三种汽车空调冷凝器性能的试验对比分析.pdf

第 7卷第 4期 2 0 0 7年 8月 制 冷 与 空 调 REFRI GERATI ON AND AI R C0NDI T1 0NI NG 42 47 三种汽车空调冷凝器性能的试验对 比分析 张林颖”吴裕远 李宴辉(西安交通大学)(上海松芝汽车空调有限公司)摘 要 针对广泛使用的 3种汽车空调冷凝器管片式冷凝器、管带式冷凝器、平流式冷凝 器进行变肋 距、变工况试验。通 过对试验数据 的比较和分析得出 3种冷凝 器的最佳 结构和最佳风 速，即标准冷凝 器及 其 与之相 匹配 的风速，并 由此绘制 3种标准冷凝 器变工况 条件下 的性 能参数对 比图，进而从多个 角度 全面 地 比较 3种 冷凝 器 的优 缺点。通过对 比试 验数 据与计算值，修 正所引用 的风阻 和传 热系数 的经验公式。此研究结果为 同类新产品的开发 和设计提供 了依据；有助 于生 产单位缩 短设 计周期和试验 时间，加快新 产 品的开发速度；在实 际应用 中取得较好的经济效 益。关键词冷凝器肋距风速风 阻传热 系数 Th e e x p e r i m e n t a l c o m pa r i s o n a na l y s i s o n t h e r m a l p e r f o r m a n c e o f t hr e e ki n d s o f c o n d e ns e r s o f a u t o m o b i l e a i r-c o nd i t i o ni n g Zha ng Li n y i n g W u Yu y u a n Li Ya n hu i (Xi a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y)。(S h a n g h a i S o n g z h i Mo b i l e Ai r C o n d i t i o n e r s L t d )ABS TRACT Un d e r v a r i a b l e wo r ki ng c o nd i t i o n s，p e r f o r ms t h e e x p e r i me n t s f o r t hr e e ki n d s o f a ut o mo bi l e a i r c o n di t i o n i n g c o n d e n s e r s，na me l y t u b e s t r i p s t y l e c on d e n s e r，t u b e s l i c e s t yl e c o n de n s e r a n d p a r a l l e l t u b e s t y l e c o n d e n s e r，wi t h di f f e r e n t f i n i n t e r s pa c e s By c o m p a r i n g a n d a na l y z i n g t h e e xp e r i me nt a l d a t a，o bt a i n s o p t i m u m c o n f i gu r a t i o n a n d o p t i mu m wi n d s p e e d s，na me l y n o r ma l c o nd e n s e r a n d i t s ma t c hi n g wi n d s p e e d s；dr a ws c o mp a r i s on d i a g r a ms o f t h e r ma l p e r f o r ma n c e un d e r v a r i a b l e wo r ki n g c o n di t i o n s f o r e a c h ki n d o f n or ma l c o n d e n s e r s；p r e s e n t s me r i t s a n d d e me r i t s o f t he t hr e e k i n d s o f c o n d e n s e r s i n t he i r a l l a s p e c t sTh e n，c o mpa r e s t h e e xp e r i me n t a l r e s u l t s wi t h t h e o l d e m p i r i c a l f o r m u l a t i o n s，o b t a i n s t h e n e w f o r mu l a t i o n s by r e v i s i n g t he o l d o n eThe e xp e r i me nt a l r e s u l t s o f f e r t h e e s s e n t i a l b a s i s f o r p r od u c t s de v e l o p me nt a n d d e s i gn，S O a s t o s h o r t e n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o pme nt t i me，s p e e d u p t he de s i gn i n g p r o c e d u r e s f o r n e w pr o d u c t s，a n d e n h a n c e e c on o mi c b e n e f i t KEY WORBS c o n d e n s e r；f i n-i n t e r s p a c e s；wi n d s p e e d；wi n d r e s i s t a n c e；h e a t t r a n s f e r c o e f f i de n t 汽车 现 已成为 人 类 生 活 中不 可或 缺 的 交通 工 具，它的发展见证着科技的进步。世界上的第一台 汽车空调诞生于 1 9 2 7年，至今已经历了单纯供热 系统、冷暖合一系统、自动控温 系统和微机控制系 统 4 个阶段。汽车空调的重要组成部分之一 汽 车空调 冷凝器 的阻力 和换 热性能，直接影 响着 整 个空调设备的性能。因此，对于冷凝器的优化设计 收稿 日期：2 0 0 6 0 7 1 0 通讯作者：张林颖，E ma i l：l y z h a n g 3 1 0 1 g ma i l c o rn 具有很高的现实意义，日益成为研究热点。近 年来，我 国汽 车空 调 设 备 的发 展 日新 月 异，目前市面上普遍使用 的汽车空调冷凝器主要有管 片式冷凝器、管带式冷凝器和平流式冷凝器 3种结 构类型。为了方便类似新产品的开发和设计，缩短 设计周期和试验时间，加快新产 品的开发速度，需 要对 3种基本型式 的冷凝器 的性能进行试验对 比 维普资讯 http:/ 第 4期 张林颖等：三种汽车空调冷凝器性 能的试验对 比分析 研究。笔者通过在变肋距、变工况 的条件下测量分析和比较各种性能参数，并将 由经验公式得到的 理论数 据与 试验数 据进 行对 比，由此对 所引 用的 冷 凝 器换 热 系数和 风阻 的经验 公式进 行修 正，从 而 在 现有 的经验公 式 中找 出一 种适 合 公 司产 品结 构形 式 的计 算方 法。1试 验样件 制作 试验用管片式冷凝器样件为岳 阳恒立冷气设 备股份有限公司生产 的普通型桑塔纳用轿 车空调 冷凝器 3 3 0 8 2 0 4 1 3，在结构不变的情况下，制作了翅 片波距分 别 为 1 6 3 6 m i D _，1 8 0 0 mi D _，2 0 0 0 I D 1 n，2 2 0 0 mm和 2 4 2 0 mm 的样品各 1件，肋距 以 5 的 幅度递增。试验用管带式冷凝器为岳 阳恒立冷气设备股 份有限公司生产的普通型桑塔纳用轿车空调冷凝 器 3 3 0 8 2 0 4 1 3 A，图 1和 2分别为其整体结构示意 图和其翅片、扁管示意 图。在结构不变的情况下，制作了翅片波距分别为 3 2 I D I D _，3 6 I D I D _，4 0 I D I D _，4 4 I D I D _ 和 4 8 I D I D _ 的样品各 1 件，肋距以 1 0 的幅 度递增。多孔扁管 扁管横截面图 砸 砸 砸避 翅 片 百 叶 窗 扁管和翅片装配后的正视图 翅片装配前的波形图 图 2 管带式冷凝器 的翅片和扁管示意图 翅片开缝是一种有效的强化空气侧传 热的方 法，它符合场协 同原理，即减小速度场与温度梯度 的夹角 有利 于强化 换 热。每段 波 纹 百 叶翅 片均 从 中心 向两 侧 相 向开 缝，如 图 2中 波 纹 翅 片的 A 向 截面图所示。当风从图示方向吹来经过翅片时，翅 片左方先 背风后 迎 风，翅 片右 方 正相 反，先 迎 风 后 背 风。这 样迎 风和背 风的 路程长 度 大致相 同，使 得 来风得到充分的混合，进而加强空气侧的换热。通 过数值计算翅片平均努塞 尔数，并对其进 行简化 得：一 一N u：0 6 6 8 f 1 一 0 1 6(1)q ，上式 是基 于整 个 百 叶翅 片 的 温度 相 同而 得 到 的，但实际温度分 布情况却并非如此，翅片 的温度 场分布是非等温的。可以假设从翅 片的中部截开，视翅片为肋片，并 利用肋片效率 叩 f 来 求取实际的 剂入 口 散热量 Q。7 f=(2)7 f=L z 其中，=；a为翅片的平均换热系数，可以通 过平均努塞 尔数求得；“为肋片横截面的周长；为肋片材料的导热系数；f为肋片横截面的面积；z 为肋片长度。Q=F(T 一 T。)叩 f 口 (3)其中，F为翅片的换热面积；T 为肋 片温度；丁。为环境温度。试验用平流式冷凝器为岳 阳恒立冷气设备股 份有限公 司生产 的一 汽佳保冷凝器，与管带式类 似，图 3为其整体结构示意图。在结构不变的情况 下，制 作 了翅 片波距 分 别 为 2 6 mm，2 9 mm，3 2 mm，3 5 mm 和 3 8 mm 的样品各 1件，肋距 以 1 0 的 幅度递增。维普资讯 http:/ 制冷与空调 第 7卷 隔 流 图 3 平 流式冷凝器结构示意 图 平流式 冷凝器 的扁 管孔 口较之 管带式 更多，当 管内流体的流量一定时，由于孔 口增多，湿周(即在 过水断面上水流与固体边界接触的长度)增大，单 位体积流体与周围壁面的接触面积增大，进而有利 于流 体与壁 面之 间的换热。与此 同时，在相 同 的过 水断面下，湿周越大，水力半径(即过水断面与湿周 之 比)越 小周 界对水 流 的阻力 随之增 大，但是 这种 影响较小。因此从总体上来看，随着孔 口的增多管 带 冷 齐 U 入 口 冷 齐 出 口 内流体的换热得到了较大的提高。2 试 验 系统 介绍 冷凝 器 的试 验平 台为美 国 T E S C O R公 司 设计 生产 的两 器(冷 凝器 和蒸 发 器)试 验 台。该 试验 台 可分成 制 冷循环 系统 和换热 器测量 系统 2部 分：前 者主要为换热器测量提供制冷回路和进出口状态，如图 4所示；后者 则 负 责 测试 换 热 器 空气 侧 参 数，如图 5所示。卤 调 节 阈 南热 力 膨 胀 阈 电 磁 阈(D 温 度 传 感 器 0压 力 传 感 器 图 4 两器试验台制冷循 环系统 为减少 制冷 剂 中含 油对 换热器 性能 的影响，制 冷循环系统在压缩机出 口设置 了油分离器。同时 为防止压缩机液击，在压缩机吸气 口前布置了气液 分离器。从压缩机 出来 的制冷剂蒸气经油分离器 和加热 器后进 入冷 凝器测 试 间。在冷 凝器 冷凝后，制冷剂液体经流量计进入膨胀阀，然后进入蒸发器 测试间。从蒸发器 出来的过热蒸气经气液分离器 后流回压缩机。流程 中除了主 回路外还设计 了许 多旁通支路，这些支路的作用就是用于调节换热器 的进 口状 态 以满足 各种测 量工况。冷凝器和蒸发器测试系统 大致相同。整个换 热器测试台放置在测试问内，测试 间装有加热器、加湿器和冷却器，用 于调节测试 间(也就是换热器 空气 进 口)的温 度 和 湿 度。换 热 器测 试 台 主要 由4 维普资讯 http:/ 第 4期 张林颖等：三种 汽车空调冷凝 器性 能的试验 对比分析 图 5 两器试验台换热器测试系统 部分组 成：整流件、喷嘴流量计、空气旁通 门及风 机。风机主要产生换热器对流传热的动力；空气旁 通门的作用是在风机转速一定的条件下，通过调节 旁通 门的开度来 调节 换热 器 的风量；喷嘴流 量计 用 来测量空气的风量，为保证测量的稳定性，在换热 器出 口和流量计之间还有整流件，对流出换热器的 空气流场整流，以保证流场 的均匀。流经换热器的 空气压差通常采用微差压计或 U形管测量。在测 得冷凝器进出口空气 的干球温度和湿球温度后，就 可以根据空气状态方程计算进 出口比焓 h 和 h ，然后 由测得的空气质量流量 m疵，根据前述焓差法 计算 出冷凝器空气侧换热量：Q i =m i(h 3一h 4)(4)为研究 R1 3 4 a应用在 管片式、管带式 和平 行 流冷凝器 时空气侧性 能，笔者改变各种 不同片距(波距)和冷凝器进 口风速，通过试验测量制冷剂侧 进出口状态参数、空气侧 进 出口状态参数 和换 热 量。每次测量时，控 制冷凝器制冷剂进 口温度为 8 4 0，进 口压 力 为 1 6 6 0 k g c m ，过 冷 度 为 5；空气侧进 口温度为 3 5，湿度为 4 2，进 口 压力为当地大气压。测量范 围为进 口风速 3 0 5 5 1T I s，间隔为 0 5 1 T I s。3 试 验 结果分 析 3 1 最佳 结构 和最佳 匹配 风速 通过 试验数 据可 以看 出，肋距 和 风速 的改变 对 于冷凝器的各种性能参数都有着一定的影 响。随 着肋距的减小，换热面积增大，翅片数量增加，换热 量随之增大，但是增 幅愈来愈小，其变化规律近似 于椭圆弧线；制冷剂阻力随之增大，但是增幅愈来 愈小，其变化规律也近似 于椭圆弧线；风阻随之增 大，每一不同的设定风速对应的风阻变化相似，但 是随着风速的增加，风阻的增加幅度大于风速的增 加幅度，随着肋距 的增加，增幅愈来愈快。而风速 主要影 响风阻、换热量进而影响流阻，且 对传热系 数的影响也很大。由此综合各种因素考虑，选取使 3种冷凝器达到最好制冷效果的肋距为最佳肋距，与此肋距相匹配的风速为最佳风速。将 按照最佳 肋距制作 的冷凝器视为标 准结构。3种型式 的标 准结构冷凝器的试验结果如表 1 所示。从表 1可以看 出，较之管片式冷凝器单位换热 面积的换热量而言，管带式冷凝器提高了4 6 7 4，平流式冷凝器提高了 7 3 2 9；较之管片式冷凝器 的传热系数而言，管带式冷凝器提高了 4 8 1，平 流式冷凝器提高了 7 8；较之管片式冷凝器 的风 阻而言管带式冷凝器降低 了 1 5 6，平流式冷凝 器降低了 3 2 6 2。3 2 变工况条件下 的性能参数对比 为了便于比较和分析，将标准结构冷凝器的内 表 1 3种标准结构冷凝器的性能参数对 比表 部阻力、制冷剂进 出口温差、风阻和传热系数 随风 速 的变 化情况 绘 制 了对 比图，如 图 6 图 8所 示。维普资讯 http:/ 制冷与空调 第 7卷 迎面风速(m-S。)图 6 标准冷凝器制冷剂进出 口 温差随风速的变化，-N 暑 譬 1j 迎面风速(m、S。)图 7标准 冷凝 器风 阻随风速 的变化 迎 面风速(m S )图 8标准冷凝器传热系数 随风 速的变化 从 图中可 以看 出，平 流 式 冷凝 器 的 内部 阻力、制冷 剂 进出 口温 差 和风 阻 较 其他 2种 型 式 的冷 凝 器小很 多，而且 随着 迎 面 风 速 的增 大，其 增 长速 度 也较缓；管片式冷凝器的传热系数相对较小，随着 迎面 风速 的增大，其变 化并 不 明显。在不 考虑制 造 工艺的前提下，平流式冷凝器 的各方面性能最优，管带式冷凝器介于其他 2种冷凝器之间。3 3 3种冷 凝器 的优缺 点 比较 3种不同类型的冷凝器各有所长，在实际应用 中要根据具体情况作出选择，以期达到最优的运行 效果。假定换热量、迎风面积和冷却条件相同，将 其性能特点作一比较，见表 2。表 2 3种类 型冷凝器 的性能 比较 目前管片式冷凝器普遍应用于大、中型汽车空 调 制冷 系统 中，在轿 车空 调制冷 系统 中应 用越来越 少，偶尔有使用 的也是作蒸发器使用。与管片式冷 凝器相比较，管带式冷凝器普遍应用于 中、小型汽 车 空调制 冷 系统 中，尤其 在轿 车空调 制冷 系统 中应 用广泛。平流式冷凝器是在汽车空调工质 的替代 过程 中，在管带 式冷 凝器 的设计 基础 上产 生的另一 种新型高效紧凑式换热器，在轿车空调制冷系统中 有取代管带式冷凝器的趋势。3 4 对于风阻和换热系数经验公式的修正 为了验证所 引用的风阻和传热系数的经验公 式，笔者将公式计算值与试验值进行了对比，发现 对于 3种 不 同的冷凝 器来说，二 者之 间均存 在着一 定的误 差：管片式 冷 凝 器 单 位换 热 面 积换 热量、风 阻和换热系数的计算值与试验值分别相差7 4 3，2 5 2 和 一3 7 7 ；管 带式 冷 凝 器 单 位换 热 面 积 换热量、风阻和换热系数的计算值与试验值分别相 差 一8 9 8 ，一4 0 7 和 7 6 9 ；平流 式 冷凝 器 单 位换 热面积换热量、风阻和换热系数的计算值与试 验值分别相差 5 5 1，3 3 7 和 一4 6 9(单位面 积换热量这一数据很少在理论研究中见到，但是在 实际工作中应用很广泛)。出于更好地指导实践，减小 设计误 差 的 目的，笔 者 将 经验 公 式 进 行修 正，维普资讯 http:/ 第 4期 张林颖等：三种汽车空调冷凝器性能的试验对 比分析 以便应 用 于公 司类似 产 品的设计。3 4 1 管片式冷凝器经验公式的修正 在应用 于 产品设 计时，风阻 的公 式：=0 1 1 0 7(麦)()应 修 正 为 A p =0 1 1 4 9()()。换热系数 K 的公式：，1 F 蕊 应修正为 K=0 9 7 4 8 (r r+a r 1 F i+g F of+(r a+1)1。3 4 2管 带 式 冷 凝 器 在应 用于公 司产 品设计 时，风阻 的公 式：却=2 应修正为：3 6 9 2 4 加 F 2一 却 Pa ，m a x；换热系数 K按公式 N“：0 0 2 6 5 R e P r o l3 3。：a r D h 计算后 的值应乘以修正系数1 0 4 0 7。3 4 3 平行 流冷 凝器 在应用 于公 司产 品设计 时，风 阻 A p 的公式：却=2 应修正为 =l D 2 ；N“=0 0 26 5 O 8 。3=计算后的值应乘以修正系数0 9 6 6 3。近年来，将试验 研究 得 出的结论 广泛应 用 于岳 阳恒立冷气设备股份有限公司类似产品的开发 中，取得了较好的经济效益。使用新 的拟合计算公式 后，后备系数 由原来 的 3 0 降为 了 1 8。通过实 际应用的验证，该设计方法准确度很高，具有重要 的工程应用价值。4结论 1)通过制作不同肋距 的管片式、管带式和平 流式冷凝器各 5件，并利用美 国 T E S C OR公司设 计生产的两器(冷凝器和蒸发器)试验台，测得不同 风速下冷凝器进出口状态参数和换热量，由此计算 出各冷凝器的内部 阻力、进 出口温差、风阻和传热 系数，并将结果绘制成图表进行分析 比较。2)综合各种因素，确定冷凝器达到最佳制冷 效果 的肋 距 和与之 相 匹配 的风速：管 片式 冷凝器 的 最佳肋距是 2 2 1 T i n 2，与之相匹配的风速为4 0 m s；管带式冷凝器的最佳肋距是4 0 1 T in 2，与之相匹配的 风速 为 4 5 m s；平 流 式 冷 凝 器 的 最佳 肋 距 是 3 2 1 T i n 2，与之 相匹配 的风速 为 5 0 m s。3)将满足最佳肋距的 3种型式冷凝器的各种 参数进行变工况比较，由此得出 3种冷凝器的优缺 点 和适用 范 围。4)通过对 3种冷凝器变工况试验得出的数据 与经验公式的计算值进行对比，修正了传统的经验 公式，应用于类似结构产 品的设计开发，降低了后 备系数，取得了较好的经济效益。参 考 文 献 1 L i a n g S Y，Wo n g T N，N a t h a n G KNu me r i c a l a n d e xp e r i me n t s t ud i e s o f r e f r i g e r a n t c i r c ui t r y of e v a p or a t or c o i l s I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r i g e r a t i o n，2 0 01，2 4 (8)：5 9 5 6 0 3 2 Ma d i M A，J o h n s R A，H e i k a l M RP e r f o r ma n c e c h a r a c t e r i s t i c s c o r r e l a t i o n f o r r o u n d t u b e a n d p l a t e f i n n e d h e a t e x c h a n g e r s I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r i g e r a t i o n，1 9 9 8，2 7(7)：5 0 7 5 1 7 3 Wa n g C C，T a o W H，C h a n g C J A n i n v e s t i g a t i o n o f t h e a i r s i d e p e r for ma n c e o f t h e s l i t f i n a n d t u b e h e a t e x-c h a n g e r s I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r i g e r a t i o n，1 9 9 9，2 2(8)：5 9 5 6 0 3 4 陈林辉 管带式冷凝器 数学模型 与试验研究 西安：西安交通大学，2 0 0 4 5 C o r b e r a n J M，F e rna n d e z d e C o r d o b a P，O r t u n o S，e t a 1 De t a i l e d mo de l i n g o f e v a po r a t or s a nd c o n d e ns e r s E i g h t h I n t R e f r i g e r a t i o n Co n f e r e n c e US A：P u r d u e Uni v e r s i t y，2 00 0 6 C a v a l l i n i A，D e l Col D，D o r e t t i L，e t a 1 He a t t r a n s f e r a n d p r e s s u r e dr o p du r i n g c o n de n s a t i o n o f r e f r i g e r a t i o n i n s i d e h o r i z o n t a l e n h a n c e d t u b e s I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r i g e r a t i o n，2 00 0，23：4-2 5 7 L e e G H，Y oo J Y P e r f o rm a n c e a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n o f a u t o mo b i l e a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Re f r i g e r a t i o n，2 0 0 0，2 3(3)：3 3 6 3 4 2 8 Or t h L A，Z i e t l o w D C，P e d e r s e n C 0P r e d i c t i o n r e f r i ge r a nt i n v e nt o r y o f R一 1 3 4A i n a i r c o o l e d c o n d e ns e r s AS HARE Tr a n s1 99 52 3：1 36 7 1 37 4 维普资讯 http:/