jī)將冷空氣送入車內(nèi)；制冷劑在高壓端（冷凝器處）液化散熱，并通過汽車行進(jìn)時的空氣流動和冷卻風(fēng)扇工作形成的空氣強(qiáng)制對流，將吸收了熱量的熱空氣散發(fā)到車外大氣中。

上述提到的是空氣冷卻式冷凝器即風(fēng)冷冷凝器。隨著新能源車的普及推廣，考慮前艙的空間布局，以及整車熱管理策略，冷卻液冷卻式冷凝器（以下簡稱液冷冷凝器）的應(yīng)用越來越廣泛。液冷冷凝器一方面作為制冷系統(tǒng)的高壓端，取代風(fēng)冷冷凝器或者與風(fēng)冷冷凝器同步使用；另外一方面，吸收了制冷劑熱量的冷卻液可以用于駕駛艙的采暖或者給電池加熱。

液冷冷凝器為板換型式，產(chǎn)品緊湊、體積小。它的主要交換介質(zhì)為冷卻液和制冷劑，冷卻液的熱容高，制冷劑和冷卻液直接換熱時，換熱效率高。液冷冷凝器的形式有很多種：有散熱板-擾流帶形式的，有散熱板-散熱板形式的。為了滿足換熱需求，增大換熱面積、加強(qiáng)擾流，各個廠家都在開發(fā)不同設(shè)計(jì)。對于散熱板-擾流帶形式的，有的采用平直擾流帶、有的采用錯列式擾流帶；對于散熱板-散熱板形式的，有的在散熱板上沖壓W型波紋、有的沖壓V型波紋、也有的設(shè)計(jì)成點(diǎn)波式。

國內(nèi)學(xué)者針對液冷式冷凝器也有相關(guān)研究，郭震通過試驗(yàn)分析了液冷冷凝器不同擺放方式對換熱量的影響，合理的擺放有利于獲得最佳性能同時對冷卻液流阻的影響很小[1]。姚遠(yuǎn)通過試驗(yàn)對比了常規(guī)冷凝器與分液型板式冷凝器的性能，針對換熱系數(shù)的提升做了相關(guān)試驗(yàn)研究[2]。嚴(yán)瑞東則是通過試驗(yàn)研究了板式冷凝器流程數(shù)對于溫度分布均勻性的影響[3]。巫江虹通過試驗(yàn)研究了板翅式換熱器內(nèi)部流動不均勻分配呈現(xiàn)的現(xiàn)象[4]。目前，相關(guān)的研究在有條不紊地進(jìn)行中，但受針對新興技術(shù)領(lǐng)域的研究還不夠充分以及出于技術(shù)保密等因素，相關(guān)研究結(jié)果未見發(fā)表。因此有必要對此進(jìn)行研究，以提高技術(shù)能力和競爭力，也有利于對未來的設(shè)計(jì)提供參考。

1 液冷冷凝器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的液冷冷凝器屬于板換結(jié)構(gòu)，采用的是散熱板加擾流帶形式。在整車中采用該形式的液冷冷凝器主要帶來兩點(diǎn)好處：一是液冷冷凝器在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的高壓壓力較空冷冷凝器低，可以降低壓縮機(jī)的負(fù)荷，蒸發(fā)壓力也小，制冷效果更好。二是液冷冷凝器的內(nèi)容積相對空冷冷凝器更小，制冷劑的充注量也更小。在系統(tǒng)內(nèi)傳統(tǒng)冷卻模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)冷卻模塊的設(shè)計(jì)及原理圖

通過采用液冷冷凝器設(shè)計(jì)后，冷卻模塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整如圖2所示。

圖2 采用液冷冷凝器后的冷卻模塊設(shè)計(jì)及原理圖

液冷冷凝器芯體通過板片設(shè)計(jì)組合，形成交替布置的冷卻水流道和制冷劑流道，每個板片都可接觸兩種流體，這樣就形成了兩相冷凝區(qū)和冷卻水換熱區(qū)。液冷冷凝器工作時，冷卻水和制冷劑同時在芯體內(nèi)流動帶來熱交換。基本的流動形式如圖3展示，其中藍(lán)色箭頭為溫度較低的冷卻水流動情況，紅色箭頭為溫度較高的制冷劑流動情況。

圖3 液冷冷凝器內(nèi)部冷、熱流體流動示意圖

該液冷冷凝器的板片采用平直板設(shè)計(jì)，擾流翅片采用錯列式的方形翅片結(jié)構(gòu)，以強(qiáng)化內(nèi)部的傳熱。液冷冷凝器的主要設(shè)計(jì)尺寸見表1。

表1 液冷冷凝器的主要設(shè)計(jì)尺寸

作為液冷冷凝器換熱的核心部件，錯列式方形翅片有如圖4所示兩種布置方式。不同布置方式對應(yīng)不同的介質(zhì)流動方向：流動方向2帶來的擾動更強(qiáng)、換熱效果更大，同時對應(yīng)的流動阻力也更大；流動方向1相比流動方向2帶來的流動阻力更小，對于加強(qiáng)擾動換熱的效果相對弱?？紤]到熱管理系統(tǒng)中阻力也是非常重要的性能指標(biāo)，以下研究以流動方向1為基礎(chǔ)布置翅片。

圖4 液冷冷凝器錯列式翅片的布置方式

2 液冷冷凝器性能試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 液冷冷凝器換熱性能的理論計(jì)算

2.1.1 乙二醇水溶液側(cè)參數(shù)計(jì)算

乙二醇水溶液的參數(shù)計(jì)算是依據(jù)ASHREA手冊提供的乙二醇物性參數(shù)表，根據(jù)所測的乙二醇溶液的溫度，進(jìn)行擬合計(jì)算得到比定壓熱容和密度。

乙二醇水溶液的換熱能力：

式中：Q為換熱量，W；F為乙二醇水溶液流量，L/min，通過流量計(jì)測量獲得；ρ為乙二醇水溶液密度，kg/m3，根據(jù)容積流量計(jì)處測得的乙二醇溶液溫度，進(jìn)行擬合計(jì)算得到：50%乙二醇溶液密度=1081.082-0.3381988×水溫-0.00243144×水溫×水溫。其中水溫為流量計(jì)處測得的水溫；cp為乙二醇水溶液比定壓熱容，kJ/（kg·℃），根據(jù)測量的溶液進(jìn)出口平均溫度，進(jìn)行擬合計(jì)算得到：50%乙二醇溶液比定壓熱容=3.203424+0.003861071×水溫，其中水溫為進(jìn)出口平均水溫。Twi為進(jìn)口水溫度，℃；Two為出口水溫度，℃。

2.1.2 制冷劑側(cè)參數(shù)計(jì)算

制冷劑的熱力性質(zhì)參數(shù)通過調(diào)用NIST計(jì)算軟件得到：由制冷劑溫度或者制冷劑壓力計(jì)算飽和狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)；由制冷劑入口壓力和入口溫度計(jì)算過熱狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)；由制冷劑出口壓力和出口溫度計(jì)算過冷狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)。

制冷劑側(cè)換熱能力：

式中：Qcr為換熱量，W；Fr為制冷劑流量，kg/h，通過流量計(jì)測量；hci為冷凝器入口比焓，k J/kg，由冷凝器入口溫度Tci和冷凝器入口壓力Pci計(jì)算得出過熱狀態(tài)點(diǎn)比焓，其中：

Tci=TciSH+Tsat，其中：Tsat：由冷凝器入口壓力Pci計(jì)算得出氣態(tài)飽和溫度Tsat，℃；TciSH：冷凝器入口過熱度，℃；hco為冷凝器出口比焓，kJ/kg，由冷凝器出口溫度Tco和冷凝器出口壓力Pco計(jì)算得出過冷狀態(tài)點(diǎn)比焓，其中：Tco=TcoSC+Tsat，其中：Tsat：由冷凝器出口壓力Pco計(jì)算得出液態(tài)飽和溫度Tsat，℃；TcoSC：冷凝器出口過冷度，℃。

2.1.3 液冷冷凝器換熱性能計(jì)算

根據(jù)能量守恒原則，高溫高壓制冷劑放出的熱量被冷卻液帶走，乙二醇水溶液側(cè)的換熱能力等于制冷劑側(cè)換熱能力。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過設(shè)定流量、溫度、壓力等參數(shù)，通過試驗(yàn)臺各個零部件的系統(tǒng)匹配、參數(shù)調(diào)節(jié)和迭代計(jì)算，得出熱平衡下的換熱量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 不同試驗(yàn)工況對換熱性能的影響研究

2.2.1 冷卻液進(jìn)口溫度對性能的影響

對液冷冷凝器的冷卻液進(jìn)口溫度進(jìn)行調(diào)整，研究冷卻液溫度變化帶來的性能影響，性能對比如表2所示。

表2 不同冷卻液進(jìn)口溫度下液冷冷凝器的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，僅改變冷卻液入口溫度，其他參數(shù)不變，隨著冷卻液入口水溫的提高，制冷劑與冷卻液的溫差縮小，換熱性能明顯下降。入口水溫提高5℃，換熱性能下降30%左右（研究了多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值，表中取代表性一組數(shù)據(jù)）。

2.2.2 冷卻液進(jìn)口流量對性能的影響

對液冷冷凝器的冷卻液進(jìn)口流量進(jìn)行調(diào)整，研究流量變化帶來的性能影響，性能對比如表3所示。

表3 不同冷卻液流量下液冷冷凝器的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，改變冷卻液入口水流量，其他參數(shù)不變，隨著冷卻液入口流量的加大，換熱性能有顯著提升。冷卻液入口水流量提升5 L/min，換熱性能提升40%左右（研究了多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值，表中取代表性一組數(shù)據(jù)）。

2.2.3 制冷劑進(jìn)口溫度對性能的影響

對液冷冷凝器進(jìn)行換熱性能試驗(yàn)，通過改變不同的制冷劑進(jìn)口溫度來分析進(jìn)口溫度對液冷冷凝器的性能影響，液冷冷凝器在性能試驗(yàn)臺上的安裝設(shè)置如圖5所示。

圖5 液冷冷凝器在性能試驗(yàn)臺架上的安裝示意圖

性能試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置和制冷劑入口溫度的變量設(shè)置如表4所示。

表4 不同制冷劑入口溫度下液冷冷凝器的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，僅僅改變制冷劑進(jìn)口溫度，其他輸入?yún)?shù)不變，隨著制冷劑進(jìn)口溫度的提高，制冷劑進(jìn)口焓值提高，換熱性能略有提高。制冷劑入口溫度提高5℃，換熱性能提升2%左右。

2.2.4 制冷劑出口過冷度對性能的影響

對液冷冷凝器的制冷劑出口過冷度進(jìn)行調(diào)整，研究過冷度變化帶來的性能影響，性能對比如表5所示。

表5 不同過冷度下液冷冷凝器的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，改變制冷劑出口過冷度，其他參數(shù)不變，隨著制冷劑出口過冷度的加大，帶來制冷劑質(zhì)量流量的降低，換熱性能下降。出口過冷度提高5℃，換熱性能下降15%～20%左右（研究了多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值，表中取代表性一組數(shù)據(jù)）。

2.3 不同設(shè)計(jì)方案對換熱性能的影響研究

2.3.1 帶儲液干燥器與不帶儲液干燥器對換熱的影響研究

儲液干燥器的主要功能為儲存、干燥、過濾制冷劑的作用。對于液冷冷凝器，儲液干燥器和板換芯體集成為一體化設(shè)計(jì)。在熱泵系統(tǒng)中，很多廠家采用壓縮機(jī)前布置氣液分離器的設(shè)計(jì)，取消液冷冷凝器上的儲液干燥器，液冷冷凝器兼做蒸發(fā)器和冷凝器兩種功能。以下對是否帶儲液干燥器下的制冷性能進(jìn)行分析，性能對比如表6所示。

表6 液冷冷凝器帶RD與不帶RD結(jié)構(gòu)下的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對于液冷冷凝器而言，是否集成儲液干燥器對其換熱性能幾乎沒有影響。整車廠可根據(jù)自身布置需求決定是否將儲液干燥器集成在液冷冷凝器結(jié)構(gòu)中。

2.3.2 不同流程分布對換熱的影響研究

對于液冷冷凝器的內(nèi)部板換結(jié)構(gòu)來說，冷卻液的入口和出口位置決定了冷卻液和制冷劑的流向是順流還是逆流。制冷劑的進(jìn)出口位置不變，通過改變冷卻液的進(jìn)出口接口設(shè)置研究冷卻液順流和逆流兩種形式對于換熱的影響。冷卻液進(jìn)出口的設(shè)置對比如圖6所示。

圖6 液冷冷凝器冷卻液流向順流和 逆流情況下的性能對比

通過臺架測試，得到液冷冷凝器順流和逆流情況下的換熱性能如表7所示。

表7 液冷冷凝器冷卻液順流與逆流形式下的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對于液冷冷凝器而言，冷卻液的流向與制冷劑的流向形成逆流帶來的換熱性能更好，因?yàn)槔錈崃黧w逆流帶來的平均溫差更大，在試驗(yàn)工況下逆流比順流的換熱能力提升可達(dá)3%至5%（研究了多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值，表中取代表性一組數(shù)據(jù)）。

2.3.3 不同芯體尺寸對換熱的影響研究

對于液冷冷凝器的板換結(jié)構(gòu)而言，通過增加芯體的板片數(shù)量可以改變流道的配置。對比相同的板片設(shè)計(jì)、不同的板片數(shù)量下的換熱性能表現(xiàn)，如表8所示。

表8 液冷冷凝器不同板片數(shù)量下的性能對比

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對于液冷冷凝器而言，簡單地增加芯體板片數(shù)量無法帶來換熱性能上的提升，相反還會增加產(chǎn)品的重量、尺寸和成本。在所研究的試驗(yàn)工況下，15流道的增加板片設(shè)計(jì)相比10流道的板片設(shè)計(jì)換熱性能下降了5%左右。主要原因是雖然增加了板片，可以帶來換熱面積的提升，但是在固定的冷卻液流量下，更多的板片通道造成冷卻液流速的下降，進(jìn)而降低了傳熱效率。

3 結(jié) 論

本文主要通過臺架實(shí)驗(yàn)的方法對影響液冷冷凝器換熱性能的因素進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提升液冷冷凝器的性能給出了指導(dǎo)意見。

通過不同實(shí)驗(yàn)條件的對比可知：

（1）增加液冷冷凝器的冷熱流體溫差可以提升冷凝器的換熱能力，其中降低冷卻液入口溫度帶來的換熱提升比增加制冷劑入口溫度效果更明顯。

（2）通過提升冷卻液的入口流量，可以達(dá)到明顯改善冷凝器換熱能力的效果。

（3）降低制冷劑出口過冷度，其他條件不變，對于液冷冷凝器單體而言，性能可以得到提升。

（4）對于冷流體側(cè)（冷卻液側(cè)）進(jìn)行調(diào)整是提升液冷冷凝器換熱能力的關(guān)鍵。

通過不同設(shè)計(jì)方案的對比可知：

（1）是否集成儲液干燥器對于液冷冷凝器的換熱能力沒有明顯影響。這對今后空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)起到了指導(dǎo)作用?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，可以根據(jù)空間布局等具體情況，靈活調(diào)整儲液干燥器的位置。

（2）對比冷卻液與制冷劑順流與逆流情況，發(fā)現(xiàn)液冷冷凝器在冷卻液逆流情況下的換熱能力比順流高5%左右，這可以為冷凝器的流程布置以及相關(guān)管路設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

（3）試驗(yàn)研究了增加板片的換熱效果，發(fā)現(xiàn)對于液冷冷凝器在固定冷卻液流量的情況下，單純增加板片反而會降低其換熱能力。