R134a-Fe₃O₄納米制冷劑汽車空調(diào)冷凝器傳熱數(shù)值模擬

龐秋杏 王惜慧 林裕旺 劉振洋

摘? 要：為提高汽車空調(diào)系統(tǒng)的換熱系數(shù)，降低能耗，結(jié)合格子Boltzmann方法和CFD仿真計(jì)算，從介觀和宏觀兩個(gè)角度對(duì)R134a-Fe3O4納米制冷劑在電動(dòng)汽車空調(diào)冷凝器中應(yīng)用效果進(jìn)行研究。從兩種數(shù)值計(jì)算結(jié)果均發(fā)現(xiàn)，相比于純制冷劑，R134a-Fe3O4納米制冷劑應(yīng)用在汽車空調(diào)冷凝器中，換熱量有大幅提高;且液態(tài)納米制冷劑換熱量高于氣態(tài)納米制冷劑，換熱量隨納米顆粒濃度的增加而增加。

關(guān)鍵詞：納米流體;納米制冷劑;汽車空調(diào);冷凝器

中圖分類號(hào)：TB69? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0032-05

Abstract： In order to improve the heat transfer coefficient of automobile air conditioning system and reduce energy consumption， combined with lattice Boltzmann method and CFD simulation calculation， the application effect of R134a-Fe3O4 nano-refrigerants in electric vehicle air conditioning condenser was studied from mesoscopic and macroscopic point of view. From the two numerical results， it is found that compared with the pure refrigerants， the heat transfer of R134a-Fe3O4 nano-refrigerants used in automobile air-conditioning condensers is greatly improved. The heat transfer of liquid nano-refrigerants is higher than that of gaseous nano-refrigerants， and the heat transfer increases with the increase of nano-particle concentration.

Keywords： nanofluids; nanorefrigerants; automotive air conditioners; condensers

汽車空調(diào)系統(tǒng)是汽車大功耗部件之一，與傳統(tǒng)燃油車相比，其能耗對(duì)整車性能的影響更大。自1995年提出納米流體的概念后，這種新型換熱冷卻介質(zhì)在傳熱領(lǐng)域開始了大量研究。隨著電動(dòng)汽車的蓬勃發(fā)展，為提高空調(diào)系統(tǒng)的性能，降低電動(dòng)汽車能耗，研究納米制冷劑在電動(dòng)汽車空調(diào)冷凝器的應(yīng)用也具有重大意義。

如今，單從傳統(tǒng)宏觀角度的CFD法已無(wú)法揭示納米粒子能量傳遞的規(guī)律，需要加以運(yùn)用介觀層面的格子Boltzmann方法，才能進(jìn)一步研究納米流體特性和描述納米粒子對(duì)制冷劑強(qiáng)化傳熱的影響。所以，本文通過(guò)CFD和格子Boltzmann方法兩種方法，對(duì)利用純R134a制冷劑和Fe3O4磁性納米粒子制備的R134a-Fe3O4磁性納米制冷劑在汽車空調(diào)系統(tǒng)上的冷凝器進(jìn)行研究，為納米制冷劑在汽車空調(diào)系統(tǒng)上的強(qiáng)化傳熱方案提供參考依據(jù)。

1 納米流體熱物性模型

納米粒子的納米效應(yīng)使納米粒子在流體中的相互作用機(jī)理不同于毫米和微米級(jí)粒子，所以納米流體的熱物性參數(shù)也不一樣，不適用傳統(tǒng)的毫米或微米級(jí)固液混合物的經(jīng)驗(yàn)公式，因此需要結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)研究計(jì)算納米流體的熱物性參數(shù)。

Hrihikesh的金屬氧化物納米流體導(dǎo)熱系數(shù)模型適用于納米粒子半徑為5～75nm，體積濃度為0.1～3%的納米流體[1]。本文采用這個(gè)納米流體導(dǎo)熱模型：

通過(guò)對(duì)比了多種懸浮液粘度模型后，決定采用Zuzovsky[2]懸浮液粘度模型：

（2）

比熱模型為：

密度模型為：

其中，k為導(dǎo)熱系數(shù)，？準(zhǔn)為納米粒子濃度，dp是納米粒子的平均直徑，T為流體溫度。？滋為粘度，C為比熱，？籽為密度。下標(biāo)eff、f和p分別代表懸浮液、基液和納米粒子。

2 傳熱微觀模擬

2.1 計(jì)算模型

在系統(tǒng)不受外力時(shí)，理想氣體模型中的Bolztmann氣動(dòng)理論的基本方程為：

其中，f（r，c，t）為系統(tǒng)中，速度為c～c+dc且在r～r+dr的分子在t時(shí)刻的分布函數(shù);c和? ?為分子的速度矢量和分子分布矢量函數(shù);右邊項(xiàng)？贅為碰撞項(xiàng)。由于許多測(cè)量值受碰撞結(jié)果影響不大，在不影響求解結(jié)果前提下，通常將碰撞算子近似為簡(jiǎn)單模型，所以Bhatnagar、Gross和Krook（BGK）引入一個(gè)碰撞算子模型：

結(jié)合實(shí)際情況和納米制冷劑在水平圓管的流動(dòng)特性，對(duì)比不同的格子排列模型和邊界條件后，選用格子32方法D2Q9模型[4]（結(jié)構(gòu)如圖1所示）和標(biāo)準(zhǔn)反彈格式[5]（如圖2所示）。

2.2 物理模型和邊界條件

如圖3所示，為模擬R134a-Fe3O4納米制冷劑在冷凝器管中的流動(dòng)情況，物理模型選取一段長(zhǎng)為L(zhǎng)=7.5mm、管徑為H=2.5mm的流場(chǎng)，流場(chǎng)網(wǎng)格劃分為300×100。假設(shè)管壁面溫度為恒溫，上下邊界為無(wú)滑移固體邊界，左邊界條件為速度進(jìn)口，右邊界為擴(kuò)展邊界;R134a制冷劑為穩(wěn)態(tài)流體，F(xiàn)e3O4納米粒子均勻分布在R134a制冷劑中;計(jì)算收斂條件為誤差小于10-6。Fe3O4納米粒子直徑為20nm，納米流體的熱物性參數(shù)由公式（1）～（4）計(jì)算可得。

2.3 數(shù)值模擬過(guò)程及結(jié)果

首先模擬低雷諾數(shù)下納米流體的對(duì)流換熱，探究在換熱過(guò)程中納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)傳熱的影響。設(shè)定壁面溫度為293K，液態(tài)純R134a制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的初始溫度均為298K，分別模擬在Re=5的條件下在水平圓管內(nèi)的流動(dòng)情況，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，制冷劑的熱量迅速向壁面?zhèn)鬟f，與液態(tài)純R134a制冷劑相比，1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的擴(kuò)散溫度梯度較大，溫度邊界層較明顯。在圓管出口中心線上，純R134a制冷劑為294K，1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑為294.5K，這說(shuō)明液態(tài)制冷劑加入納米顆粒后，增加了對(duì)流體的擾動(dòng)，提高了導(dǎo)熱能力。

由于R134a-Fe3O4納米制冷劑在汽車空調(diào)冷凝器中存在氣態(tài)和液態(tài)這兩種相，分別模擬了R134a-Fe3O4制冷劑氣態(tài)和液態(tài)時(shí)在雷諾數(shù)Re=800、1000、1200、1400、2000五種條件下與壁面的流動(dòng)傳熱情況。結(jié)合某車空調(diào)系統(tǒng)冷凝器的實(shí)際情況和模型特征，設(shè)置制冷劑進(jìn)口為速度進(jìn)口，氣態(tài)時(shí)，流體進(jìn)口溫度為293K，壁面溫度為343K;液態(tài)時(shí)，流體進(jìn)口溫度為298K，壁面溫度為293K。模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5中可以看到，無(wú)論是氣態(tài)還是液態(tài)的R134a-Fe3O4納米制冷劑，同一濃度的納米制冷劑與壁面的換熱量隨雷諾數(shù)的增加而加大，原因在于納米制冷劑的質(zhì)量流量隨雷諾數(shù)的增加而增大，納米顆粒數(shù)量的增加提高了制冷劑的導(dǎo)熱能力;同一雷諾數(shù)下，納米制冷劑的換熱量隨納米顆粒濃度的增加而加大，也說(shuō)明了添加磁性納米顆粒后制冷劑得到了明顯的強(qiáng)化傳熱效果。從圖6可以看出，相比純制冷劑，液態(tài)納米制冷劑的換熱量提高17.17%～39.89%，氣態(tài)納米制冷劑換熱量提高1.71%～5.83%。

3 納米制冷劑CFD模擬

運(yùn)用Boltzmann方程從微觀層面表明了在單根冷凝器圓管中流動(dòng)的制冷劑添加不同濃度的納米顆粒后，對(duì)管內(nèi)換熱起到了不同程度的強(qiáng)化傳熱效果，但單根管道模擬仍不足以體現(xiàn)納米制冷劑在汽車空調(diào)冷凝器的傳熱效果，為驗(yàn)證微觀模擬仿真的正確性，進(jìn)一步研究納米制冷劑在汽車空調(diào)系統(tǒng)中的制冷情況，需運(yùn)用CFD法探究R134a-Fe3O4納米制冷劑在汽車空調(diào)冷凝器的換熱情況。

3.1 幾何模型和初始條件

選取某款汽車空調(diào)冷凝器為研究對(duì)象，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取圖7中框內(nèi)結(jié)構(gòu)為計(jì)算域。為提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度，除制冷劑流場(chǎng)外，添加了空氣流場(chǎng)，形成制冷劑和空氣為交叉流，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。幾何模型建立后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于需重點(diǎn)分析空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的換熱情況，兩處位置采用六面體網(wǎng)格劃分并作網(wǎng)格加密處理，其他區(qū)域采用四面體網(wǎng)格。

選取該汽車空調(diào)冷凝器的某一工況為初始條件：空氣進(jìn)口溫度293K，氣態(tài)制冷劑進(jìn)口溫度343K，液態(tài)制冷劑進(jìn)口溫度323K，制冷劑進(jìn)口速度均為0.26m/s。

3.2 CFD模擬結(jié)果及分析

氣態(tài)純R134a制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑在某車空調(diào)冷凝器中換熱的仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，制冷劑流經(jīng)冷凝器后溫度逐漸降低，其中進(jìn)口處制冷劑溫度最高，彎管處溫度最低，出口的制冷劑溫度會(huì)稍有回升，這是因?yàn)槔淠魃峤Y(jié)構(gòu)屬于U型結(jié)構(gòu)，出口處制冷劑溫度會(huì)受進(jìn)口處溫度較高的制冷劑的傳熱影響。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，采用氣態(tài)純R134a制冷劑的冷凝器從進(jìn)口溫度307.6K降到出口溫度303.1K，降低了1.46%溫度;采用氣態(tài)1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的冷凝器從進(jìn)口溫度312.2K降到出口溫度307.05K，降低了1.65%的溫度。這說(shuō)明與氣態(tài)純R134a制冷劑相比，采用氣態(tài)1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的換熱器溫度較高，這是由于添加Fe3O4納米粒子后，加劇了R134a制冷劑分子間的布朗運(yùn)動(dòng)，增加了分子與換熱器的碰撞次數(shù)，提高了換熱效率。其它濃度下的溫度云圖大致相同，但最高溫度和最低溫度有較大差別，具體數(shù)值分別如表1所示。

從表1可以看出，制冷劑側(cè)的進(jìn)出口溫度隨Fe3O4納米粒子濃度增大而減小，而空氣側(cè)進(jìn)出口溫差隨納米粒子濃度增大而增大，這表明制冷劑的熱量經(jīng)冷凝器后被空氣帶走，換熱量隨Fe3O4納米粒子濃度增加而增大，同時(shí)說(shuō)明制冷劑添加了磁性Fe3O4納米顆粒后換熱性能增加，并隨Fe3O4納米顆粒的濃度增加換熱性能加大。但隨著Fe3O4粒子濃度增加，制冷劑進(jìn)出口壓差也增大，說(shuō)明隨著Fe3O4納米粒子的加入，制冷劑的運(yùn)動(dòng)粘度逐漸增大，反應(yīng)出過(guò)高的納米粒子濃度會(huì)導(dǎo)致納米粒子聚集和沉降問(wèn)題，傳熱效果反而降低，所以制冷劑中并不是納米粒子濃度越高換熱效果越好。分析表1數(shù)據(jù)得到圖10，可以看出在相同的工況條件下，與同狀態(tài)的純制冷劑相比，氣態(tài)納米制冷劑的換熱量提高2.11%至6.22%，液態(tài)納米制冷劑的換熱量有48.4%至149.7%的提高。這說(shuō)明液態(tài)納米制冷劑的換熱能力比氣態(tài)納米制冷劑強(qiáng)，在冷凝器換熱過(guò)程中，應(yīng)盡量增加液態(tài)納米制冷劑的換熱階段，從而提高冷凝器的換熱能力。

4 結(jié)論

（1）配制純制冷劑和濃度分別為1%、2%、3%、5%的

R134a-Fe3O4納米制冷劑，運(yùn)用格子Boltzmann方法，分別對(duì)其液體和氣體狀態(tài)下在一段汽車空調(diào)系統(tǒng)冷凝管內(nèi)傳熱和流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明在相同流動(dòng)條件下，與同狀態(tài)的純制冷劑相比，氣態(tài)納米制冷劑的換熱量提升1.71%～5.83%，液態(tài)納米制冷劑的換熱量提升17.17%～39.89%。

（2）采用CFD仿真模擬方法，模擬了純制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑在一款汽車空調(diào)冷凝器局部的流動(dòng)傳熱情況。在相同的工況條件下，與同狀態(tài)的純制冷劑相比，氣態(tài)納米制冷劑的換熱量提升2.11%～6.22%，液態(tài)納米制冷劑的換熱量提升48.4%～149.7%。

（3）格子Boltzmann方法是從介觀層面對(duì)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行二維計(jì)算，而CFD模擬仿真是從宏觀角度出發(fā)對(duì)局部冷凝器進(jìn)行流場(chǎng)的三維模擬仿真，兩者雖然分析角度不同、模型不同、邊界條件不一致，但仍可以得出共同的結(jié)論：汽車空調(diào)中R134a制冷劑添加磁性Fe3O4納米顆粒后換熱能力明顯提升，且在一定濃度范圍內(nèi)，納米顆粒濃度越高，強(qiáng)化傳熱效果越好，同時(shí)液態(tài)制冷劑添加納米顆粒后換熱能力較氣態(tài)制冷劑的提升幅度大。說(shuō)明在汽車空調(diào)冷凝器中運(yùn)用R134a-Fe3O4納米制冷劑強(qiáng)化傳熱是可行的，且應(yīng)盡量延長(zhǎng)制冷劑液態(tài)時(shí)的換熱過(guò)程，從而提高冷凝器的整體換熱能力。

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