汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器換熱性能研究

韓賽賽 柳建華 +趙永杰 +張良

摘要： 平行流換熱器以其結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)中.簡要介紹了汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器結(jié)構(gòu)，采用計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法對平行流換熱器的換熱性能進(jìn)行了分析，比較了空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對其換熱量和流動阻力的影響.模擬結(jié)果表明：在增加相同百分比的情況下，增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對換熱器換熱量的影響大16%左右，但增加空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對換熱器換熱能力的影響均有限；隨著風(fēng)速的提高，換熱量增加率逐漸減小，而空氣側(cè)阻力增加率越來越大；隨著水流量增加，水側(cè)壓降增大非常明顯；但兩者增加對空氣側(cè)出口溫度影響均不明顯.

關(guān)鍵詞：

平行流換熱器； 換熱性能； 風(fēng)速； 水流量

中圖分類號： TB 657.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

目前有關(guān)汽車空調(diào)的研究主要集中在制冷系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)，而關(guān)于暖風(fēng)系統(tǒng)的研究很少，特別是關(guān)于非獨(dú)立的暖水式換熱性能研究更不多.陳江平等[1]從使用新工質(zhì)及采用新技術(shù)等方面介紹了國內(nèi)外汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢；周益民等[2]建立三維數(shù)值模型，研究了百葉窗翅片開窗角度和換向區(qū)長度對平行流換熱器換熱性能的影響，可為其優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)；董軍啟等[3]通過試驗(yàn)比較了翅片間距和高度對平行流換熱器表面換熱和阻力性能的影響，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了j因子和f因子試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；國內(nèi)外對平行流換熱器在微通道內(nèi)的流動、壓降及傳熱系數(shù)進(jìn)行了大量研究[4].關(guān)于暖風(fēng)系統(tǒng)的平行流換熱器的研究主要集中在百葉窗翅片角度、間距、高度和扁管等對其換熱和流動性能的影響，然而工質(zhì)的工況對其性能也有重要影響.所以本文主要分析空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對其換熱和流動性能的影響并將兩者進(jìn)行比較.

1平行流換熱器結(jié)構(gòu)與特性

1.1平行流換熱器結(jié)構(gòu)

平行流換熱器（PFC）是一種新型的換熱器[5]，多用于汽車空調(diào)，主要由多孔扁管和波紋型百葉窗翅片構(gòu)成.暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：Fh為翅片高度；Ld為百葉窗寬度；Lh為百葉窗高度；Lp為百葉窗間距；α為百葉窗角度；Fp為翅片間距.平行流換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中Ft為翅片厚度.工質(zhì)水在多孔扁管中流動，空氣垂直流過波紋翅片并與水進(jìn)行換熱.平行流換熱器的主要特點(diǎn)是比表面積大，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，空氣側(cè)壓降較小，水側(cè)換熱性能增加時阻力減小，扁管和翅片的接觸熱阻較小，純鋁制品有利于回收等.本文主要介紹一種應(yīng)用于汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的平行流換熱器的換熱性能，在不同水流量和空氣側(cè)風(fēng)速下通過模擬仿真對其換熱性能進(jìn)行分析.而目前國內(nèi)對平行流換熱器的研究還比較少，本文旨在為國內(nèi)平行流換熱器設(shè)計提供參考.

1.2水暖式汽車暖風(fēng)裝置

汽車暖風(fēng)裝置是汽車冬季運(yùn)行時供車內(nèi)取暖的設(shè)備總稱，其種類較多.按其所用熱源可分為余熱式采暖系統(tǒng)和獨(dú)立式采暖系統(tǒng)，其中余熱式采暖系統(tǒng)又分為水暖式和汽暖式兩種.水暖式采暖系統(tǒng)主要是以發(fā)動機(jī)冷卻水的余熱為熱源，將熱水引入換熱器，由風(fēng)扇將車內(nèi)或車外空氣吹過換熱器使之升溫[6].

與氣暖式系統(tǒng)相比，水暖式發(fā)動機(jī)的冷卻液溫度比較適宜且散熱均勻，不會出現(xiàn)局部溫度過高而燙傷乘客，亦不會出現(xiàn)因排氣中的SO2等雜質(zhì)長時間腐蝕換熱器管壁造成因泄漏廢氣而中毒的現(xiàn)象，水暖式發(fā)動機(jī)在國內(nèi)外生產(chǎn)的轎車、大型貨車、采暖要求不高的大客車中已得到采用；與獨(dú)立式采暖系統(tǒng)相比，水暖式發(fā)動機(jī)不需另外的燃料及相關(guān)設(shè)備，易獲取熱源，設(shè)備簡單，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行經(jīng)濟(jì).

2計算流體力學(xué)（CFD）模型

在流動換熱過程中，空氣從換熱器一側(cè)流入，然后與扁管和翅片相互作用進(jìn)行對流換熱，通過增加空氣側(cè)風(fēng)速，能夠增強(qiáng)空氣流動的擾動，增強(qiáng)換熱；增加工質(zhì)水流量，可以增強(qiáng)換熱器的換熱性能.

在開發(fā)汽車空調(diào)系統(tǒng)時，需要掌握的換熱器性能數(shù)據(jù)可以通過實(shí)驗(yàn)獲得，但在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以大大縮短開發(fā)周期和降低成本.目前模擬時大多采用二維數(shù)值模型，其結(jié)果有待進(jìn)一步考證.本文通過對百葉窗翅片進(jìn)行三維數(shù)值模擬，進(jìn)一步考察數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以揭示百葉窗翅片的強(qiáng)化傳熱與流動機(jī)理[7].為簡化模型，首先對模型作以下假設(shè)：① 換熱過程為三維穩(wěn)態(tài)換熱；② 空氣、工質(zhì)水均為理想的不可壓縮流體，各點(diǎn)參數(shù)不隨時間變化；③ 空氣在整個迎風(fēng)向上均勻分布；④ 扁管、百葉窗肋片表面具有相同的粗糙度，肋片和扁管焊接良好，連接光滑，不考慮加工因素的影響.

式中：Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；G1s、G2s、G3s均為常量；σk、σε分別為k方程和ε方程的普朗特數(shù)；μt為湍流渦黏性系數(shù)；k為湍流動能；ε為耗散率.

2.2邊界條件

由于流動處于湍流狀態(tài)，經(jīng)對比分析選擇了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型.該模型是目前應(yīng)用較廣、受檢驗(yàn)最多、數(shù)值求解技術(shù)最成熟的湍流模型，且對于平行流換熱器的模擬有較高的穩(wěn)定性.

定義工質(zhì)水入口處為流量入口邊界，給定入口流量、水溫（355 K）（根據(jù)汽車空調(diào)常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定），定義出口處為壓力出口邊界；定義入口空氣處為速度入口邊界，給定入口速度、空氣溫度（290 K）（根據(jù)汽車空調(diào)常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定），定義出口處為壓力出口邊界；平行流換熱器為純鋁制材質(zhì)[8].

2.3數(shù)值模擬方法

整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分是通過Fluent軟件前處理程序Gambit進(jìn)行.為節(jié)省計算空間，采用六面體和楔形單元相結(jié)合的方法對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格數(shù)約為300萬.定義每個方程的收斂條件中平均殘差絕對值不大于1.0×10-6.本文模擬采用商用軟件Fluent 6.3對計算區(qū)域進(jìn)行求解.

2.4仿真模擬結(jié)果與分析

由于換熱器實(shí)際工作時水溫取決于發(fā)動機(jī)工作情況，水流量可通過閥門調(diào)節(jié)，空氣側(cè)風(fēng)速亦可調(diào)節(jié)，故本文只選擇水流量和空氣側(cè)風(fēng)速作為自變量進(jìn)行分析.

換熱器迎面風(fēng)速分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m·s-1，水流量分別為5、6、7、8、9 L·min-1 .通過仿真模擬得到汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器換熱量、水側(cè)壓降、空氣側(cè)壓降、空氣側(cè)出口溫度的變化和分布.

圖2為在不同風(fēng)速和水流量下?lián)Q熱器換熱量和空氣側(cè)出口溫度的變化，圖3為不同風(fēng)速下空氣側(cè)阻力的變化，圖4為不同水流量下水側(cè)阻力的變化.由圖2、3可知，對于一定結(jié)構(gòu)的換熱器，隨著迎面風(fēng)速的增加，空氣側(cè)換熱量不斷增大，空氣側(cè)阻力也增大，而且空氣側(cè)換熱量在低風(fēng)速下增長較快.換熱器換熱量的增加有以下兩點(diǎn)原因：一是在緊貼翅片的空氣流薄層內(nèi)，

由于分子導(dǎo)熱，熱邊界層被來自翅片的熱量加熱，同時向前運(yùn)動，空氣風(fēng)速增加，熱邊界減薄，熱阻減小，空氣側(cè)傳熱系數(shù)增大；二是風(fēng)速增大，空氣滯留翅片上的時間相對縮短，溫升小，與換熱器溫差大，故換熱效果好.但對比圖2、3可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的提高換熱量增加率逐漸減小，而空氣側(cè)阻力增加率越來越大.這是因?yàn)樽枇﹄S空氣側(cè)風(fēng)度的二次方左右增加，并且對于一定結(jié)構(gòu)冷凝器存在一個臨界風(fēng)速即換熱量隨風(fēng)速增加趨于定值[9].故只靠提高風(fēng)速增加空氣側(cè)換熱量是有限的，在增加換熱量和阻力之間進(jìn)行選擇，是確定換熱器迎面風(fēng)速時必須考慮的問題.由圖2可知，對于一定結(jié)構(gòu)的換熱器，隨著迎面風(fēng)速相對于2 m·s-1依次增加25%、50%、75%、100%時，空氣側(cè)出口溫度有降低趨勢，但降低幅度較小，不會影響其舒適性.空氣側(cè)出口溫度降低是因?yàn)轱L(fēng)速增加，換熱時間不足，但是在風(fēng)量一定、熱水源充分的情況下，空氣側(cè)出口溫度不會有明顯下降[10].

由圖2可知，水流量對換熱器換熱量有較大影響.隨著水流量增加，其對應(yīng)的換熱量逐漸增加，起初水流量增加12%時，換熱量增加3.2%，最后水流量增加80%時，而換熱量只增加6.6%.因此，通過增加水流量來增加換熱器的換熱能力也是有限的.對于一定結(jié)構(gòu)換熱器，水流量增加即流速增大，流動狀態(tài)由層流變成紊流，換熱強(qiáng)度變化較明顯.空氣出口側(cè)溫度與水流量變化非常相近，這是因?yàn)閷τ谝欢ńY(jié)構(gòu)的換熱器，在一定風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)口水溫下，水流量對換熱性能起決定性作用[11].由圖2可知，增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對平行流換熱器換熱量的影響更大，在增加相同百分比的情況下，增加風(fēng)速比增加水流量對換熱器換熱量的影響大16%左右.這是由于空氣側(cè)熱阻對換熱性能的影響大于水側(cè)的影響.但從圖4可知，水流量增大，水道中水的流速增加，水的流動阻力明顯增大，增加了循環(huán)水泵的功耗.

3結(jié)論

本文利用仿真模擬計算了某汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器的換熱特性，分析了風(fēng)速、水流量對換熱性能的影響：

（1） 增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對平行流換熱器換熱量的影響大。在增加相同百分比的情況下，增加風(fēng)速比增加水流量對換熱量的影響大16%左右，而且增加兩者對換熱器換熱能力的影響均有限。隨著兩者增加，換熱量增加率逐漸減小.

（2）風(fēng)速增大，空氣側(cè)阻力增加非常明顯，同樣水流量增大，水側(cè)阻力增加也非常明顯；但增加兩者對空氣側(cè)出口溫度影響都不明顯.

（3） 在優(yōu)化設(shè)計汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器時，應(yīng)合理選擇其結(jié)構(gòu)，使迎面風(fēng)速控制在一個合理的范圍內(nèi).

另外，水暖式暖風(fēng)系統(tǒng)使用時必須在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度上升到大循環(huán)時方可開始，且存在使用過程中流量分配不均、熱源不足等問題，這些均有待進(jìn)一步解決.

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