平行流式冷凝器热力性能计算机辅助分析

摘要:利用计算机仿真技米，结合国内外对汽车空调平行流式冷凝器的研究经验，通过建立平行流式冷凝器的换热模型并进行仿真计算，对换热器翅片布置、管路流程安排等改变后对来统热力性能的影响程度作了分析研究，为平行流式冷凝器的优化设计提供了辅助手段与理论参考.
　　关键词:汽车空调;平行流式冷凝器;仿真
　　中图分类号:U463 文献标识码:A
　　为了追求更高的换热性能，汽车空调冷凝器依次经历了管片式、管带式、多元平行流式等结构形式一平行流式冷凝器是由管带式冷凝器发展演变而来，也是由扁管和波浪形翅片组成，散热片上同样开有百叶窗条缝，扁管是每根截断的，两端有集流管，依据集流管分不分段，可分为多元平行流式和单元平行流式.单元式的冷凝器集流管不打断，制冷剂流动方向一致;多元式的冷凝器，集流管中有隔片打断，每段管数不同，进人冷凝器时，制冷剂呈气态，比容最大，管数也最多，随着制冷剂逐渐冷凝成液体，其比容减小，管子数也相应变少，这种变通流程的结构设计，使冷凝器的有效容积得到最合理的利用，使制冷剂的流动和换热情况更趋合理，使得在同样迎风面下，平流式结构与管带式结构相比，换热性能提高了30%以上;而空气侧阻力不变，甚至减小;制冷剂侧阻力减少7000^\'80%.平行流式冷凝器吸收了管带式的各项新技术，是制冷剂从R12转换成R134a的最适宜替换机型，鉴于多元平行流式冷凝器的诸多优势，它已成为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参数模型，编制了平行流式冷凝器的稳态分布参数模型仿真程序，并利用实验结果对此进行了验证.程序可用作系统结构参数分析与优化设计，但考虑到生产实际，未对具体的流道尺寸、翅片微观结构等变化时部件性能的变化进行详细分析.虽然这些在已有程序上实现起来非常容易，但实际应用过程中需要改变现有的模具和生产工序，使厂方望而生畏而最终成为纸上谈兵[21.因此，着重运用程序对平行流式冷凝器的管路流程安排、翅片布置进行了研究探讨，以期在不需很大改动的前提下，为汽车空调平行流式冷凝器的性能改良提供理论参考.
    1 平行流式冷凝器热力性能仿真
    1.1 模型简化
    为了分析问题的主要矛盾，忽略一些次要因素，对平行流式冷凝器作如下假设:
    1) 在同一流程中各流道内的制冷剂质量流量相同，忽略各流道相互之间的传热，不考虑分液不均匀间题.
    2) 冷凝器内制冷剂流动简化为一维流动，制冷剂蒸气和液体均不可压缩，忽略其势能.
    3) 忽略管壁轴向导热，即沿翅片方向导热占优.
    1.2 换热系数公式选取
    对换热设备而言，正确地计算换热系数非常重要，直接决定产品设计是否合理.广泛查阅了相关的换热公式[3-61，经计算对比，最终确定选用以下公式进行计算.
    1.2.1 空气侧换热系数
    由于空气侧换热系数具有很强的结构性，一般由实验得出，为了理论计算的方法，可采用以下准则关系式:
             
    1.2.2 制冷剂侧换热系数
    1) 过热阶段:
    制冷剂在过热阶段属于无集态变化，同时制冷剂在管内又是受迫流运，根据其雷诺数的大小，又可分成尾流、紊流和过度区三种情况，在通常情况下，制冷剂雷诺数大于2 330，因而可作为紊流区来考虑.可按紊流公式计算管内过热区的换热系数:
            
    2) 饱和阶段
    饱和两相区是制冷剂蒸气在管内不断冷凝的过程，冷凝液积聚在管子底部，占据了一定的冷凝面积，这样使得按整个表面计算的冷凝换热系数低于管外冷凝时的值.其换热系数可按下式计算:
             
             
    1.3 换热数学模型的建立
    从冷凝器进口开始，取一个微元体，对于该微元体可以建立两个热平衡方程:
              
              
    将式( 8) ,(9),(10)进行迭代计算冷凝器中各管段的热量.
    1.4 试验验证
    对某平行流式冷凝器进行了微元划分，对上述方程进行了离散，以R134a为工质进行了仿真计算.该冷凝器制冷剂流道共36，分成5个流程，流程分配分别为:9;9;8;6;4.仿真与试验结果对照如表
    1.仿真结果与实测值吻合较好，说明该程序可用于部件设计分析.
                    
    2 平行流式冷凝器结构设计分析
    2.1 制冷剂流程分配影响
    在换热器外型尺寸及流程数不变的的情况下，改变每个流程的流道数，经仿真计算，结果列于表2.由于冷凝器的热阻主要在空气侧，增大制冷剂侧的传热系数带来的效果不很明显，由于冷凝初期制冷剂的比容较大，流速较快，为减小流阻，前一流程流道数应略多些.
                  
    2.2 翅片布置的影响
    2.2.1 翅片高度的影响
    图 1给出了空气侧换热系数随翅片高度的变化，随着翅片高度的增加，空气侧换热系数减小，但单位管长的总外表面积增加，由此可见，在传热温差一定的前提下，翅片高度存在理论上的最优值，仿真结果得出:翅片高度在6.72 mm时，换热器的换热量最大.
                 
    2.2.2 翅片间距的影响
    图 2、 图 3给出了空气侧换热系数及阻力随翅片间距的变化，由图可见，翅片间距的减小有利于空气侧换热的强化，但却引起阻力的增加，导致空气流量的降低，设计时应配合风机的流量一阻力特性来选取合适的翅片间距.
                  
                 
    3 结论
    利用计算机仿真技术，结合国内外对平行流式冷凝器的研究经验，通过对平行流式冷凝器的仿真计算，对换热器翅片安排、管路流程安排等改变后对系统性能影响程度作了分析研究，为平行流式冷凝器的优化设计提供了辅助手段与理论参考.