張耘，張科，官郭沁，顧屹，戚東緯，陳江平?，李宴輝

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-上海加冷松芝汽車空調(diào)股份有限公司，上海 201108）

0 引言

汽車空調(diào)系統(tǒng)是整個汽車中重要的組成部分，綜合性能優(yōu)異的汽車空調(diào)系統(tǒng)不但可以提升駕乘的舒適感，還能大幅減少汽車的排放和能耗。這主要是由于在一般的汽車空調(diào)中，壓縮機(jī)直接由發(fā)動機(jī)帶動，空調(diào)的運(yùn)行會增加發(fā)動機(jī)的工作載荷，從而增加汽車的油耗。所以提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能是未來汽車發(fā)展的一個重要方向，尋找更合適高效的制冷劑就是一大突破口。

人們習(xí)慣用臭氧破壞指數(shù)（ODP）和溫室效應(yīng)指數(shù)（GWP）描述制冷劑的環(huán)境可接受性[1]。目前在汽車空調(diào)上廣泛使用的是HFC類制冷劑R134a[2]，其GWP值為1,420。2006年，歐盟通過了溫室氣體排放法案，規(guī)定從 2011年開始，所有新開發(fā)平臺的汽車空調(diào)系統(tǒng)中將不能再使用 GWP大于 150的制冷劑，并且從2017年1月1日起，在歐洲境內(nèi)生產(chǎn)和銷售的所有汽車，將禁止使用GWP大于150的制冷劑[3]。因此需要尋找一種可替代 R134a的新型汽車空調(diào)制冷劑。

目前可考慮的替代 R134a制冷劑主要為R1234yf[4]。R1234yf的物理性質(zhì)與R134a相近，將它應(yīng)用到汽車空調(diào)系統(tǒng)上時，不需要對現(xiàn)有的系統(tǒng)作較大的改動，其ODP為0、GWP為4，具備良好的環(huán)保性，能滿足歐盟的法案要求[5]。綜合來看，目前R1234yf對R134a具有良好的替代可行性。

中間換熱器（Internal Heat Exchanger，IHX）又稱回?zé)崞?。其主要作用是在制冷循環(huán)中將冷凝器出口的高溫高壓液體與蒸發(fā)器出口的低溫低壓蒸汽再進(jìn)行一次熱量交換，可以同時增大冷凝器出口過冷度與蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓值差，以達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的[6]。

用 R1234yf直接替代，系統(tǒng)性能稍差于原R134a系統(tǒng)，理論上加入IHX可以彌補(bǔ)此缺陷。然而實際測試時，加入IHX的直接替代系統(tǒng)換熱性能往往會下降[7]。因此設(shè)計符合R1234yf直接替代系統(tǒng)特性的IHX是系統(tǒng)優(yōu)化的重點。

目前，對于 R1234yf的基本物理研究，國內(nèi)外研究者已經(jīng)開展了大量工作，覆蓋了大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域[8]。國外研究者 TANAKA 等[9]和 NICOLA 等[10]最早開始對 R1234yf的物理性質(zhì)進(jìn)行實驗研究，得到了一些關(guān)于 R1234yf臨界壓力、臨界溫度、臨界密度以及一定范圍內(nèi)飽和壓力的實驗數(shù)據(jù)。PERKINS等[11]對R1234yf的導(dǎo)熱系數(shù)也進(jìn)行了實驗測定。

根據(jù)這些實驗數(shù)據(jù)，可以驗證幾個常用的物理性質(zhì)狀態(tài)方程對制冷劑的適用性比如 Peng-Robinson方程、Martin-Hou方程和Patel-Teja方程[12]等。LECK[13]選用了Martin-Hou方程來計算R1234yf的物理性質(zhì)，并分析了在典型工況時的理論制冷循環(huán)性能。BROWN等[14]選用Peng-Robinson方程計算R1234yf的物理性質(zhì)。AKASAKA等[15]采用的是Patel-Teja方程和它的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)方程（ECS）來計算R1234yf的物理性質(zhì)，得到R1234yf的壓焓圖和溫熵圖。

現(xiàn)有的對 IHX的研究主要集中在 CO2跨臨界循環(huán)上。KIM等[16]分析了CO2系統(tǒng)中IHX的換熱性能，認(rèn)為管長、管數(shù)、質(zhì)量流量、運(yùn)行工況和結(jié)構(gòu)形式是影響性能的主要因素。KWO等[17]在同樣的實驗條件下發(fā)現(xiàn)，回?zé)崞鞲邷貍?cè)的壓降小于低溫側(cè)。BOEWE等[18]提出一種新型微通道回?zé)崞?，可以在?jié)省50%材料的同時提高10%的效率。鄧建強(qiáng)等[19]未采用傳統(tǒng)的套管式和微通道管式回?zé)崞?，而是提出了新型的板翅式結(jié)構(gòu) IHX并分析了其安全性。

目前很多公司的專利中有新型IHX結(jié)構(gòu)，其中德國Behr公司[20]和日本 Denso公司[21-22]提出了幾種新型IHX的結(jié)構(gòu)形式。

R1234yf作為車用空調(diào)R134a的主要替代環(huán)保制冷劑，可直接灌注替代原有車用空調(diào)中的 R134a[23]。若直接將R1234yf灌注于R134a系統(tǒng)中則會造成一定程度的系統(tǒng)性能下降。目前國內(nèi)外研究者已經(jīng)進(jìn)行了一系列實驗。

LEE等[24]做了直接替代的臺架實驗，發(fā)現(xiàn)在夏季和冬季工況時的性能系數(shù)（COP）比原系統(tǒng)降低了 0.8%～2.7%，制冷量比原系統(tǒng)降低了 4%，排氣溫度低 6.4 ℃～6.7 ℃。JARALL[25]對直接替代做了理論分析和直接替代實驗，理論分析的結(jié)論是COP與原系統(tǒng)接近，制冷量比原系統(tǒng)下降 5%，排氣溫度比原系統(tǒng)低6 ℃。直接替代實驗的結(jié)果是制冷量比原系統(tǒng)降低 3.4%～13.7%，COP比原系統(tǒng)下降0.35%～11.88%，排氣溫度比原系統(tǒng)下降6 ℃～15 ℃。

根據(jù)以上研究可以得出，引入 IHX是優(yōu)化R1234yf汽車空調(diào)系統(tǒng)綜合性能的一個有效手段。而不同型號參數(shù)的回?zé)崞鲗1234yf系統(tǒng)的綜合影響好壞不一。CHO等[26]的實驗結(jié)果表明，采用了IHX的 R1234yf系統(tǒng)的 COP比 R134a系統(tǒng)低1.8%～2.9%，而同樣實驗條件下，不加 IHX的R1234yf系統(tǒng)的COP比R134a系統(tǒng)要低4.5%～7%。MATHUR[27]在 R1234yf系統(tǒng)中加入了一種螺旋槽結(jié)構(gòu)的中間換熱器，COP提高 8%～9%。因此本文設(shè)計并優(yōu)化符合R1234yf直接替代系統(tǒng)特性的IHX，以達(dá)到提升系統(tǒng)綜合制冷性能的目的。

1 IHX原理分析與影響參數(shù)

1.1 IHX的原理作用分析

在制冷循環(huán)中，IHX的主要作用是將冷凝器出口的高溫高壓液體與蒸發(fā)器出口的低溫低壓蒸汽進(jìn)行再一次熱量交換。既可以增大冷凝器出口過冷度，又能增大蒸發(fā)器進(jìn)出口的焓值差，以達(dá)到改善系統(tǒng)性能的目的。此外，引入IHX會導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣過程的過熱度顯著增加，使壓縮機(jī)排氣溫度上升[28]。

圖1中，循環(huán)1-2-3-4是無IHX系統(tǒng)的理論制冷循環(huán)，循環(huán)中的蒸發(fā)器和冷凝器中壓降為 0，但冷凝器出口的過冷度和蒸發(fā)器出口的過熱度都很有限。循環(huán)1’-2’-3’-4’是引入了IHX系統(tǒng)的理論制冷循環(huán)。3’-3代表了IHX提供的過冷度所致的焓增，這部分焓增能夠增加相同質(zhì)流量下的制冷量。因此，吸氣處蒸汽的焓也上升了 h1’-h1=h3’-h3的量。這部分吸氣處增加的熱量會提升壓縮機(jī)進(jìn)口處的溫度。此外，IHX內(nèi)的壓降會導(dǎo)致吸入蒸汽的密度和壓力下降，進(jìn)而導(dǎo)致制冷劑質(zhì)流量、制冷量、冷凝器壓力和壓縮機(jī)扭矩下降[29]。

圖1 有無IHX 系統(tǒng)的制冷循環(huán)

1.2 IHX部件參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

同軸管式IHX的主要尺寸參數(shù)有長度、外徑、內(nèi)徑、外管半徑、通道（肋片）數(shù)。圖2為典型同軸管IHX截面圖。同軸管式IHX由內(nèi)外管構(gòu)成。一般而言，同軸管式IHX多為對流式換熱器，即內(nèi)外管中流體流動方向相反。兩相分布有兩種，內(nèi)液外氣較為常見——內(nèi)管流通面積大，通低溫流體；外管通高溫流體，與內(nèi)管流向相反。外管道被肋片分為多個通道，其目的是促進(jìn)湍流產(chǎn)生，提高換熱效率。通道數(shù)常取值3至8。肋片這一設(shè)計同時也減少了熱量從高溫發(fā)動機(jī)艙向吸入管路中制冷劑的傳遞。

圖2 典型同軸管IHX 截面圖（HP高壓側(cè)；LP低壓側(cè)）

根據(jù)以上分析可以看出，在模擬汽車運(yùn)行工況時：

1）外管分多個通道能夠加強(qiáng)內(nèi)外管間的熱傳遞，且在一定范圍內(nèi)，通道數(shù)越多，熱傳遞效果越好；但當(dāng)通道數(shù)大于6時，對熱傳遞的影響已經(jīng)不再明顯；

2）熱傳遞能力在IHX長度900 mm左右達(dá)到飽和點；當(dāng)IHX長度不大于600 mm時，傳熱效率會隨著IHX的長度增加而持續(xù)地增長；當(dāng)IHX的長度超過600 mm，再增加其長度所帶來的收益會有所下降；

3）由于汽車內(nèi)安裝空間有限，且具體安裝環(huán)境較為復(fù)雜，IHX不可避免地會存在彎曲的部分，在選擇IHX時，應(yīng)充分結(jié)合實際環(huán)境進(jìn)行合理的外形匹配，在保證系統(tǒng)性能的同時，兼顧安裝等實際問題；此外，同軸管的彎曲半徑應(yīng)不小于50 mm，以保證內(nèi)外管不發(fā)生失圓現(xiàn)象，使彎曲部分的壓降與直管部分類似。本文著重研究IHX的不同長度、不同肋片數(shù)量、不同加工方式以及不同的氣液兩相分配帶來的性能影響。

2 R1234yf系統(tǒng)中IHX部件開發(fā)

2.1 IHX單體性能仿真平臺

在EES軟件中編程建立仿真計算界面式模型。計算從蒸發(fā)器出口狀態(tài)開始，到閥后狀態(tài)結(jié)束。首先輸入蒸發(fā)溫度，結(jié)合蒸發(fā)器出口的干度假設(shè)值和制冷劑物理性質(zhì)計算蒸發(fā)器出口的壓力、焓值和熵值；根據(jù)冷凝溫度的輸入值計算冷凝壓力，利用理想狀態(tài)下壓縮機(jī)的等熵過程計算得到壓縮機(jī)排氣口的焓值，再利用等熵效率計算得到實際的壓縮機(jī)排氣口焓值，繼而得到壓縮機(jī)的排氣溫度和單位耗功。之后，根據(jù)節(jié)流等焓方程、IHX中的能量守恒方程等基本原理，以IHX幾何參數(shù)等作為邊界條件，可求解出 IHX高低壓側(cè)出口狀態(tài)，進(jìn)而求得 IHX單位換熱量和單位制冷量，完成整個求解過程；最終用以仿真R1234yf汽車空調(diào)系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)類型的IHX的換熱性能。

2.2 系統(tǒng)性能仿真

本文主要使用KULI軟件搭建系統(tǒng)仿真平臺，通過ESS軟件完成IHX單體參數(shù)的調(diào)整與計算后，將結(jié)果參數(shù)設(shè)置在IHX的KULI仿真模型中，之后在R1234yf系統(tǒng)仿真模型中對系統(tǒng)優(yōu)化效果進(jìn)行測試。

KULI仿真系統(tǒng)中主要包括制冷劑側(cè)的內(nèi)循環(huán)和空氣側(cè)的外循環(huán)兩個回路。系統(tǒng)各部件參數(shù)按照實際實驗中所用的部件參數(shù)設(shè)置。將各部件按照蒸發(fā)器（EVP）、氣液分離器（STO）、IHX 低壓側(cè)（ACPFC）、壓縮機(jī)（COM）、冷凝器（CND）、IHX高壓側(cè)（ACPFC）、膨脹閥（EXV）的順序進(jìn)行連接，搭建形成制冷劑側(cè)內(nèi)循環(huán)，如圖3所示。

圖3 R1234yf系統(tǒng)KULI仿真模型空氣側(cè)循環(huán)

2.3 IHX實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比

在使用仿真系統(tǒng)研究 IHX結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能影響之前，首先要保證仿真軟件的可靠性。因此在完成R1234yf系統(tǒng)的KULI仿真計算模型搭建之后，將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比與校正。

R1234yf系統(tǒng)回?zé)崞鲉误w實驗于汽車空調(diào)綜合性能實驗臺上完成。該實驗系統(tǒng)主要包含了室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個房間，各環(huán)境室內(nèi)均有獨(dú)立控制工作的環(huán)境控制設(shè)備（包含有制冷機(jī)組、加熱和加濕設(shè)備）。環(huán)境室內(nèi)的參數(shù)可控，各項熱力學(xué)參數(shù)均可由配套的實驗儀器測出。圖4為汽車空調(diào)綜合性能實驗臺。

圖4 汽車空調(diào)綜合性能試驗臺

實驗使用的系統(tǒng)部件主要為車用微通道蒸發(fā)器、車用平行流微通道冷凝器、電子膨脹閥和車用渦旋式壓縮機(jī)。相應(yīng)實驗結(jié)果可通過標(biāo)準(zhǔn)焓差臺測定得出。實驗所采用的系統(tǒng)部件參數(shù)如表1。

表1 R1234yf系統(tǒng)主要部件參數(shù)

本文將 IHX單體性能的實驗研究結(jié)果作為參照，將實驗工況作為仿真系統(tǒng)工況輸入，分析仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。表2為實驗工況，同時也作為仿真工況輸入。

表2 實驗工況表

2.4 IHX各參數(shù)的優(yōu)化

依據(jù)上述的實驗工況進(jìn)行測試，并將實驗測得的R1234yf系統(tǒng)的制冷量和COP與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。仿真計算所得結(jié)果如圖6所示，制冷量和COP的仿真值都與實驗結(jié)果的變化趨勢相吻合。就制冷量而言，工況1時的仿真值和實驗值最為接近，相差1.9%，工況3時的仿真值和實驗值偏差最大，相差9.8%；COP也呈現(xiàn)相似趨勢，工況1時的仿真值比實驗值僅相差2.0%，工況3時則相差14%。隨著系統(tǒng)低壓下降，過熱度增加，制冷劑流量變大，仿真模型計算結(jié)果偏差變大，但是最大偏差能夠控制15%以下，故仿真模型在實驗工況范圍內(nèi)可靠性良好。

確保了仿真系統(tǒng)可靠性后，本文通過仿真系統(tǒng)探究IHX的各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響。

圖6 實驗工況時的仿真結(jié)果與實驗值對比圖

2.4.1 肋片數(shù)量對換熱性能的影響

在液體側(cè)入口溫度50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側(cè)入口溫度15 ℃、壓力350 kPa，質(zhì)量流量設(shè)為106 kg/h時，通過對IHX換熱量與肋片數(shù)的仿真結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：

1）兩相分布不同的兩種IHX的換熱量，均會隨著肋片數(shù)量增加而上升；

2）IHX采用液內(nèi)氣外（液體在內(nèi)管、氣體在外管）分布方式時，對肋片數(shù)量變化的響應(yīng)比采用液外氣內(nèi)分布方式時更為劇烈；

3）當(dāng)肋片數(shù)為3時，液外氣內(nèi)（液體在外管、氣體在內(nèi)管）分布方式的IHX換熱性能更好，而液內(nèi)氣外分布方式受肋片數(shù)影響更明顯，適用于多肋片結(jié)構(gòu)的IHX；

4）從圖7可以看出，液外氣內(nèi)分布方式的換熱量呈線性增長，因此再增加肋片數(shù)還存在提升換熱量的可能，而液內(nèi)氣外分布方式的增長速度有一個明顯的下降，再增加肋片數(shù)量對換熱量提升的貢獻(xiàn)并不大甚至可能會有反作用，這說明肋片數(shù)并不是越多越好，對于特定IHX的肋片數(shù)存在最適值。

圖7 IHX換熱量與肋片數(shù)關(guān)系的仿真結(jié)果

2.4.2 管長對換熱性能的影響

在液體側(cè)入口溫度 50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側(cè)入口溫度15 ℃、壓力350kPa，質(zhì)量流量設(shè)為106 kg/h時，通過對IHX換熱量與其長度的仿真結(jié)果（圖8）分析可得出以下結(jié)論：

1）隨著 IHX長度的增加，兩種結(jié)構(gòu)IHX的換熱量均有增加，并且呈現(xiàn)線性趨勢，增長速度無明顯衰減；

2）液外氣內(nèi)結(jié)構(gòu)的換熱量平均增加55.6%；液內(nèi)氣外結(jié)構(gòu)的換熱量平均增加58.8%。因此采用液內(nèi)氣外結(jié)構(gòu)的IHX換熱性能略優(yōu)于液外氣內(nèi)結(jié)構(gòu)。

2.4.3 兩相分布對換熱性能的影響

在液體側(cè)入口溫度50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側(cè)入口溫度15 ℃、壓力350 kPa，質(zhì)量流量設(shè)定在75 kg/h至110 kg/h時，通過對IHX換熱量與其兩相分布形式的仿真結(jié)果（圖9）分析可得出以下結(jié)論：

1）采用液外氣內(nèi)結(jié)構(gòu)分布方式的IHX兩相分布的換熱量優(yōu)于液內(nèi)氣外結(jié)構(gòu)；

2）在體積比相同的情況下，采用液內(nèi)氣外分布的IHX有更大的換熱面積；而采用液內(nèi)氣外分布的IHX受肋片數(shù)的影響并不明顯。

利用田口方法分析直肋片式IHX各參數(shù)對其換熱性能的影響效果，可以得到以下結(jié)論：分配方式、肋片數(shù)量和IHX長度對直肋片式IHX換熱性能的影響程度依次增大；且有最優(yōu)組合，即管長為600 mm，肋片數(shù)為6，采取液外氣內(nèi)分配方式。

圖8 I HX換熱量與其長度關(guān)系的仿真結(jié)果

圖9 I HX換熱量與其兩相分布的仿真結(jié)果

2.5 R1234yf的系統(tǒng)性能優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)最終設(shè)計方案，求出最優(yōu)參數(shù)組合的IHX的效率，并作為部件參數(shù)設(shè)置在IHX的KULI仿真模型中，在R1234yf系統(tǒng)仿真模型中對系統(tǒng)優(yōu)化效果進(jìn)行測試，結(jié)果如圖10和圖11所示。經(jīng)過IHX結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的R1234yf系統(tǒng)（R1234yf+ IHX）的制冷量比同工況R1234yf直接替代系統(tǒng)（R1234yf）提升15.7%，COP提升10.0%；與R134a系統(tǒng)（R134a）相比，制冷量提升 3.2%，COP提升2.7%。

圖10 IHX結(jié)構(gòu)優(yōu)化與系統(tǒng)優(yōu)化前后系統(tǒng)的制冷量

3 結(jié)論

在R1234yf系統(tǒng)加入IHX能有效提升系統(tǒng)的制冷量與COP。分析直肋片式IHX各結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響后發(fā)現(xiàn)，分配方式、肋片數(shù)量和IHX長度對直肋片式IHX換熱性能的影響程度依次增大，當(dāng)IHX參數(shù)管長為600 mm、肋片數(shù)為6、分配方式采取液外氣內(nèi)時，IHX的性能達(dá)到最優(yōu)。

經(jīng)過IHX結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的R1234yf系統(tǒng)的制冷量比同工況R1234yf直接替代系統(tǒng)提升15.7%，COP提升10.0%；與R134a系統(tǒng)相比，制冷量提升3.2%，COP提升2.7%。