暖風(fēng)換熱器性能提升方法的探討

平永亮， 姚軍平， 秦 紅， 陳鳳云， 王 旭， 葉 航， 劉永強(qiáng)

（麥克斯（保定） 汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司， 河北保定 071000）

汽車空調(diào)中暖風(fēng)換熱器是實(shí)現(xiàn)冬季為車內(nèi)提供熱量的核心部件， 其結(jié)構(gòu)如圖1所示， 主要由扁管、水室、 翅片構(gòu)成。 扁管是散熱介質(zhì)流經(jīng)的通道； 水室的作用是收集暖風(fēng)換熱器扁管內(nèi)部的傳熱介質(zhì)，并將介質(zhì)均勻分布到每根扁管； 翅片的作用： 將熱量通過(guò)扁管的管壁傳遞到翅片上， 風(fēng)通過(guò)翅片， 與翅片進(jìn)行熱交換， 從而實(shí)現(xiàn)給空氣加熱的功能。 目前常規(guī)能源汽車空調(diào)系統(tǒng)主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)余熱提供熱源， 熱量充足， 對(duì)暖風(fēng)的要求較低， 故針對(duì)暖風(fēng)性能的研究較少， 然而在新能源汽車中熱源不穩(wěn)定， 同時(shí)熱量珍貴，必須將之充分利用， 從而對(duì)暖風(fēng)芯體的性能研究必須加強(qiáng)， 本文就是針對(duì)影響暖風(fēng)性能的主要因素進(jìn)行逐一分析驗(yàn)證， 最終找到一個(gè)更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 提高性能， 達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 扁管的影響

1.1 扁管形式對(duì)整體性能的影響

目前暖風(fēng)芯體中主要有兩種扁管形式， 分別為B型扁管和O型扁管， 如圖2所示。 本文針對(duì)外形規(guī)格（寬×厚） 為26×1.4 mm的兩種扁管為例作分析研究。

試驗(yàn)用B型扁管材料厚度為0.25 mm， O型扁管材料厚度為0.3 mm。 用換熱器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分別使用B型扁管和O型扁管制作成暖風(fēng)芯體進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試。

測(cè)試條件： 空氣側(cè)干球溫度20 ℃， 濕球溫度15 ℃， 芯體內(nèi)熱水溫度85 ℃， 水流量6 L／min， 通過(guò)暖風(fēng)芯體表面的風(fēng)量分別在250 m3／h、 300 m3／h、350 m3／h的情況下， 測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)， 采用B型管的暖風(fēng)性能比O型管高出5%以上。

1.2 扁管形式對(duì)流阻的影響

用換熱器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分別使用B型扁管和O型扁管制作成暖風(fēng)芯體進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試。 測(cè)試條件： 芯體內(nèi)熱水溫度85 ℃， 水流量分別為3 L／min、 6 L／min、 9 L／min的情況下測(cè)試流阻，結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)， 采用B型管的暖風(fēng)流阻要比O型管低， 這樣有利于暖風(fēng)內(nèi)的流體流動(dòng)。 當(dāng)在實(shí)車上時(shí)， 在同一車內(nèi)相同的泵提供同樣壓頭的情況下，冷卻液在B型扁管的暖風(fēng)換熱器內(nèi)的流量要大， 提供熱源的量也比O型扁管的換熱器多， 從而B(niǎo)型扁管在整車上的換熱也是存在優(yōu)勢(shì)的。

1.3 扁管形式對(duì)整車升溫效果的影響

用換熱器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分別使用B型扁管和O型扁管制作成暖風(fēng)芯體裝入整車， 進(jìn)行環(huán)境模擬試驗(yàn)。

測(cè)試條件： 整車在環(huán)境溫度-15 ℃的條件下停放足夠長(zhǎng)時(shí)間， 致使發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液的溫度與環(huán)境溫度相同， 然后整車恒速60 km／h， 空調(diào)最大風(fēng)量、最大制熱、 內(nèi)循環(huán)的狀態(tài)下， 運(yùn)行40 min， 測(cè)試駕駛室溫度分布結(jié)果如表1所示。

表1 兩種扁管形式下測(cè)試駕駛室溫度分布結(jié)果

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果可知， B型扁管在整體換熱能力、 流阻及整車升溫效果上都優(yōu)于O型扁管。

2 翅片的影響

目前暖風(fēng)芯體中使用的翅片主要有U型翅片和矩型翅片兩種。 翅片開(kāi)窗數(shù)量一般根據(jù)暖風(fēng)芯體的厚度不同進(jìn)行調(diào)整， 目的是對(duì)通過(guò)芯體的空氣進(jìn)行導(dǎo)流， 使空氣與換熱器進(jìn)行充分接觸， 可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

矩型翅片較U型翅片與暖風(fēng)芯體扁管的接觸面大， 有利于增加換熱器的換熱量。

用換熱器外形尺寸相同， 分別使用矩型翅片和U型翅片制作成暖風(fēng)芯體進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試。 測(cè)試條件： 空氣側(cè)干球溫度20 ℃， 濕球溫度15 ℃， 芯體內(nèi)熱水溫度85 ℃， 水流量6 L／min， 通過(guò)暖風(fēng)芯體表面的風(fēng)量分別在250 m3／h、 300 m3／h、 350 m3／h的情況下， 測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)，采用矩型翅片的暖風(fēng)性能比U 型翅片高，且當(dāng)風(fēng)量增大時(shí)換熱能力提高更加明顯。

3 流程的影響

目前暖風(fēng)芯體主要使用單排扁管， 其流程分布主要有一型流程和U型流程兩種， 如圖6所示。

一型流程的暖風(fēng)芯體由于換熱介質(zhì)從靠近進(jìn)出口位置的扁管流過(guò)的距離較短， 容易形成“短路”， 造成換熱介質(zhì)從靠近進(jìn)出口位置的幾排扁管流過(guò)， 后面的扁管換熱介質(zhì)不經(jīng)過(guò)， 使換熱器表面溫度不均勻， 致使整車空調(diào)主駕駛側(cè)與副駕駛側(cè)的出風(fēng)口溫度偏差大， 影響顧客的舒適度。

U型流程的暖風(fēng)換熱器可以減少流程不均的現(xiàn)象， 但是靠近中間的扁管同樣比芯體兩側(cè)的扁管流經(jīng)的距離短。

為了避免換熱介質(zhì)流經(jīng)距離不均的現(xiàn)象， 設(shè)計(jì)出芯體的進(jìn)出口管位置調(diào)整為異側(cè)進(jìn)出口的方式，如圖7所示， 無(wú)論換熱介質(zhì)從哪根扁管流過(guò)， 換熱介質(zhì)流經(jīng)的距離均相同。

使用扁管翅片相同參數(shù)的材料制作出外形尺寸相同的一型流程暖風(fēng)芯體、 U型流程暖風(fēng)芯體和進(jìn)出口異側(cè)流程暖風(fēng)芯體， 進(jìn)行臺(tái)架性能測(cè)試。

測(cè)試條件： 空氣側(cè)干球溫度20 ℃， 濕球溫度15 ℃， 芯體內(nèi)熱水溫度85 ℃， 水流量6 L／min， 通過(guò)暖風(fēng)芯體表面的風(fēng)量分別在250 m3／h、 300 m3／h、350 m3／h的情況下， 測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)， 更改為異側(cè)進(jìn)出口的形式， 其換熱能力較另外兩種都明顯提高， 但采用此方式需根據(jù)實(shí)際的安裝空間進(jìn)行選擇。

4 結(jié)論

1） B型扁管材料因可比O型扁管的材料做得更薄， 換熱效率明顯高于O型扁管， 在暖風(fēng)芯體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可優(yōu)先選用。

2） 矩型翅片增加了翅片與扁管的接觸面積，提高了暖風(fēng)芯體的空氣側(cè)換熱效率。 在大風(fēng)量時(shí)其優(yōu)越性愈加明顯。

3） 暖風(fēng)芯體的流程設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量使流體在扁管內(nèi)的流動(dòng)距離相同， 使得芯體表面的溫度分布趨于均勻一致。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， 采用進(jìn)出口異側(cè)的方式可以很好地解決此問(wèn)題， 但需要在前期設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮其裝配性。