关于城市轨道交通车辆空调机组热交换器型式浅析

摘要：随着我国城市化水平不断提高，人们对空调的需求越来越大，社会也对空调使用予以极大关注。空调机组是城市轨道交通车辆的重要组成部分，在保证列车舒适性方面至关重要。本文将对空调机组热交换器的型式进行分析，针对目前空调机组的实际使用状况，提出制冷空调专业的改革新举措，进而促进空调工程领域的发展。

关键词：城市轨道交通;空调;车辆;热交换器

0  引言

目前城市轨道交通车辆空调机组热交换器大多采用的是铜管铝翅片的形式，设计使用寿命是15年，每五年进行一次架修，10年进行一次大修。空调机组热交换器主要包括蒸发器和冷凝器，冷凝器裸露在外，蒸发器在室内腔，另一方面在空调制冷工况下冷凝表面温度过高，在架修过程中发现冷凝器表面亲水膜已经有不同程度的破损，而蒸发器状态较好。下面将对不同材质的热交换器研究，分析优劣。

1  空调机组热交换器的作用

空调机组热交换器主要作用是实现空气和空调系统管路内冷媒之间的热量交换，从而实现室内空气降温或升温。热交换器的组成主要有铜管和翅片。热交换器，是蒸发器和冷凝器的统称，蒸发器的作用是使制冷剂液体气化蒸发，从外界吸收热量;而冷凝器是向外界散热，使制冷剂气体降温液化。

2  空调机组热交换器的材料分析

2.1 空调行业现状

热交换器作为空调机组的关键部件，目前城市轨道交通车辆空调机组合同中多数采用铜管铝翅片热交换器，但近几年来，行业中有人提出使用铜翅片的方式。

2.2 铜、铝翅片导热的对比

把纯铜和纯铝这两种材料的一些物理特性作了个简单对比，如表1所示。

从表1中大家都会觉得铜的导热能力强，就是因为铜的导热系数比铝的要高不少（此处指纯铜和纯铝），这个也确实是。但是一个散热器散热能力的好坏不仅仅只考虑材料的导热系数有关，还和散热面积、散热器的形状、空气流动等状况有关。

再看后两个参数，光看比热容这个数字，铜的比热容更小，就应该是它的温度升的更快，更容易散热（热力学定律，温度梯度越大，传热越快），似乎是没错，但是……还要看看它们的密度。铜的密度是铝的3.3倍，散热器是一个讲尺寸的产品，不能无限做大，那同样体积大小下，到底是铜的热容小还是铝的热容小呢？不妨简单计算下。

假设都是一立方厘米大小的材料，铜的重量为8.9克，让它上升1K，需要3.4kJ的热量，此大小下铝的重量为2.7克，让它上升1K，需要的热量是2.4kJ，也就是说，单位体积下，铝的热容量只有铜的70%，它的散热更快。

所以说，铜的导热系数虽然比铝的高，热量从翅片到环境间的传递阻力小，但是，同体积下它的热容量更大些，温度上升慢，这样温度梯度小，综合传热能力并不见得比铝的好多少。

在热力学中，传热速率方程式为：Q=KAΔt

其中Q为传递的热量，K为材料的导热系数，A为传热面积，Δt为温度差，在同样体积下，假设A是一样的，Q主要就由材料导热系数与热量传递介质间的温度差决定了。以冷凝器为例，散热其实是两个过程，一个是吸收冷媒的热量到散热器，另一个是从散热器到环境（空气）。

对于纯铜散热器，热量从铜管到散热器，因为K更大，Δt也大（散热器与铜管间的温度差，因为同体积下铜的升温慢），这个过程中的传热速率是明显好过纯铝散热器的，但是到了第二个阶段，热量从散热器传到空气时，K是一样的（都是空气），Δt则是纯铜散热器更小（这儿是散热器与空气的温度差），在这个过程，纯铜散热器的效率是低于铝质散热器的。一直有个说法，铜吸热快，铝散热快，还是很有道理的。

为了弄清这个问题，查找相关实验数据，之前有人对电脑CPU散热器的材质做过一个实验。同样的两个电脑，分别安装纯铜散热器和铝制散热器U120E，在电脑空闲状态下，两种CPU散热器的温度均为44℃，在电脑工作状态下，铝制散热器U120E的温度为71℃，而铜制散热器的温度为67℃。如图1所示。

参照相关实验结果，在这样的高成本、大重量的前提下，纯铜散热器带来的性能收益其实是非常低的，也仅仅比普通的U120E低了4度而已。

总的来说：纯铜散热器成本高，寿命长、耐腐蚀、效果相对较好。加工更难，性价比低，铝质散热器价格便宜、密度低、容易加工成形，硬度好。寿命较短、不耐蚀、散热器的散热性能比铜较差。

2.3 列车实际情况

根据空调机组实际使用情况分析，蒸发器处于室内腔，冷凝器裸露在外，使用环境不同。

蒸发器降温除湿过程中翅片上会产生凝结水，为了防止凝结的水滴不被送风带入车内，翅片上需增加亲水膜，親水膜可“抓”住水滴使其不被风吹走并顺着翅片向下流入水盘，然后集中排至车外。

铜翅片无亲水型式，如采用铜翅片，存在较大的送风带水风险，由此可能将冷凝水吹入车内，因此，蒸发器较少使用铜翅片。

蒸发器处于室内腔，不接触紫外线及雨水，亲水膜铝翅片可满足防腐要求。

冷凝器直接与外界进行接触，在架修过程中发现亲水膜已经存在不同程度的破损。

3  空调机组热交换器结构分析

根据权威机构的测试，图3结构尺寸为6排、有效高度为600、有效长度为610、片距2.0mm条缝铝翅片的椭圆管换热器与圆管换热器在相同工况与2.5m/s风速下。

椭圆管与圆管对比，气流更均匀，管后换热不充分面积小，从测试结果对比中可以看出，椭圆管换热器;风侧阻力比圆管换热器低50%，供冷量比圆管换热器高12%，冷风比提高14%。

4  关于空调机组热交换器选型建议

①在成本允许的情况下，蒸发器使用铝翅片亲水膜型式，冷凝器使用紫铜型式，或者研究铜铝合金材料等。②厂家改变亲水膜的工艺，提高抗紫外线、耐腐蚀度能力。避免亲水膜在长时间使用后的破损。③通过改变铜管结构（如椭圆状），提高制冷效果。④热交换器与空调机组水盘的配合精度需要考虑，配合缝隙不宜过大。

5  结束语

不同翅片型式的换热器，其空气侧换热系数及阻力特性均有所差异，大量的实验发现：在获得好的热交换器特性的同时，不可避免的造成成本、重量、体积等的增加。其次，空调工程中所使用的大部分换热器都是干、湿工况交替运行的，而不同翅片换热器在湿工况下的换热及阻力特性与干工况下相比，有很大差异。

另外，提高换热器铜管单位质量的换热效率，是提高空调铜管使用性价比的主要思想，如对铜管内部沟槽的高度、数量及角度进行优化，同时也可对室内热交换器进行优化，在铝片的表面加工出凹凸状，扩大表面积，提高换热效率。铜管的数量也是影响散热量的重要参数，适当的增加铜管也可提高换热效率，但并不是越多越好。因此，如何正确选用翅片型式，对热交换器实际工作特性的影响不容忽视，最好的是在换热与成本、体积之间找到一种折中的方案。

参考文献：

[1]庞欣，甘卫平.空调热交换器铝翅片材耐蚀亲水性涂膜的研制[J].中国有色金属学报，1999（1）.

[2]胡俊伟，丁国良，张春路.热交换器形状对空调室内机性能的影响[J].制冷学报，2014（2）.

[3]杨丁丁，柳建华，宋吉.小管径内螺纹铜管在空调换热器上的应用分析[J].有色金属材料与工程，2017（06）.

作者简介：刘少波（1988-），男，陕西咸阳人，工程师，本科，2012年毕业于兰州交通大学车辆工程（电力机车方向）专业，获得工学学士学位，现在西安地铁从事地铁车辆架、大修、故障分析等技术管理工作。