汽车空调平流式冷凝器性能仿真分析

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1、汽车空调平流式冷凝器性能仿真分析张凯;王东;杨志刚;陈辉【摘 要】为分析汽车空调平流式冷凝器的换热、流动性能,假设制冷剂沿管长方向 做一维流动,空气侧流动视为零维流动,忽略制冷剂加速压降,对制冷剂两相区采用均 相模型使用AMESim建立平流式冷凝器仿真模型，并通过与试验对比验证模型的准 确性.改变冷凝器结构参数,分析对冷凝器的性能影响,发现合理的制冷剂回路流程布 置可以改善平流式冷凝器性能；增加流程数可以增加换热量,但是压降也会增大； 制冷剂侧总横截面积相等时,微通道数目增加,换热量增加；空气速度较小时,减小翅 片间距可以增加换热量.期刊名称】计算机辅助工程年(卷),期】2011(020)00

2、3【总页数】6页(P68-72,76) 【关键词】 汽车空调;平流式冷凝器;制冷剂回路流程布置;横截面积;翅片间距;AMESim【作 者】 张凯;王东;杨志刚;陈辉【作者单位】 同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海 201804;同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海 201804;同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海201804;同济大学上海地面交通工具风洞中心,上海 201804【正文语种】 中 文【中图分类】U463;TB115.1 在汽车空调制冷系统中，来自压缩机的高温高压气体进入冷凝器，经冷凝器冷凝散 热转变为中温高压液体，冷凝器在汽车空调制冷系统中的冷凝散热作用保证制冷循 环的

3、顺利进行平流式冷凝器结构紧凑，相同尺寸下的换热效果优于管片式、管带 式冷凝器，已经普遍应用于乘用车制冷系统对汽车空调的研究有试验和仿真 2 种方法，其中，对汽车空调换热器稳态仿真建 模方法大致有集中参数建模1、分布参数建模2-4和分区建模5-6集 中参数建模准确度较差，已被后 2 种方法取代随着仿真分析快速、准确的需要， 传统的建模仿真缺陷逐渐显现:对汽车空调的仿真研究大多需要建立物理和数学模 型，利用编程软件编制复杂程序，该方法费时、费力，且计算结果与试验对比精度 不一定高随着计算机技术的发展和成熟的商业化热流体仿真软件的出现，对空调 系统的仿真进入新阶段比较成熟的一维流体仿真软件如 Flo

4、wmaster 和AMESim等开始在汽车空调仿真中得到广泛应用本文基于AMESim对汽车空调 平流式冷凝器的换热、流动性能进行分析(1) 忽略管内制冷剂周向导热，制冷剂流动为沿管长方向的一维流动;(2)制冷剂在任 一通流截面上，气、液两相工质均匀混合，流体温度相等，两相之间无相对滑 移;(3)不考虑制冷剂侧的加速压降，忽略重力对换热和压降的影响;(4)不考虑空气侧 通过冷凝器的压降，空气侧速度均匀分布，空气流动视为零维流动. 在平流式冷凝器的仿真研究中，对制冷剂侧及空气侧换热与阻力计算是仿真的关 键在查阅大量文献的基础上，结合已有的研究经验和结论，采用以下试验关联式7-9.1.2.1制冷剂侧

5、压降和换热系数1.2.1.1单相区制冷剂单相区摩擦阻力因数选用 Churchill 试验关联式式中:f为摩擦阻力因数;Re为制冷剂侧雷诺数疋为管道绝对粗糙度，mm;D为管道直径，mm.单相区换热系数选用Gnielinski关联式式中:h为单相区传热系数，W/(m2K);Pr为制冷剂侧普朗特准则数；Dh为扁管水力 直径，m;入为制冷剂导热系数，W/(mK).1.2.1.1 两相区由于采用均相模型，两相区的流体热物性采用气、液平均参数.计算两相区摩擦阻力系数时用到的动力黏度选用MSC Adams关联式式中为两相区动力黏度，Pas;pv和pl分别为制冷剂气态和液态时的动力黏度， Pas;x为制冷剂干

6、度.两相区换热系数选择Shah关联式式中:hTP为两相区传热系数，W/(m2K);hLO为单相区传热系数，W/(m2K);入1 为制冷剂与管道的导热系数，W/(mK).1.2.2 空气侧传热系数空气侧传热系数采用经验公式式中:Nu为空气侧努塞尔准则数;Pr为空气侧普朗特准则数;Re为空气侧雷诺 数经验公式中的A, B和C由试验数据及仿真结果共同决定，A=1 . 235 , B=0.4，C=0.4.为验证关联式选取的有效性和模型的准确性，对某乘用车空调冷凝器进行仿真和试 验对比，其结构参数见表1在AMESim空调库和两相库的环境下选取合适的子 模型，建立基于AMESim的平流式冷凝器模型，见图1

7、.依据试验样件参数设置仿真所需的各项参数:制冷剂质量流量0 025 4 kg/s，制 冷剂入口比焓451.819 kJ/kg，空气质量流量0 592 7 kg/s，冷凝器进风干湿 球温度均为35工，环境压力1 bar.运行仿真时间为50 s，数据采样周期为0 . 1 s，判定收敛残差为10-5,最大时间步长为30 s，采用动态仿真模式，运行得到 的仿真与试验对比结果见表2，可知，制冷剂入口工质温度与过热度、出口工质温 度与过冷度、总换热量基本吻合根据文献7对换热关联式准确性的理解，采 用换热关联式产生的误差在试验的验证范围内，满足工程需要因此，可在此模型 的基础上分析冷凝器结构参数变化对其性能

8、的影响平流式冷凝器流程布置及各流程管道数目的分配对冷凝器的流动、换热会产生一定 影响，但多元平流式冷凝器采用的流程布置形式以及各流程内管道数目的组合方式 并不唯一为此，在原仿真模型的基础上，针对冷凝器流程数目和各流程内管道数 目分配提出几个典型的对比模型通过分析这些对比模型的仿真结果，找出一种换 热性能较好的冷凝器模型，实现对冷凝器流程选择的优化在保持原模型整体参数不变的前提下，即总体几何尺寸、制冷剂侧及空气侧几何参 数、管道总数目不变，使用AMESim建立相应的仿真模型，制冷剂回路流程布置 对比模型见表3表中流程布置对应的数字代表该流程内管道数目，数字顺序即为 制冷剂从入口到出口流过冷凝器的

9、顺序所有模型的仿真均在相同环境条件下进行，研究进入冷凝器的工质质量流量分别为 0 025 kg/s ,0.030 kg/s和0 . 035 kg/s时冷凝器的流动、换热特性图2(a) 和2(b)分别为制冷剂回路流程布置对冷凝器换热量及冷凝器出口过冷度的影响， 可知，采用四流程的冷凝器换热量比三流程稍有增加，制冷剂出口过冷度也比三流 程大12工.在相同流程的情况下，改变制冷剂侧管道分布对冷凝器换热影响并 不显著.1号和5号模型的换热量及制冷剂出口过冷度均较其他模型略有优势;4号 模型在换热方面表现稍差对这些模型进行分析比较可知，第一流程与第二流程间 的管道数目差别对换热的影响较大制冷剂回路流程布

10、置对冷凝器压降的影响见图 2(c)，可知，随着制冷剂质量流量的增加，冷凝器压降有所增大;冷凝器在管道数目 相同、采用较多流程布置时，由于流程数增加导致制冷剂流过相等数目的管道时方 向改变次数增加，增大局部压降，造成总压降增加，使冷凝器采用四流程布置时压 降大于三流程布置;采用相等流程布置时，1号和5号压降较同流程其他模型 小流程内管道数目发生改变会造成局部压降变化，为避免发生较大的阻力损失， 入口和出口处管道数目应布置合理:如管道数目均匀分布的 4 号和 9 号压降也较小， 但由于第一流程管道数目较少，制冷剂在冷凝器入口处会发生较大的压力突变，而 1号和5号入口管道数目较多，局部压降较小，导致

11、1号、5号的损失较4号、9 号稍小冷凝器扁管是类似于口琴式的多孔微通道结构，微通道的数目及横截面面积对平流 式冷凝器的性能也产生一定影响因此，根据前文的仿真分析结果，综合考察换热 量及压降，选择5号模型作为研究扁管微通道数目对冷凝器性能影响的基本模 型微通道结构对比模型见表4不同质量流量下采用不同微通道结构时冷凝器的换热量变化见表5和6比较模型13，当制冷剂侧微通道总的横截面面积相等时，随着微通道数目的增加，换热量有所增加其原因是在总横截面面积相等的情况下，微通道孔数增加， 制冷剂侧湿周增加，水力直径减小，更有利于换热从换热角度看，为增强换热， 应尽可能地增加微通道孔数目;观察模型1 ， 4和

12、5 ，当保持每个微通道横截面面积 不变时，随着通道数目的增加，换热量有所减小，因为制冷剂侧微通道总的横截面 面积变小，导致制冷剂在扁管内流速增加，换热有所增强;由2号与4号， 3号与 5号模型对比可知，在微通道数目相等时，由于采用较小的截面尺寸，使得管道内 制冷剂流速增加，换热增强为衡量各个模型的内部流动阻力，图3给出质量流量为0 035 kg/s时各个流程 的压降在微通道总的横截面面积相等时，随着微通道数目的增加，压降有所增加， 这是由孔数目增加导致制冷剂侧摩擦表面积增大导致的在微通道单孔横截面面积 相等时，孔数目对制冷剂侧压降影响非常显著以截面积为1.56 mmx1.4 mm的模型为例，4

13、号模型的孑澈目比1号模型少，管道内制冷剂流速增大，此 时由速度造成的沿程阻力增大，造成冷凝器总的压降增加由图3可知，4号模型 的流动阻力几乎是1号模型的25倍当微通道孔数目相等时，4号模型阻力约 为2号模型的3倍因此，为减小阻力，应充分利用管道的有效尺寸，增大制冷 剂侧的流通面积由图3还可看到，3号模型在第二流程的压降甚至超过1号和2号模型这是因 为在第二流程时，3号模型的制冷剂还以两相态形式大量存在，而1号和2号模 型在第二流程时只有较小一部分制冷剂以两相态形式存在，由两相态到液态的相变 导致较大的压力突变另外，制冷剂进入和流出冷凝器时产生较大的局部压降，导 致第一和第四流程压降较大冷凝器换

14、热性能不只取决于制冷剂侧的结构，空气侧的结构参数也会产生一定的影响为此，考察空气流速为2 . 7 m/s时翅片间距的变化对冷凝器换热性能的影响建立四流程(13-7-6-5)，微通道数目为6，横截面为2 .8 mmx1.3 mm的 冷凝器模型，改变换热翅片的间距，选择间距为1.42.4 mm的翅片，每隔 0.2 mm建立一个模型，考察制冷剂在不同质量流量下的换热情况，仿真结果见 图4.减小翅片间距可减小空气侧水力直径，同时可以增大换热器单位长度的传热面积， 使冷凝器整体传热面积增加，增强换热能力.因此，从换热角度讲，宜采用较小的 翅片间距.改变平流式冷凝器制冷剂侧和空气侧结构参数，建立一系列对比

15、模型，通过分析得 如下结论:(1) 合理的流程布置可以改善平流式冷凝器性能.本文通过对四流程与三流程的对 比，发现增加流程数目可以使换热量有所增加，但阻力也会增大.综合考虑换热、 流动，采用三流程时1号模型较好，采用四流程时5号模型较好.(2) 当制冷剂侧总横截面面积相等时，微通道数目增加，换热量增大:10孔模型换热 优于6孔和3孔模型，但10孔模型阻力也比另2种模型大;单孔横截面面积相等 时，孔数少时造成的压降非常显著，横截面为1 .56 mmx1.4 mm时，6孑L模 型中的压降约为10孔模型的25倍因此，需要尽可能地增加制冷剂侧的有效 流通面积.(3) 当空气速度较小时，减小翅片间距可以

16、使换热量增加.(4) AMESim能较好地应用于平流式冷凝器的仿真，为汽车空调的系统仿真提供参 考.王 东(1972)，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，研究方向为汽车空气动力 学、车辆热管理、气动噪声与计算流体力学，(E-mail)wangdong【相关文献】1 丁国良制冷空调装置的计算机仿真技术J 科学通报，2006 , 51(9):998-1010 .DING Guoliang.Computer simulation technology on refrigeration and air conditioning equipmentJ.Chin Sci Bull，2006，51(9):9

17、98-1010.2 BENSAFI A，BORG S，PARENT D.CYRANO:a computational model for the detailed design of plate-fin-and-tube heat exchangers using pure and mixed refrigerants J .Int J Refrigeration，1997，20(3):218-228. 3 张娅妮，陈蕴光，阚杰，等.多元平行流冷凝器传热与流动性能模拟研究 J .哈尔滨工业 大学学报，2008，40(3):483-487.ZHANG Yani，CHEN Yunguang，KAN

18、 Jie，et al.Simulation study on the performance of heat transfer and flow of multi-unit parallel-flow condenser J .J Harbin Inst Technol， 2008，40(3):483-487. 4 龚堰珏，张兴群，郑维智，等.汽车空调平行流式冷凝器热力性能计算机辅助分析 J .北 京工商大学学报:自然科学版，2006，24(6):22-25.GONG Yanjue，ZHANG Xingqun，ZHENG Weizhi，et al.Computer-aided thermal

19、performance analysis of automobile air-conditioning parallel flow condenser J .J Beijing Technol Business Univ:Nat Sci，2006，24(6):22-25.(5) GE Y T，CROPPER R.Performance evaluations of air-cooled condensers using pure and mixture refrigerants by four-section lumped modeling methods JAppl Therm Eng，20

20、05，25(10):1549-15646 包涛，陈蕴光，董玉军，等多元平行流冷凝器传热流动性能研究J.制冷学报，2005 , 26(3):1-5BAO Tao，CHEN Yunguang ， DONG Yujun ， et alStudy on heat transfer and flow characteristics of a multi-unit parallel-flow type condenser J Refrigeration J，2005， 26(3):1-5 7 杨世铭，陶文铨传热学 M 3版北京:高等教育出版社， 1998:241-261 8 赵德印小型制冷装置模拟研究 D 南京:南京理工大学， 20049BAKKALI A，OLIVIER GDesign of components libraries for the transient simulation of an automotive refrigerant loop ， C599/024/2003 C /Proc SAE Vehicle Therm Manage Systems，2003:611-620