方金湘, 李 徽, 萬周政

(1. 岳陽職業(yè)技術學院 機電工程系, 湖南 岳陽 414000; 2. 湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

汽車空調(diào)管帶式蒸發(fā)器模型參數(shù)數(shù)值模擬分析

方金湘1, 李 徽2, 萬周政1

(1. 岳陽職業(yè)技術學院 機電工程系, 湖南 岳陽 414000; 2. 湖南理工學院 機械工程學院, 湖南 岳陽 414006)

在濕工況下對管帶式蒸發(fā)器進行了制冷劑側(cè)和空氣側(cè)性能實驗, 還利用模型進行了管帶式蒸發(fā)器性能的研究.制冷劑側(cè)的研究表明: 管帶式蒸發(fā)器管內(nèi)參數(shù)分布極不均勻, 采用傳統(tǒng)的集中參數(shù)模型計算很不合理. 空氣側(cè)通過研究百葉窗角度對換熱和壓降的影響, 改進了原有的翅片結(jié)構(gòu). 相比原翅片, 改進后的翅片空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高在21%以上,但壓降僅增大不到4.5%. 該模型不僅合理可靠, 而且具有較高的準確度. 研究結(jié)果對汽車空調(diào)廠商在設計同類型產(chǎn)品時具有一定參考價值.

蒸發(fā)器模型; 模擬分析; 分布參數(shù); 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

引言

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展, 汽車空調(diào)也隨之迅速發(fā)展. 雖然汽車空調(diào)制冷原理的形成和制冷空調(diào)裝置的產(chǎn)生已經(jīng)有相當長的歷史, 但是真正基于計算機平臺的制冷空調(diào)模擬計算技術的研究始于20世紀70年代末, 80年代初. 在至今長達30多年的制冷空調(diào)模擬計算研究中, 人們主要的研究內(nèi)容集中在以下幾個方面:

1) 對系統(tǒng)中傳熱和流動機理的理論和實驗研究;

2) 研究部件特性, 建立部件準確易解的數(shù)學模型, 為部件優(yōu)化及建立部件和系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型打下堅實的基礎;

3) 從系統(tǒng)特性的研究角度出發(fā), 對部件模型作合理簡化.

在整個制冷系統(tǒng)中, 換熱器是至關重要的部件, 直接影響到系統(tǒng)的效率和成本. 因此, 對制冷系統(tǒng)模型的研究也主要集中在換熱器模型的研究上.

國內(nèi)已有管帶式冷凝器數(shù)學模型的試驗研究[1], 因此本文介紹了R407C蒸發(fā)器數(shù)學模型[4,1]的性能實驗研究, 選擇了適用的計算關聯(lián)式并對其預測值進行實驗對比. 為進一步的系統(tǒng)模擬優(yōu)化, 并對新型的換熱器進行研究與開發(fā)具有實際的指導意義.

1 管帶式蒸發(fā)器的研究

汽車空調(diào)管帶式蒸發(fā)器在結(jié)構(gòu)上, 與普通管翅式蒸發(fā)器相比有著很大的差別. 管帶式蒸發(fā)器受安裝空間和重量的限制, 結(jié)構(gòu)比較緊湊, 它的管子是由一條連續(xù)的鋁合金材料擠壓成多孔通道的橢圓扁管, 然后將其機械彎曲成等間距的蛇行管, 同時把經(jīng)沖壓開縫的帶狀鋁箔加工成鋁帶后放在蛇行管中. 因此, 實際應用中不可能照搬管翅式蒸發(fā)器的模擬計算方法, 需要為它建立新的數(shù)學模型.

管帶式蒸發(fā)器是多孔扁管換熱器, 當扁管寬度不變時, 孔數(shù)的改變, 直接影響制冷劑側(cè)的水力直徑這一重要的參數(shù), 進而影響換熱器的性能, 所以孔數(shù)的選擇對換熱器性能有重要的影響. 近年來, 又出現(xiàn)了帶內(nèi)肋的管帶式蒸發(fā)器. 研究表明: 內(nèi)肋強化表面既增加了換熱面積, 又增強了換熱系數(shù), 可同時也增加了制冷劑側(cè)的流動阻力. 空氣側(cè)普遍采用波紋百葉窗翅片形式的管帶式蒸發(fā)器, 它的百葉窗翅片是很薄的鋁片, 先等距離沖出百葉窗形窄條, 再扭轉(zhuǎn)一定的角度, 通常采用兩組相對扭轉(zhuǎn). 百葉窗翅片使空氣偏離了原有流動方向, 而與百葉窗平面方向一致, 從而增加了氣流的擾動, 增強了換熱. 百葉窗翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣側(cè)性能影響的研究非常復雜, 光依靠試驗來研究代價顯然是很大的, 利用數(shù)值模擬方法來進行性能優(yōu)化計算是個很好的選擇.

管帶式蒸發(fā)器相關的制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的流動、傳熱和傳質(zhì)機理的試驗和理論研究都為管帶式蒸發(fā)器的數(shù)值模擬奠定了良好的基礎. Chang等人[2]在管帶式蒸發(fā)器試驗研究的基礎上, 通過引入面積比(area ratio)因子, 得到了形式較為簡單的j、f因子的計算關聯(lián)式. 和試驗數(shù)據(jù)相比, 換熱系數(shù)和壓降的關聯(lián)式預測值有85%的誤差在%10±之內(nèi).

1999年, 韓國Y.J.Chang等人[2]又提出了一個廣泛適用于各種形式百葉窗翅片的f因子關聯(lián)式, 該關聯(lián)式是三個因子的乘積, 形式比較復雜, 平均誤差為9.21%.

2 管帶式蒸發(fā)器數(shù)學模型驗證

2.1 實驗系統(tǒng)裝置

管帶式蒸發(fā)器數(shù)學模型實驗驗證是在美國TESCOR公司設計生產(chǎn)的兩器(冷凝器和蒸發(fā)器)試驗臺上進行的, 地點: 湖南岳陽恒立冷氣設備股份有限公司中心試驗室.

系統(tǒng)裝置如圖1所示.

圖1 兩器試驗臺制冷循環(huán)系統(tǒng)圖

此實驗系統(tǒng)不但適合汽車空調(diào)制冷系統(tǒng), 而且適合空調(diào)制熱系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)的試驗研究.

測試精度為: 溫度0.02K, 絕對壓力1%, 壓差0.1%, 制冷劑質(zhì)量流速0.3%. 測試蒸發(fā)器外形如圖2.

為了驗證所提出的管帶式蒸發(fā)器數(shù)學模型的合理性, 需要做蒸發(fā)器變風量和變制冷劑流量的性能試驗, 以便根據(jù)所取得的實驗數(shù)據(jù), 與模擬結(jié)果進行比較, 從而改進模型.

圖2 管帶式蒸發(fā)器

試驗用蒸發(fā)器為管帶式18微通道口琴管, 百葉窗翅片, 材料為鋁質(zhì). 該管帶式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)蛇形盤管長2685.15mm, 高186 mm; 扁管深FD=91 mm, 直徑DM=5.5 mm, 微通道高HC=4.3 mm, 寬WC=4.55 mm; 翅片長FL=16.0 mm, 翅片間距FP=2.0 mm, 翅片厚FT=0.15 mm;百葉窗孔長LL=13.0 mm, 間距LP=2.0 mm, 片數(shù)為32.

2.2 數(shù)學模型的驗證

蒸發(fā)器數(shù)學模型的建立詳見文獻[1].

在數(shù)學模型中選擇Chang(1999)j因子關聯(lián)式給出了空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和換熱量的預測方法. Chang提出的2個關聯(lián)式可以適應大范圍ReLP的計算, 他們的ReLP實驗驗證范圍在100～2000之間. 考慮到Chang(工程)關聯(lián)式中不包含翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù), 不便于換熱器優(yōu)化設計, 所以選擇Chang(1999)j因子關聯(lián)式來計算空氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù). 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)重新擬和了f因子關聯(lián)式.擬和關聯(lián)式的預測偏差最大為11.2%.

模型的預測值與實測值的比較見表1, 2及圖3.

表1 換熱量預測值與實驗值比較

表2 風阻和出風干球溫度的預測值與實驗值比較

圖3 換熱量預測值與實測值比較

由表1和表2, 圖3可知, 蒸發(fā)器參數(shù)數(shù)學模型在迎面風速1.49～3.22m/s、制冷劑質(zhì)量流速是1.42～2.61kg／min的變化范圍內(nèi),與實驗值相比, 換熱量計算誤差在9%以內(nèi),空氣側(cè)的風阻預測誤差在11.17%以內(nèi).

3 蒸發(fā)器的性能分析

3.1 制冷劑側(cè)的性能分析

計算工況為: 制冷劑質(zhì)量流量2.66kg/min, 膨脹閥進口壓力17.70kgf/cm2,溫度56.52℃, 膨脹閥出口壓力3.27 kgf/cm2;空氣側(cè)送風量418.88m3/h, 進口干球溫度27.03℃, 濕球溫度19.69℃.

從圖4可看出, 進入蒸發(fā)器的制冷劑干度為0.4, 大約在蒸發(fā)器長度等于2.6m處, 制冷劑由兩相區(qū)進入過熱區(qū). 圖中干度等于1.0表示處于過熱區(qū).

圖5表明, 管內(nèi)壓降主要集中在兩相區(qū), 過熱區(qū)壓降相對較小. 總的壓降可達到約26kPa, 大于家用空調(diào)翅片管式蒸發(fā)器的壓降. 這是因為管帶式蒸發(fā)器的微通道具有較小的水力直徑, 023B管帶式蒸發(fā)器的水力直徑不過才2.41mm, 而家用空調(diào)常用的圓管內(nèi)徑卻至少是9.0 mm.

圖4 干度沿蒸發(fā)器長度的變化

圖5 制冷劑壓力隨蒸發(fā)器長度的變化

3.2 空氣側(cè)的性能分析

表3～5給出了不同迎面風速下, 管帶式蒸發(fā)器風阻(mmH2O)、換熱量(W)、顯式表面系數(shù)(W/(m2·K))和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))受百葉窗角度影響的情況, 其中30°是023B的實際百葉窗角度值. 從表中可以發(fā)現(xiàn):

① 百葉窗角度對風阻的影響與對表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響相同, 均隨角度的增大而增大; 并且風速越大, 影響就越大.

② 在低風速時, 百葉窗角度對換熱的影響不明顯, 不同角度的換熱量相差僅為幾十瓦. 隨著風速的增大, 這種影響變得十分顯著. 風速為3.22m/s時, 20°的換熱量比30°減小高達1214W.這是因為風速越大, 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)受角度的影響就越大. 三種風速下, 百葉窗角度為30°和35°時的換熱量均相差不大.

③ 百葉窗角度對顯式表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響不大. 這表明, 干工況下的換熱性能受百葉窗翅片角度影響不明顯.

根據(jù)上面關于百葉窗角度對換熱影響的分析結(jié)果, 選取間距LP＝1.5mm, 角度LA＝35°的新翅片. 對新翅片計算后, 不同風速下的新翅片和原翅片的性能比較見表6.

表3 迎面風速為1.49m/s

表4 迎面風速為2.05m/s

表5 迎面風速為3.22m/s

表6 新翅片與023B原翅片性能比較

由表6可見, 與管帶式蒸發(fā)器023B(LP＝2mm, LA＝30°)相比, 三種風速下新翅片的換熱量均有所提高, 其中風速為2.05m/s的換熱量比原翅片提高3.13%. 新翅片的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)除了在3.22m/s增大較小外, 其它兩個風速下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的提高幅度都在21%以上, 但新翅片的風阻相比原翅片僅增大不到4.5%.

4 結(jié)論

本文利用建立的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型, 開展了管帶式蒸發(fā)器性能的研究, 并對比實測值和預測值來驗證模型; 對023B管帶式蒸發(fā)器濕工況下空氣側(cè)性能進行了研究, 結(jié)果表明管帶式蒸發(fā)器分布參數(shù)數(shù)學模型不僅合理可靠, 而且具有較高的準確度, 可以滿足同類型蒸發(fā)器的產(chǎn)品設計和改進的需要, 為進一步的系統(tǒng)模擬做準備, 為汽車空調(diào)廠商在設計同類型產(chǎn)品時, 提供了更多指導性的建議.

[1] 陳林輝. 管帶式冷凝器數(shù)學模型與實驗研究[D]. 西安: 西安交通大學碩士學位論文, 2003

[2] Y.J.Chang and C.C.Wang.A generalized heat transfer correlation for louver fin geometry[J]. Int.J. Heat Mass Transfer, 1997, 40(3): 533～544

[3] Man-Hoe Kim, Clark W. Bullard.Air-Side Thermal Performance of Micro-Channel Heat Exchangers Under Dehumidifying Conditions[A]. Eighth Int. Refrigeration Conference, Purdue University, USA, 2000: 119～126

[4] 劉 洋, 王 芳, 杜世春. R407C空調(diào)器系統(tǒng)及換熱器的研究進展[J]. 流體機械, 2006, 9

[5] 姚平經(jīng), 鄭軒榮. 換熱器系統(tǒng)的模擬、優(yōu)化與綜合[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 1992

Simulation Analysis on Distributed Parameter of Serpentine Evaporator in Automobile Air-conditioner With Mathematical Model

FANG Jin-xiang1, LI Hui2, WAN Zhou-zheng1
(1.YueYang Vocational Technical College, Yueyang 414000, China; 2. College of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414000, China)

A new distributed parameter model of control volume scheme has been developed for different phase regions of the in-tube refrigerant flow, and the mathematical model was tested under changeable air flow rate in wet condition on refrigerant-side and air-side. Finally the model was used to analyze the performance of serpentine evaporator. The research on refrigerant-side shows that the parameters, including coefficient of heat transfer, temperature and pressure, change strongly in flow direction in non-uniform condition. By analyzing the effect of louver and angle on air-side heat transfer and pressure drop, a new type of louver fin is designed with an approximately 21% increase in heat transfer coefficient and only 4.5% increase in pressure drop compared with the present louver fin. It testifies that the model is not only reasonable and reliable, but also upper veracity.

serpentine evaporator model; simulation analysis; distributed parameter model; heat transfer coefficient

U464.138

A

1672-5298(2012)02-0060-04

2012-03-19

方金湘(1964- ), 女, 湖南臨湘人, 岳陽職業(yè)技術學院機電工程系高級工程師, 副教授. 主要研究方向: 汽車檢測與維修