进风条件对平行流冷凝器性能的影响

赵兰萍， 高 磊， 刘彦麟， 杨志刚

(1. 同济大学 机械与能源工程学院， 上海 201804； 2. 同济大学 上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室， 上海 201804；3. 北京民用飞机技术研究中心， 北京 102211)

空调系统的室外冷凝器，有时候会由于使用不当，形成进风遮挡或阻塞，引起系统性能的降低.在汽车空调系统中，冷凝器前端进风流场不仅随车型和车况而变化，也受到发动机舱内元件布置的影响.例如冷凝器前端布置低温散热器、中冷器和风扇等部件，都会对冷凝器的流动换热特性产生影响，进而影响整个空调系统的性能.因此，有必要对不同进风条件下的冷凝器的性能进行研究[1-2].

前端进风不均匀分布对冷凝器换热性能的影响已引起学者的关注.Chiou[3]通过建立多孔扁管型冷凝器离散模型，对4种来流空气分布情况进行仿真，发现不同的进风速度分布对冷凝器的换热性能有着不同的影响，并定义了空气不均匀因子来衡量空气不均匀性对冷凝器换热的影响程度.Rabas[4]利用数值模拟研究了非均匀气流分布下的空冷式叉流冷凝器的换热性能.结果显示，非均匀气流分布会导致冷凝器的热性能下降.但是冷凝器由于非均匀进风引起的换热性能衰减较小，即使在极端的非均匀气流分布下换热器的性能衰减最大只为 7%.Jugert等[5]通过数值模拟和试验研究了不同冷凝器迎面气流分布对汽车空调系统带来的影响，发现不同气流分布对冷凝器的影响区别较大.为了模拟冷凝器前不均匀气流分布，笔者在冷凝器前方布置了一个换热器遮挡冷凝器进风进行台架试验，并与均匀进风时的结果进行对比.结果发现，冷凝器的换热能力和系统性能分别下降了7%～22%和15%～42%.Datta等[6-7]用多种挡板对冷凝器迎风表面进行30%，40%与50%的遮挡，试验和仿真研究的结果表明，与均匀进风条件相比，50%遮挡率时冷凝器换热衰减了3.2%.Mao等[8]建立了制冷剂侧均匀分配的冷凝器离散仿真模型，假设了4种不均匀进风情况，研究了空气侧不均匀对换热能力的影响.仿真结果表明空气侧的不均匀会导致换热量减少，压降增加，并且不同的空气侧不均匀分布对换热性能和整体压降影响程度不同.

极大多数冷凝器仿真模型都假设制冷剂在从集管进入扁管时为均匀分配[3, 7-8]，实际冷凝器中的制冷剂侧分配不均会带来一定的性能衰减[9].Wang等[10]利用压降相等原理，建立了考虑制冷剂分配的平行流冷凝器模型.该模型相对于均匀模型，在换热量与压降的预测上更加准确，能更好地反映平行流冷凝器的实际换热情况，同时可以反映制冷剂侧的分配情况.

本文将在采用考虑制冷剂侧流量分配的冷凝器模型的基础上，就不同前端进风条件对平行流冷凝器性能的影响进行研究，同时揭示进风条件对制冷剂侧流量分配产生的影响.

1 冷凝器模型建立

1.1 平行流冷凝器结构

本文的研究对象是轿车空调系统中所使用的微通道冷凝器，该冷凝器共4个流程，结构如图1所示.制冷剂通过进口集管进入第一流程后沿扁管流动，重新汇合于出口集管后进行分配，流入下一个流程.冷凝器各个扁管间采用波纹型百叶窗翅片结构.冷凝器具体结构参数见表1，制冷剂使用R134a.

1.2 平行流冷凝器模型建立

采用分布参数法将整个冷凝器划分成多个微元.扁管与集管的划分方法如图2和图3所示.扁管沿管长方向划分为多个微元，集管的划分根据模型的要求，分别将两个相邻扁管中心线之间的集管划分为一段.建模过程中，做以下假设：

图1 微通道冷凝器结构示意图

项目值项目值翅片高度8mm扁管宽度16mm翅片宽度16mm小孔数10翅片厚度0．1mm微通道宽1．3mm翅片间距1．3mm微通道高1．6mm百叶长度6．8mm扁管壁厚0．1mm百叶间距1．3mm扁管长度606mm百叶角度27°集管内径18mm扁管厚度1．8mm流程管数15，7，5，4

(1) 制冷剂在各个流程的流动和换热相互独立.

(2) 进出口集管简化为一系列T型结构，忽略制冷剂在相邻T型结构之间的回流和流态变化，同时不考虑换热[10-11].

(3) 制冷剂在集管中混合均匀，认为每根扁管入口焓值相等.

(4) 扁管各小孔内制冷剂具有相同的质量流量和温度分布.

(5) 忽略微通道内的制冷剂轴向导热，扁管内制冷剂的流动简化为沿管长方向的一维流动.

(6) 平行流冷凝器稳态工作，每一个微元内制冷剂和空气的状态参数不随时间变化.

(7) 忽略不凝性气体和管内外污垢热阻对换热的影响.

1.2.1制冷剂分配不均下的压降相等原理[10]

如图2所示，制冷剂进入进口集管后，经过分配进入该流程的各个扁管中参与流动换热.根据压降相等的原理，在一个流网中，两个节点之间的压降应该相等.本文所研究的平行流换热器的第一流程的进口集管和第四流程的出口集管上进出管位置不是在集管的顶端位置，与参考文献中的换热器结构[10]上有一些差别，因此这里以第一流程为例，简要说明一下该种建模方法.

如图2所示，制冷剂入口管在进口集管上中部位置.在入口管之上的扁管与集管内制冷剂的压降关系如下：

ΔPihd, j+ΔPtube, j+ΔPehd, j=ΔPtube, j+1

(1)

式中：ΔPihd, j为当前流程第j个进口集管微元段的压降;j为当前流程的扁管编号，j=1,2,…,m，m为当前流程的扁管总数;ΔPtube, j为当前流程第j根扁管的压降;ΔPehd, j为当前流程第j个出口集管微元段的压降; ΔPtube, j+1为当前流程第j+1根扁管的压降.

图2 微通道冷凝器集管划分(第一流程)

在进口管位置以及下方的扁管与集管内制冷剂的压降关系如下：

ΔPihd, j+ΔPtube, j+1=ΔPehd, j+ΔPtube, j

(2)

1.2.2微元内换热及压降计算方法

冷凝器中制冷剂分为过热、两相和过冷三种状态，换热和压降根据制冷剂不同状态选择不同的换热关联式与压降关联式进行计算，模型计算中所采用的计算关联式见表2.模型计算时，集管内只考虑压降.扁管内考虑换热和压降，扁管压降包括扁管内部的摩擦压降、加速压降、扁管进出口的突缩压降和突扩压降，扁管换热计算采用传热单元数法，空气与制冷剂流动方式为叉流[11-12].

整个计算过程如图2与图3所示，第j(i)个集管(扁管)微元出口状态为第j+1(i+1)个微元的进口状态.图3中，ΔPtube,c, j是第j根扁管的进口突缩压降，ΔPtube,e,j是第j根扁管的进口突缩压降，mr,j+1,i为第j+1根扁管的第i微元内流过的制冷剂质量流量，mr,unit,j+1,i+1为第j+1根扁管的第i+1微元内流过的制冷剂质量流量，n为扁管划分的总微元数，Pin,j+1,i+1为第j+1根扁管的第i+1微元的进口压力，Pout,j+1,i为第j+1根扁管的第i微元的出口压力，hin,j+1,i+1为第j+1根扁管的第i+1微元的进

表2 关联式选择[11]

图3 集管和扁管微元划分

口压力，hout,j+1,i为第j+1根扁管的第i微元的出口压力.

1.3 计算流程

制冷剂在扁管和集管内压降可以认为是制冷剂质量流量的非线性函数，通过第1.2.1节中的压降相等原理和质量守恒定律可以在一个流程中建立NP个非线性方程组成的非线性方程组(NP是第P流程的扁管数，P为流程数)，通过求解后最终可以得到NP个扁管的质量流量，本文中P=1, 2, 3, 4.模型计算步骤如下：

(1) 输入冷凝器几何尺寸，空气侧进风速度和温度分布，冷凝器进口压力、进口温度和制冷剂总质量流量.

(2) 预设第一流程每根扁管制冷剂质量流量mr,1,j=G/N1，G为总质量流量，扁管编号j=1，2，…，N1.将预设流量作为迭代初始值，输入非线性方程求解器中求解，迭代求解过程中压降收敛的精度控制在10-4以内.然后得到该流程的制冷剂分配情况、换热量、压降和制冷剂侧与空气侧出口状态等.

(3)第二流程的制冷剂入口状态为第一流程制冷剂的出口状态，计算过程同步骤(2).

(4)依次按照流程进行计算，直至第四流程计算结束，整个冷凝器的仿真计算结束，输出计算结果.

2 台架试验验证

利用上海某空调设备有限公司的汽车空调系统试验台对模型进行试验测试，该试验台采用空气焓差法原理设计，如图4所示.试验过程中使用的测量仪表精度见表3.冷凝器台架试验工况参数见表4.

图4 汽车空调系统焓差室装置原理图

测量项目仪表设备仪表精度分辨率制冷剂温度热电偶±0．5°C<0．2°C制冷剂压力压力传感器0．1%<30Pa空气温度PT100±0．2°C<0．1°C空气压差微压差变送器>0．25%<10Pa大气压力绝对压力变送器0．1%<30Pa

图5是4个工况条件下平行流冷凝器换热量和压降的模拟值与实验值的对比情况，在不同的工况下换热量与实验值相对误差都在±5%以内，制冷剂侧压降与实验值偏差都在±10%以内.说明考虑制冷剂侧流量分配后，较好地改变了以往该类冷凝器压降仿真误差偏大的局面[10-12].

表4 试验工况

3 结果与分析

3.1 遮挡方式对冷凝器性能的影响

平行流冷凝器在实际应用的多种场合中，有些

图5 模型计算结果与实验结果对比

安装条件下冷凝器前端会有不可避免的遮挡，或者长时间使用后翅片间隙被灰尘堵塞和翅片变形都会造成冷凝器产生不同类型和不同程度的遮挡效果.如图6所示，假设了3种冷凝器前端进风遮挡方式.图中阴影部分为前端遮挡区域，三种遮挡方式的遮挡率都为50%.图6中4种情况空气侧进风温度都为35°C，考虑到冷凝器进风遮挡时，冷凝器的背面存在由于自然对流而产生的换热，因此在这里假设未遮挡部分进风速度为4.5 m·s-1，遮挡部分进风速度为0.1 m·s-1.对上述遮挡条件下的平行流冷凝器性能和制冷剂侧质量流量分配情况进行研究，制冷剂进口状态选取试验中风速为4.5 m·s-1工况时的进口状态.

a无遮挡b均匀格栅遮挡

c中间遮挡d四周遮挡

图6冷凝器前端理想遮挡方式

Fig.6Differenttypesoffrontalblockage

图7是未遮挡情况与三种遮挡情况下的冷凝器性能对比.从图中可以看到，格栅遮挡时换热量减少47.1%，压降增加299%；中间遮挡时式换热量减少47.9%，压降增加335.5%；四周遮挡时换热量减少45.6%，压降增加246.4%.三种遮挡方式中，中间遮挡造成的冷凝器性能衰减最多.

图7 遮挡方式对换热量和压降的影响

从图8可以看出，三种遮挡方式下，冷凝器中受到遮挡的流程的换热量相对于未遮挡情况下的对应的流程换热量均有所减小.图9的冷凝器各流程制冷剂干度分布(图中将各流程入口设定在坐标轴左侧)表明，只有未遮挡情况时，制冷剂在冷凝器第四流程达到了过冷状态，而中间遮挡情况下冷凝器第四流程中的制冷剂干度最大.

从图10的冷凝器各个流程的压降对比可以看出，三种遮挡方式下，冷凝器制冷剂在第二、第三和第四流程内的压降要大幅大于未遮挡时对应流程的压降.中间遮挡情况时由于制冷剂在第三和第四流程时干度较大，密度较小，因此总压降最大.

图8 不同遮挡条件下各流程换热量对比

图11是未遮挡情况与三种遮挡方案的扁管内制冷剂流量分配情况对比，图中mr,P,j是第P流程中第j扁管的质量流量，mr,P,u对应第P流程每根扁管内的平均质量流量.相对于未遮挡情况，三种遮挡情况下冷凝器的扁管内制冷剂质量流量分配受到了遮挡的影响.同一个流程中，被遮挡的扁管与未被遮挡的扁管内的制冷剂流量有差别，第一流程内，被遮挡的扁管内制冷剂质量流量较大.第二流程、第三流程、第四流程内时情况则相反，进风被遮挡的扁管内制冷剂质量流量较小.

a无遮挡b均匀格栅遮挡

c中间遮挡d四周遮挡

图9遮挡方式对制冷剂干度分布的影响

Fig.9Influenceofdifferentblockagetypesonthequalitydistributionofrefrigerant

图10 不同遮挡方式下各流程压降对比

图11 遮挡方式对制冷剂流量分配影响

Fig.11Influenceofdifferentblockagetypesonthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypass

为了说明造成遮挡后冷凝器扁管内的制冷剂流量分配情况的原因，图12将格栅遮挡情况下冷凝器第一流程的扁管1(未被遮挡)与扁管2(被遮挡)的微元内干度与压降变化进行了对比.因为扁管内的压降由制冷剂质量流量及制冷剂状态共同决定，扁管1与扁管2由于空气侧进风情况不同，导致制冷剂状态不同，因此为了满足压降相等原理，扁管1与扁管2内的制冷剂质量流量有所不同，扁管2(被遮挡)内的制冷剂质量流量较大.

图12 格栅遮挡第一流程第1根扁管与第2根扁管干度及压降对比

Fig.12Comparisonofqualityandpressuredropoftube1andtube2ofpass1underthegrilleblockagecondition

对平行流冷凝器每个流程扁管内制冷剂分配的不均匀程度用标准差σP值衡量，公式如下：

(3)

对平行流冷凝器整体的制冷剂分配不均匀程度用σcond[10]定义：

(4)

式中：Ncond为冷凝器扁管总数.

图13为不同遮挡情况下制冷剂流量分配σP值与σcond对比.未遮挡时，平行流冷凝器各个流程扁管制冷剂流量的σP值相对较小.由于格栅遮挡方式在每个流程中都遮挡了部分扁管，因此每个流程的σP值都较大.中间遮挡方式与四周遮挡方式只造成了第一流程与第三流程中扁管的换热不同，因此第一流程与第三流程的σP值较大，两种遮挡下第四流程的扁管压降远大于集管压降，因此制冷剂分配接近均匀，图中已经无法明显显示对应的σP.最后从σcond值可以看出格栅遮挡方式下制冷剂流量分配的不均匀程度最大.

图13 不同遮挡情况下σP对比与σcond对比

3.2 前置散热器对冷凝器性能的影响

有些汽车的冷凝器前端安装有低温散热器和中冷器等散热部件，冷却空气经过散热部件后速度和温度上都会发生变化.如图14所示，为了接近汽车前端实际进风情况，人为假设了三种进风条件，图中ta为来流空气温度，va来流风速.图14中，未放置散热器时整体进风均匀，速度为4.5 m·s-1，进风温度为35°C，冷凝器下部12根扁管前方设置了一个散热器，经过该散热器的空气有以下三种变化：① 速度降低50%，温度不变，即局部风速降低；② 温度增加10°C，速度不变，即局部风温升高；③ 速度降低50%和温度增加10°C，即局部风速降低且风温升高.对上述三种进风条件下的平行流冷凝器性能和制冷剂侧质量流量分配进行研究，制冷剂进口状态取试验中4.5 m·s-1工况时的进口状态.

图14 冷凝器前放置散热器造成的进风变化

图15对比了4种进风条件下换热器的换热量与压降的差别.相对于未放置散热器的情况，局部风速降低时冷凝器换热量减少了12%，压降增加了37.7%；局部风温升高时冷凝器换热量减少了16.9%，压降增加了53%；局部风速降低且风温升高时冷凝器换热量减少了24.1%，压降增加了80%.在所研究的条件下，相对于局部风速降低，局部风温升高对换热器换热性能的衰减和压降的增加影响更大.

图16和图17分别对4种进风条件下冷凝器各个流程的换热量和压降进行了对比.可以看出冷凝器前端放置散热器时空气进风状态不一致影响了第二流程的部分扁管，以及第三流程和第四流程的所有扁管，导致冷凝器第三流程的换热量减少最多，第四流程压降增加最多.

图15 4种进风条件下冷凝器换热量与压降对比

图16 4种进风条件下冷凝器各流程换热量对比

图17 4种进风条件下冷凝器各流程压降对比

空气侧进风状态不一致对制冷剂侧流量分配也产生了影响.图18为4种进风条件下的扁管内制冷剂质量流量分配对比.与未放置散热器时不同，冷凝器前端放置散热器时，第二流程的下部3根扁管和上部4根扁管的来流空气速度或温度存在差别，根据第3.1节中的分析可以知道，同一流程的扁管之间换热情况不同将会影响制冷剂侧流量的分配情况.从图18中可以明显看到前端放置散热器增加了平行流冷凝器第二流程的制冷剂侧流量分配的不均匀程度，局部风速降低且风温升高的情况下整体的制冷剂分配不均匀程度最大.

图18 4种进风条件下冷凝器各流程扁管流量分配情况

Fig.18Influenceoffourairflowtypesonthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypass

3.3 冷却风扇布置对冷凝器性能的影响

本节研究冷凝器冷却风扇单、双布置对冷凝器性能产生的影响.人为假设进风速度分布如图19所示.两种气流分布分别是空间抛物面型的气流分布和双峰面型气流分布，等速线接近圆形，尽可能接近实际风扇送风分布.两种风扇布置方式，保持通过冷

a 单风扇

b 双风扇

凝器的总风量不变，平均风速为4.5 m·s-1.制冷剂进口状态取试验中风速为4.5 m·s-1的工况的进口制冷剂状态.

从图20中可以看出，与均匀进风相比，单风扇进风情况下，换热量比均匀进风时少了0.17 kW，压降增加了2 kPa；双风扇进风情况下，换热量与均匀进风时无明显差别，而压降减小了1.3 kPa左右.单风扇情况时进风速度不均匀程度较双风扇情况下的进风速度不均匀程度为大，因此对冷凝器性能产生的影响相对较大.

图20 单、双风扇布置与均匀进风情况下性能对比

Fig.20Comparisonofperformanceofthecondenserunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

图21是两种风扇布置方式与均匀进风时的平行流冷凝器扁管制冷剂质量流量分配情况对比.单风扇与双风扇情况下，冷凝器的风速峰值在第16根集管上，单风扇与双风扇的空气来流使得第一流程靠近下部分的扁管换热性能较好，因此下部分扁管内的制冷剂流量较大，第二流程、第三流程和第四流程中的制冷剂流量则是流程中靠上的扁管内制冷剂流量较多.

图21 单、双风扇布置与均匀进风情况下流量分配情况对比

Fig.21Comparisonofthemassflowratedistributionamongeachtubeineverypassunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

图22为单、双风扇进风和均匀进风时冷凝器各个流程扁管流量的σP值对比与整体制冷剂分配不均匀程度σcond对比.可以看到单、双风扇进风条件下平行流冷凝器各个流程的制冷剂侧不均匀程度都大于均匀进风情况，单风扇进风形式由于空气侧的不均匀程度大于双风扇进风形式，因此其冷凝器整体制冷剂流量分配σcond值最大.

图22 单、双风扇布置与均匀进风情况下流量分配σP值对比和σcond对比

Fig.22ComparisonofσPandσcondunderthesinglefan,doublefansanduniformairflowconditions

4 结论

(1) 平行流冷凝器前端遮挡率为50%时，本文所研究三种遮挡方式中，中间遮挡方式时平行流冷凝器的换热性能衰减最多，压降增加最大，换热量减少了47.9%，压降增加了335.5%.不同遮挡方式下制冷剂侧流量分配情况不同，格栅遮挡方式下制冷剂侧流量的分配不均匀程度最大.

(2) 平行流冷凝器前端放置散热器时的三种进风条件下，局部风温增加10°C对冷凝器性能衰减的影响大于局部风速降低50%.局部进风风速降低且风温升高造成冷凝器的性能衰减最大，换热量减小24.1%，制冷剂侧压降增加80%.散热器的遮挡导致平行流冷凝器在第二、第三和第四流程的换热量衰减较大，第三和第四流程的压降增加较多.冷凝器前放置散热器只造成了第二流程制冷剂侧流量分配不均匀程度增加.

(3) 总风量不变时，相对于均匀进风情况，单双风扇进风对平行流冷凝器整体的换热与压降影响较小，但是制冷剂侧的流量分配不均匀性程度增加较多.

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