汽车空调冷凝器选型设计研究

许振华，段福海，祖润青，张 军，王淑艳

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

汽车空调冷凝器选型设计研究

许振华，段福海，祖润青，张 军，王淑艳

（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

对冷凝器的选型提供设计思路。冷凝器有效迎风面积行业推荐值为15 %～25 %，具体值由风速分布均匀性和冷凝器单体换热效率决定。借助CFD和KULI等分析软件，在保证性能的基础上设计出更合理的尺寸，为汽车冷凝器前期提供设计依据。

冷凝器；汽车前端模块；选型设计

平行流式冷凝器具有表面传热系数高、结构紧凑、制冷剂充注量少、制冷剂侧和空气侧流动阻力小的特点。它采用全铝钎焊制成，由骨架结构的集管、起换热作用的扁管和开有百叶窗的翅片组成。具有质量轻、价格便宜、便于安装、坚固耐用、运行安全可靠等优点。故而汽车空调用冷凝器被现代高性能的平行流式冷凝器所取代。

随着汽车行业的发展，正向设计成为今后汽车行业的核心竞争力。汽车空调冷凝器实际能力设计，成为汽车空调系统设计的一大难题。以往，冷凝器能力设计常为蒸发器能力的2～3倍的经验数值。但由于车辆造型风格不一，经验系数已经不能满足实际需求，造成冷凝器能力不足或冷凝器能力（成本）过剩等不合理情况。

1 某车型冷凝器负荷计算和布置方案

1.1 空调系统冷凝器负荷

根据热力循环，空调冷凝器负荷计算公式为：冷凝器负荷能力Qc=蒸发器能力Qe+压缩机做功Qw=7.16 kW。

1.2 前端模块布置方案

冷凝器前端有格栅和防撞梁，后端有散热水箱和电子风扇，下部有中冷器，见图1。

图9(c)是MD/CD结构试验和有限元模拟的能量吸收情况，可以发现，试验和模拟结果非常接近，只是当冲击速度为6 m/s时，试验结果要略高于模拟结果，这是因为在6 m/s速度下，上面板的破裂导致部分弹性变形能耗散，而没有转化为冲头反弹的动能，最终被算作吸收能，所以试验结果略微偏高。

图1 前端模块布置方案

2 冷凝器实际能力需求理论计算

2.1 某冷凝器平台试验数据提取（表1）

表1 某平行流冷凝器试验数据（仅供参考）

2.2 冷凝器在某车型布置理论风速设计

冷凝器理论是设计风速。本文按高中低风速设计（具体项目可以分更细）：高风速区默认为格栅垂直冷凝器通风的有效面积22 %（约4 m/s以上风速区）；中风速区为格栅开孔周边但是可以通风的区域70 %（约1.5～4 m/s风速区）；低风速区域8 %（约1.5 m/s风速区）。

2.3 冷凝器实际能力和尺寸需求理论计算

冷凝器负荷按Qc=7.16 kW为例：高风速区单位换热量取7 W/cm2；中风速区单位换热量取3.5 W/cm2；低风速单位换热量取1.5 W/cm2。

高风速区：换热量Q1=7.16×22 %=1.575 kW，有效面积需求S1= 1.575×1 000/7=225 cm2。

中风速区：换热量Q2=7.16×70 %=5.012 kW，有效面积需求S2= 5.012×1 000/3.5=1 432cm2。

低风速区：换热量Q3=7.16×8 %=0.573 kW，有效面积需求S3= 0.573×1 000/1.5=382cm2。

冷凝器总有效面积需求S=S1+S2+S3=2 039cm2，冷凝器实际换热量需求Q=S×单位换热量（推荐值选取试验数据4.5m/s时对应换热量6 W/cm2）=2 039×6=12 234 W。即冷凝器换热能力需求4.5 m/s时，冷凝器换热量12 234 W，冷凝器尺寸需求有效面积2 039 cm2。

3 分析验证

3.1 校核验证

在数据设计初期可根据实际开孔面积和冷凝器实际尺寸，基于冷凝器平台试验数据进行步骤2.3反之校核。

以某车型为例，实际中网格栅开孔冷凝器垂直面积为25 %（默认高风速区） ，对CFD分析结果要求低于1.5m/s以下风速区域不超过8 %，其余中风速区为67 %。

高风速区：有效面积S1=2 039×25 %=509.75 cm2，换热量Q1=509.75×7=3 568.25 W。

中风速区：有效面积S2=2 039×67 %=1 366.13 cm2，换热量Q2=1 366.13×3.5=4 781.455W。

低风速区：有效面积S3=2039×8 %=184.72 cm²，换热量Q3=184.72×1.5=277.08W。

冷凝器实际换热量Q=Q1+Q2+Q3=8 626.785W＞空调系统冷凝器负荷Qc=7.16 kW，可以满足系统需求。

3.2 CFD分析验证

在CFD分析时期，可根据CFD实际风速分布和冷凝器实际尺寸，基于冷凝器平台试验数据进行步骤2.3反之校核。

1）方法1 以某车型为例，根据CFD分析的风速分布进行统计：高风速区有效面积为24 %（约4 m/s以上风速区）；中风速区有效面积69 %（约1.5～4 m/s风速区）；低风速区有效面积7 %（约1.5 m/s风速区）。

高风速区：有效面积S1=2 039×24 %=489.36 cm2，换热量Q1=489.36×7=3 425.52 W。

中风速区：有效面积S2=2 039×69 %=1 406.91cm²，换热量Q2=1 406.91×3.5=4 924.185 W。

低风速区：有效面积S3=2 039×7 %=142.73 cm²，换热量Q3=142.73×1.5=214.095 W。

冷凝器在整车上的换热量Qs=Q1+Q2+Q3=8 563.8 W＞空调系统冷凝器负荷Qc=7.16 kW，可以满足系统需求。

2）方法2 以某车型为例，根据CFD分析结果：风速分布均匀指数为0.65［1］。冷凝器在整车上的换热量Qs=Q×0.65=12 234×0.65=7 952.1W＞空调系统冷凝器负荷Qc=7.16 kW，可以满足系统需求。

3.3 KULI分析验证

基于CFD风速分布矩阵，载入KULI分析模型（图2）与冷凝器性能KULI数据平台进行耦合计算，输出制冷量性能曲线（图3）和相关参数（表2）。40 km/h时，冷凝器在整车上的换热量Qs=7.178W＞空调系统冷凝器负荷Qc=7.16 kW，可以满足系统需求。

图2 KULI分析模型

图3 制冷量性能曲线

4 总结及展望

通过实例分析，对冷凝器选型设计提供设计思路；冷凝器有效迎风面积推荐值为15 %～25 %，具体由风速分布均匀性和冷凝器单体换热效率决定；提高风速均匀性也是降低成本的一个方法，借助CFD和KULI等分析软件能够更合理地选择尺寸和保证性能。对于应用KULI软件的分析，需要输入尽可能准确的边界条件，尽量减少误差，达到真正实现一维分析优化空调系统的目的。

［1］ 许振华，祖润青，吴远培，等. HVAC蒸发器芯体流动均匀性及空调流道设计的研究［J］.中国新技术新产品，2016（2）：13-14.

（编辑 张每文）

Design and Type-selection of Automobile Air Conditioner Condenser

XU Zhen-hua，DUAN Fu-hai，ZU Run-qing，ZHANG Jun，WANG Shu-yan
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of HeBei，Baoding 071000，China）

This article mainly provides design ideas for condenser type selection. The industry recommended value of the condenser effective windward area is 15 % to 25 %，and the specific value is deter mined by the uniformity of the wind speed distribution and the heat transfer efficiency of the condenser. With the help of CFD and KULI and other analysis software，a more reasonable size is designed while ensuring the performance，which provides valuable reference for the future automobile condenser design at the preli minary stage.

condenser；automobile front-end module；type selection design

U463.851

A

1003-8639（2017）04-0065-02

2016-09-06；

2016-12-13

许振华（1985-），男，河南新乡人，主要研究方向为汽车空调设计；段福海（1979-），男，河北沧州人，主要研究方向为汽车电器；祖润清（1979-），男，河北高碑店人，主要研究方向为汽车电器；张军（1982-），男，河北保定人，主要研究方向为汽车空调设计；王淑艳（1972-），女，天津人，主要研究方向为汽车空调设计。