平行流式冷凝器熱力性能計算機輔助分析

摘要:利用計算機仿真技米，結(jié)合國內(nèi)外對汽車空調(diào)平行流式冷凝器的研究經(jīng)驗，通過建立平行流式冷凝器的換熱模型并進行仿真計算，對換熱器翅片布置、管路流程安排等改變后對來統(tǒng)熱力性能的影響程度作了分析研究，為平行流式冷凝器的優(yōu)化設計提供了輔助手段與理論參考.
　　關鍵詞:汽車空調(diào);平行流式冷凝器;仿真
　　中圖分類號:U463 文獻標識碼:A
　　為了追求更高的換熱性能，汽車空調(diào)冷凝器依次經(jīng)歷了管片式、管帶式、多元平行流式等結(jié)構(gòu)形式一平行流式冷凝器是由管帶式冷凝器發(fā)展演變而來，也是由扁管和波浪形翅片組成，散熱片上同樣開有百葉窗條縫，扁管是每根截斷的，兩端有集流管，依據(jù)集流管分不分段，可分為多元平行流式和單元平行流式.單元式的冷凝器集流管不打斷，制冷劑流動方向一致;多元式的冷凝器，集流管中有隔片打斷，每段管數(shù)不同，進人冷凝器時，制冷劑呈氣態(tài)，比容最大，管數(shù)也最多，隨著制冷劑逐漸冷凝成液體，其比容減小，管子數(shù)也相應變少，這種變通流程的結(jié)構(gòu)設計，使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，使制冷劑的流動和換熱情況更趨合理，使得在同樣迎風面下，平流式結(jié)構(gòu)與管帶式結(jié)構(gòu)相比，換熱性能提高了30%以上;而空氣側(cè)阻力不變，甚至減小;制冷劑側(cè)阻力減少7000^\'80%.平行流式冷凝器吸收了管帶式的各項新技術，是制冷劑從R12轉(zhuǎn)換成R134a的最適宜替換機型，鑒于多元平行流式冷凝器的諸多優(yōu)勢，它已成為目前最有前途的冷凝器形式.
　　本文建立了平行流式冷凝器的分布參數(shù)模型，編制了平行流式冷凝器的穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型仿真程序，并利用實驗結(jié)果對此進行了驗證.程序可用作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化設計，但考慮到生產(chǎn)實際，未對具體的流道尺寸、翅片微觀結(jié)構(gòu)等變化時部件性能的變化進行詳細分析.雖然這些在已有程序上實現(xiàn)起來非常容易，但實際應用過程中需要改變現(xiàn)有的模具和生產(chǎn)工序，使廠方望而生畏而最終成為紙上談兵[21.因此，著重運用程序?qū)ζ叫辛魇嚼淠鞯墓苈妨鞒贪才?、翅片布置進行了研究探討，以期在不需很大改動的前提下，為汽車空調(diào)平行流式冷凝器的性能改良提供理論參考.
    1 平行流式冷凝器熱力性能仿真
    1.1 模型簡化
    為了分析問題的主要矛盾，忽略一些次要因素，對平行流式冷凝器作如下假設:
    1) 在同一流程中各流道內(nèi)的制冷劑質(zhì)量流量相同，忽略各流道相互之間的傳熱，不考慮分液不均勻間題.
    2) 冷凝器內(nèi)制冷劑流動簡化為一維流動，制冷劑蒸氣和液體均不可壓縮，忽略其勢能.
    3) 忽略管壁軸向?qū)?，即沿翅片方向?qū)嵴純?yōu).
    1.2 換熱系數(shù)公式選取
    對換熱設備而言，正確地計算換熱系數(shù)非常重要，直接決定產(chǎn)品設計是否合理.廣泛查閱了相關的換熱公式[3-61，經(jīng)計算對比，最終確定選用以下公式進行計算.
    1.2.1 空氣側(cè)換熱系數(shù)
    由于空氣側(cè)換熱系數(shù)具有很強的結(jié)構(gòu)性，一般由實驗得出，為了理論計算的方法，可采用以下準則關系式:
             
    1.2.2 制冷劑側(cè)換熱系數(shù)
    1) 過熱階段:
    制冷劑在過熱階段屬于無集態(tài)變化，同時制冷劑在管內(nèi)又是受迫流運，根據(jù)其雷諾數(shù)的大小，又可分成尾流、紊流和過度區(qū)三種情況，在通常情況下，制冷劑雷諾數(shù)大于2 330，因而可作為紊流區(qū)來考慮.可按紊流公式計算管內(nèi)過熱區(qū)的換熱系數(shù):
            
    2) 飽和階段
    飽和兩相區(qū)是制冷劑蒸氣在管內(nèi)不斷冷凝的過程，冷凝液積聚在管子底部，占據(jù)了一定的冷凝面積，這樣使得按整個表面計算的冷凝換熱系數(shù)低于管外冷凝時的值.其換熱系數(shù)可按下式計算:
             
             
    1.3 換熱數(shù)學模型的建立
    從冷凝器進口開始，取一個微元體，對于該微元體可以建立兩個熱平衡方程:
              
              
    將式( 8) ,(9),(10)進行迭代計算冷凝器中各管段的熱量.
    1.4 試驗驗證
    對某平行流式冷凝器進行了微元劃分，對上述方程進行了離散，以R134a為工質(zhì)進行了仿真計算.該冷凝器制冷劑流道共36，分成5個流程，流程分配分別為:9;9;8;6;4.仿真與試驗結(jié)果對照如表
    1.仿真結(jié)果與實測值吻合較好，說明該程序可用于部件設計分析.
                    
    2 平行流式冷凝器結(jié)構(gòu)設計分析
    2.1 制冷劑流程分配影響
    在換熱器外型尺寸及流程數(shù)不變的的情況下，改變每個流程的流道數(shù)，經(jīng)仿真計算，結(jié)果列于表2.由于冷凝器的熱阻主要在空氣側(cè)，增大制冷劑側(cè)的傳熱系數(shù)帶來的效果不很明顯，由于冷凝初期制冷劑的比容較大，流速較快，為減小流阻，前一流程流道數(shù)應略多些.
                  
    2.2 翅片布置的影響
    2.2.1 翅片高度的影響
    圖 1給出了空氣側(cè)換熱系數(shù)隨翅片高度的變化，隨著翅片高度的增加，空氣側(cè)換熱系數(shù)減小，但單位管長的總外表面積增加，由此可見，在傳熱溫差一定的前提下，翅片高度存在理論上的最優(yōu)值，仿真結(jié)果得出:翅片高度在6.72 mm時，換熱器的換熱量最大.
                 
    2.2.2 翅片間距的影響
    圖 2、 圖 3給出了空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力隨翅片間距的變化，由圖可見，翅片間距的減小有利于空氣側(cè)換熱的強化，但卻引起阻力的增加，導致空氣流量的降低，設計時應配合風機的流量一阻力特性來選取合適的翅片間距.
                  
                 
    3 結(jié)論
    利用計算機仿真技術，結(jié)合國內(nèi)外對平行流式冷凝器的研究經(jīng)驗，通過對平行流式冷凝器的仿真計算，對換熱器翅片安排、管路流程安排等改變后對系統(tǒng)性能影響程度作了分析研究，為平行流式冷凝器的優(yōu)化設計提供了輔助手段與理論參考.