冷藏/冷凍車輛用蒸發(fā)器空氣側(cè)傳熱及壓降試驗(yàn)研究

王振環(huán)，崔然成，權(quán)寧哲

（1.濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東濱州 256600；2.韓國(guó)制冷空調(diào)認(rèn)證中心，韓國(guó) 京畿道華城 18608；3.韓國(guó)鮮文大學(xué) 機(jī)械ICT融合工程學(xué)院，韓國(guó) 天安牙山 31460）

0 引言

目前，保持食品的新鮮配送是由冷藏/冷凍車輛進(jìn)行的，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中應(yīng)將室內(nèi)空間保持在適當(dāng)溫度，所以對(duì)制冷機(jī)組車輛室內(nèi)空間中溫度的控制至關(guān)重要［1-5］。隨著制冷機(jī)組車輛的使用在全球范圍內(nèi)迅速增長(zhǎng)，到2020年已超過700萬輛。因?yàn)橹评錂C(jī)組車輛比常規(guī)車輛消耗更多的能源，所以需要持續(xù)的技術(shù)開發(fā)以通過降低燃料成本來減少能耗和二氧化碳排放量。所以研究不同參數(shù)下的蒸發(fā)器具有一定的意義。

鐘天明等［6］總結(jié)了翅片管式換熱器的強(qiáng)化方面的綜合研究進(jìn)展。劉夢(mèng)悅等［7］針對(duì)家用空調(diào)翅片管式換熱器，通過試驗(yàn)利用空氣焓差法測(cè)試管排數(shù)對(duì)換熱量的影響，并且通過模擬分析不同制冷劑質(zhì)量流量變化時(shí)對(duì)不同管排數(shù)翅片管式換熱器換熱性能的影響。KIM等［8］研究了翅片概念條件下根據(jù)間距的特性，隨著間距較小時(shí)，傳熱較大。曾小林等［9］翅片間距在10 mm以內(nèi)時(shí)，隨著翅片間距減小，翅片的表面換熱系數(shù)組件降低。JUNG等［10］根據(jù)翅片形狀分析了板翅式換熱器的性能，并證實(shí)了偏移翅片的傳熱性能約為板翅片的2倍。陳彪等［11］對(duì)3種不同類型的翅片管式換熱器（平直翅片、均勻波紋翅片和傾角漸增波紋翅片）的流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。金妍等［12］研究了風(fēng)速對(duì)微通道換熱器性能的影響，并分析微通道換熱器表面溫度分布情況及進(jìn)出口壓力變。王強(qiáng)等［13］對(duì)3種常見風(fēng)速分布形式下翅片管換熱器性能進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，并利用焓差室搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。LEE等［14］翅片管換熱器最佳回路數(shù)的推導(dǎo)方法進(jìn)行了研究。秋雨豪［15］對(duì)百葉窗翅片管式換熱器空氣側(cè)換熱和壓降特性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。唐凌虹等［16］對(duì)大管徑下3中不同的翅片管式換熱器空氣側(cè)的傳熱及阻力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。屠琦瑯等［17］對(duì)不同翅片間距和開縫高度的雙向開縫翅片管換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了模擬化試驗(yàn)驗(yàn)證。高晶丹等對(duì)空調(diào)用小管徑翅片管蒸發(fā)器的翅片結(jié)構(gòu)和制冷劑流路設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究［18-21］。HA等［22］研究了蒸發(fā)器的傳熱管的性能特征，并提出傳熱量隨著傳熱管的浸入率的增加而降低。

綜上所述，盡管對(duì)空調(diào)用熱交換器已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究，但是對(duì)用于車輛制冷機(jī)組的熱交換器的研究較少。且其中大多數(shù)研究主要集中在使用簡(jiǎn)單方法或者單一的影響因素對(duì)熱交換器進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。為了系統(tǒng)地研究蒸發(fā)器控制的制冷機(jī)組車輛室內(nèi)溫度環(huán)境的性能，以熱交換器作為蒸發(fā)器，利用空氣焓差法在4種翅片形狀、5種翅片節(jié)距、4種管排數(shù)以及6種空氣流量的試驗(yàn)條件下，對(duì)熱交換器的空氣側(cè)換熱和壓降性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)室采用空氣焓差法來測(cè)量蒸發(fā)器的各項(xiàng)性能參數(shù)，包括制冷能力、制熱能力、風(fēng)量、功耗等，可作為蒸發(fā)器檢測(cè)和設(shè)計(jì)開發(fā)的重要手段。為了測(cè)試制冷機(jī)組蒸發(fā)器的傳熱和壓降性能，在該試驗(yàn)中用于空氣處理機(jī)組和所使用的制冷機(jī)組蒸發(fā)器性能測(cè)試的制冷系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備［7］如圖1所示，主要由空氣處理機(jī)組、制冷系統(tǒng)、腔室（chamber）等組成。空氣處理機(jī)組用于保持室內(nèi)的恒溫恒濕以及進(jìn)氣的溫度和濕度恒定，制冷系統(tǒng)由制冷循環(huán)組成，可保持制冷劑的溫度和流量恒定。將腔室的干球/露點(diǎn)溫度控制在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)（±0.3），并通過測(cè)量空氣流量、進(jìn)出口的干/濕球溫度來計(jì)算焓值，以計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱性能。在制冷劑方面，制冷系統(tǒng)中安裝了質(zhì)量流量計(jì)、RTD溫度傳感器和壓力計(jì)，以分別測(cè)量制冷劑循環(huán)流量、溫度和壓力數(shù)據(jù)。測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以2 s的間隔存儲(chǔ)，對(duì)5 min的測(cè)量值進(jìn)行平均，并測(cè)量7次以計(jì)算總平均值。本試驗(yàn)室可達(dá)到測(cè)試精度2%以內(nèi)，重復(fù)性精度±1%以內(nèi)。

圖 1 試驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic drawing of the experimental setup

為了了解蒸發(fā)器的性能，根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算出空氣側(cè)熱量Qa、制冷側(cè)熱量Qr、平均熱量Q。

式中，C，h——質(zhì)量流量、比熱、焓；

a，pa，oa，ia，r，or，ir——下標(biāo)，空氣、壓力、空氣側(cè)出口、空氣側(cè)入口、制冷劑、制冷劑側(cè)出口、制冷劑側(cè)入口。

圖2（a）（b）分別示出了試驗(yàn)研究用蒸發(fā)器的左側(cè)和右側(cè)的管道連接。分別對(duì)4種不同翅片形狀的蒸發(fā)器（圖3）進(jìn)行了試驗(yàn)研究。制冷機(jī)組蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表1，并且試驗(yàn)中的蒸發(fā)器的翅片厚度、路徑、外徑尺寸等參數(shù)均相同。本試驗(yàn)研究了翅片形狀、翅片節(jié)距、管排數(shù)和空氣流量的變化對(duì)蒸發(fā)器性能的影響。

圖2 蒸發(fā)器路徑示意Fig.2 Schematic diagram of the evaporator path

圖3 蒸發(fā)器的翅片形狀Fig.3 Fin shape of the evaporator

表1 蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)Tab.1 Structural specifications of evaporator

蒸發(fā)器的試驗(yàn)條件見表2?？諝鈧?cè)試驗(yàn)條件設(shè)定為大氣壓，吸入溫度為0 ℃，相對(duì)濕度為50%，空氣流量為20～70 m3/min，間隔為10 m3/min。制冷劑側(cè)試驗(yàn)條件設(shè)定為入口壓力為300 kPa，循環(huán)流量為347 kg/h。通過使用變頻器控制頻率來改變空氣流量。在空氣側(cè)和制冷劑側(cè)同時(shí)測(cè)量蒸發(fā)器的性能，并且獲得偏差小于±5%的數(shù)據(jù)。蒸發(fā)器在安裝時(shí)上下左右盡可能地隔熱，以確保在恒溫恒濕箱中安裝的數(shù)據(jù)測(cè)試儀的入口處測(cè)得的熱量不會(huì)泄漏，從而可以保持恒溫恒濕。在試驗(yàn)中，通過改變蒸發(fā)器的翅片形狀、管排數(shù)、翅片節(jié)距和空氣流量的同時(shí)試驗(yàn)每個(gè)蒸發(fā)器的制冷能力和壓降，通過相對(duì)性能比較以選擇最佳蒸發(fā)器以及不同參數(shù)對(duì)蒸發(fā)器性能的影響。

表2 蒸發(fā)器的試驗(yàn)條件Tab.2 Test inlet conditions of evaporator

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 翅片形狀對(duì)制冷能力和壓降的影響

翅片形狀和空氣流量（20，40，60 m3/min）對(duì)制冷機(jī)組蒸發(fā)器制冷能力及壓降的影響如圖4所示。由圖4（a）可知，在空氣流量20 m3/min時(shí)，以平板狀翅片為基準(zhǔn)，波紋狀、條縫和百葉窗翅片的制冷能力分別增加了18%，34%，56%；在空氣流量40 m3/min時(shí)，制冷能力分別增加了11.6%，16.3%，18.6%；在空氣流量60 m3/min時(shí)，制冷能力分別增加了1.9%，2.9%，3.9%；在相同的試驗(yàn)條件下，百葉窗翅片與平板狀、波紋狀、條縫翅片相比具有最佳的傳熱能力。然而，隨著空氣流量增大，4種不同翅片形狀的蒸發(fā)器制冷能力差異為1%，冷卻能力反而大大降低。隨著翅片形狀變化，蒸發(fā)器的空氣側(cè)熱流動(dòng)過程變得活躍從而可以增加傳熱能力。然而，根據(jù)翅片形狀，空氣側(cè)的壓降有可能增加，因此本試驗(yàn)也研究了不同翅片的壓降性能。

圖4 翅片形狀對(duì)蒸發(fā)器制冷能力和壓降的影響Fig.4 Effect of fin type on cooling capacity and pressure drop

由圖4（b）可知，在空氣流量20 m3/min時(shí)，以平板狀翅片為基準(zhǔn)，波紋狀、條縫和百葉窗翅片的空氣側(cè)壓降分別增加了30.4%，140.2%，250.0%；在空氣流量40 m3/min時(shí)，壓降分別增加了40.0%，160.0%，340.0%；在空氣流量60 m3/min時(shí)，壓降分別增加了33.3%，116.7%，266.7%；在相同的試驗(yàn)條件下，百葉窗翅片與平板狀、波紋狀、條縫翅片相比，壓降最大。隨著空氣流量增大，4種不同的翅片形狀蒸發(fā)器的壓降線性增大。綜上所述，由圖4（a）（b）可知，雖然百葉窗翅片的制冷能力最佳，但是相應(yīng)的壓降最大。平板狀翅片與波紋狀、條縫、百葉窗翅片相比，制冷能力對(duì)比壓降降幅的增加比率分別為約3.4倍、9.1倍和16.9倍，其中波紋狀翅片最低。因此，選用波紋狀翅片蒸發(fā)器制冷機(jī)組。

2.2 翅片節(jié)距對(duì)制冷能力和壓降的影響

空氣流量為40 m3/min時(shí)，翅片節(jié)距對(duì)制冷機(jī)組蒸發(fā)器的制冷能力和壓降的影響，如圖5所示。

圖5 翅片節(jié)距對(duì)蒸發(fā)器制冷能力和壓降的影響Fig.5 Effect of fin pitch on cooling capacity and pressure drop

由圖5（a）可知，隨著波紋狀翅片節(jié)距的增大，蒸發(fā)器的制冷能力逐漸變小。當(dāng)節(jié)距從3 mm變化為4 mm時(shí)，蒸發(fā)器的制冷能力降低約2%；當(dāng)節(jié)距從4 mm變?yōu)? mm時(shí)，蒸發(fā)器的制冷能力降低約4%；當(dāng)從5 mm變?yōu)? mm以及從6 mm變?yōu)? mm時(shí)，制冷能力降低約10%和16%。該結(jié)果表明，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，蒸發(fā)器的制冷能力在節(jié)距為5 mm以上時(shí)，制冷能力增幅不大，大于5 mm時(shí)制冷能力大大降低。由圖5（b）可知，隨著波紋狀翅片節(jié)距的增大，蒸發(fā)器的壓降逐漸變小。當(dāng)節(jié)距從3 mm變化為4 mm時(shí)，蒸發(fā)器的空氣側(cè)壓降降低約19.6%；當(dāng)節(jié)距從4 mm變?yōu)? mm時(shí)，蒸發(fā)器的壓降降低約14.9%；當(dāng)從5 mm變?yōu)? mm以及從6 mm變?yōu)? mm時(shí)，壓降降低約12.1%和11.7%。綜上所述，由圖5可知，翅片節(jié)距5 mm以上時(shí)，蒸發(fā)器的制冷能力急劇減少，翅片節(jié)距5 mm以下時(shí)，蒸發(fā)器的壓降大幅增加。因此在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，翅片節(jié)距為5 mm最為合適。

2.3 管排數(shù)對(duì)制冷能力和壓降的影響

管排數(shù)的變化對(duì)蒸發(fā)器制冷能力的影響，如圖6（a）所示。單位管排數(shù)制冷能力是試驗(yàn)得到的制冷能力除以管排數(shù)計(jì)算出的單位制冷能力。由圖6（a）可知，隨著管排數(shù)的增加，制冷能力明顯增加，但是在增加到6排之后，增加量略有放緩。當(dāng)管排數(shù)從2變化為4時(shí)，蒸發(fā)器的制冷能力增加約78.9%；當(dāng)從4變?yōu)?時(shí)蒸發(fā)器的制冷能力增加約35.3%；從6變?yōu)?時(shí)蒸發(fā)器的制冷能力增加約15.2%。管排數(shù)為2時(shí)單位制冷能力最大為1.9 kW，隨著管排數(shù)的增加，單位制冷能力幾乎呈線性下降。

管排數(shù)的變化對(duì)蒸發(fā)器壓降的影響，如圖6（b）所示。單位管排數(shù)壓降是試驗(yàn)得到的壓降除以管排數(shù)計(jì)算出的單位壓降。由圖6（b）可知，隨著管排數(shù)的增加，空氣側(cè)壓降明顯增加，幾乎呈線性增加。當(dāng)管排數(shù)從2變化為4時(shí)，蒸發(fā)器的空氣側(cè)壓降增加約84.2%；管排數(shù)從4變?yōu)?時(shí)，蒸發(fā)器的壓降增加約41.6%；管排數(shù)從6變?yōu)?時(shí)，蒸發(fā)器的壓降增加約29.4%；但當(dāng)管排數(shù)從2變化為8時(shí)，蒸發(fā)器的空氣側(cè)壓降因管排數(shù)變化而增加約237.6%。在另一方面，從單位壓降來看，管排數(shù)為2時(shí)壓降最大為6.7 Pa，隨著管排數(shù)的增加，觀察到單位壓降呈逐漸下降趨勢(shì)。綜上所述，由圖6可知，綜合考慮管排數(shù)對(duì)單位制冷能力和壓降的影響，管排數(shù)為6時(shí)性能最合適。

圖6 管排數(shù)對(duì)蒸發(fā)器制冷能力和壓降的影響Fig.6 Effect of tube row on cooling capacity and pressure drop

2.4 空氣流量對(duì)制冷能力和壓降的影響

空氣流量對(duì)蒸發(fā)器的制冷能力及壓降的影響，如圖7所示。由圖7（a）可知，隨著空氣流量的增大，空氣流量在20～50 m3/min時(shí)，制冷能力明顯增加，但是空氣流量在50～70 m3/min時(shí)，制冷能力上升量略有放緩。因?yàn)殡S著空氣流量的增加，翅片管中的對(duì)流傳熱增加，從而蒸發(fā)器的制冷能力接近最大制冷能力。對(duì)條縫和百葉窗翅片，在空氣流量為30 m3/min以上時(shí)，制冷能力的增加趨勢(shì)明顯趨緩，而在40 m3/min以上時(shí)，制冷能力的增加已不足1 kW。對(duì)于波紋狀翅片，在空氣流量為50 m3/min以上時(shí)，制冷能力的增加明顯降低。從該試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，與平板狀翅片相比，條縫、波紋狀和百葉窗翅片，在較低的空氣流量中顯示出更優(yōu)秀的制冷能力，隨著空氣流量的增加，翅片形狀的影響逐漸減少，蒸發(fā)器的制冷能力顯示出一定的性能極限。由圖7（b）可知，隨著空氣流量的增大，空氣側(cè)的壓降明顯增加。對(duì)于百葉窗翅片，在空氣流量為70 m3/min時(shí)，空氣側(cè)壓降增加最大，達(dá)到306 Pa。相對(duì)于平板狀翅片，波紋狀翅片的壓降增加了約38%，條縫翅片的壓降增加了213%，百葉窗翅片的壓降增加了約375%。4種不同的翅片形狀壓降性能比較順序?yàn)槠桨鍫睿疾y狀＜條縫＜百葉窗。綜上所述，由圖7可知，與平板狀翅片不同，條縫、波紋狀和百葉窗翅片的制冷能力在空氣流量超過40 m3/min時(shí)增幅明顯減少，由此刻判斷出，空氣流量在40 m3/min左右時(shí)制冷能力和壓降最為合適。因此，在該試驗(yàn)中，可以判斷出相比于百葉窗和條縫翅片，波紋狀翅片更為合適。

圖7 空氣流量對(duì)蒸發(fā)器制冷能力和壓降的影響Fig.7 Effect of air flow on cooling capacity and pressure drop

3 結(jié)論

（1）4種不同翅片形狀的蒸發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果表明，同時(shí)考慮制冷能力和壓降，波紋狀翅片制冷能力較強(qiáng)且壓降增加率最低，約為百葉窗翅片的20%，因此選擇了翅片形狀為波紋狀的蒸發(fā)器。

（2）5種不同翅片節(jié)距的蒸發(fā)器試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于波紋狀翅片熱交換器，綜合考慮制冷能力和壓降性能，翅片節(jié)距為5 mm時(shí)蒸發(fā)器性能最佳。

（3）4種管排數(shù)的蒸發(fā)器的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著管排數(shù)的增加，蒸發(fā)器的制冷能力和壓降同時(shí)增加。綜合2種性能評(píng)估，制冷機(jī)組蒸發(fā)器的最佳管排數(shù)為6排。

（4）隨著空氣流量的增加，制冷能力和壓降增加?？諝饬髁吭?0～70 m3/min時(shí)，當(dāng)條縫、波紋狀和百葉窗翅片的空氣流量低于平板狀翅片時(shí)，制冷能力也較強(qiáng)。但是隨著空氣流量的增加，壓降也顯著增加。根據(jù)制冷能力和壓降數(shù)據(jù)來看，流入蒸發(fā)器的空氣流量約為40 m3/min最為合適。