（制冷及低温工程专业论文）客车空调平行流冷凝器传热流动特性研究.pdf

客车空调平行流冷凝器传热流动特性研究 摘要 冷凝器是客车空调系统中关键换热设备，其结构尺寸和换热流动性能对客 车空调系统的布置、客车空调的运行特性和经济性有重要的影响。本文针对扬 卅l 杰信车用空调有限公司的1 2 米客车空调系统，以工程热力学和传热学为基 础，对其进行分析、抽象和简化，利用m a t l a b 软件建立客车空调系统制冷剂、 压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置的数值计算模型，重点对平行流冷凝器 进行研究。对于每个流程，取一根多孔扁管为研究对象，沿制冷剂流动方向将 扁管划分为多个微元，取其中的一个微元为控制体，建立空气侧和制冷剂侧单 相区、两相区一维稳态数学模型进行求解，分析传热流动特性。对所建立的客 车空调系统模型编制了可视化软件，进行仿真。并与实验结果相对比，得出客 车空调系统平行流冷凝器传热流动性等特点，为客车空调系统的匹配设计提供 依据。 分析结果表明，客车空调系统应用平行流冷凝器后性能得到提高：通过改 变流程数和各流程管数来改变冷凝过程中的流通截面而达到调整流速的作用， 从而可以保持较高的冷凝换热系数和较低的流动压降，与常规换热器相比具有 显著的优越性。仿真结果与实验数据相吻合。同时，也验证了本文所建立的数 值分析工具具有一定的工程应用价值。 关键词：客车空调；平行流冷凝器；数值模型；优化仿真；传热流动 s t u d yo nh e a tt r a n s f e ra n df l o wc h a r a c t e r i s t i c s o f p a r a l l e lf l o wc o n d e n s e ro fb u sa i rc o n d i t i o n i n g a b s t r a c t a st h ek e yh e a te x c h a n g e re q u i p m e n to fb u sa i rc o n d i t i o n i n g ，t h es t r u c t u r e s i z ea n dh e a te x c h a n gp e r f o r m a n c eo fc o n d e n s e rh a v ei m p o r t a n ti m p a c to nt h e l a y o u t 、f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de c o n o m yo fb u sa i rc o n d i t i o n i n g i nt h i sp a p e r , f o r12 m e t e rb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mo fy a n g z h o uj i e x i na u t oa i r c o n d i t i o n e r c o ，l t d ，t a k et h e r m o d y n a m i c sa n dh e a tt r a n s f e ra st h eb a s e ，s i m p l i f y ，a n a l y z e u s e t h em a t l a bs o f t w a r et oe s t a b l i s ht h ec o m p o n e n t so fb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l ，f o c u so ns i m u l a t i o ns t u d y i n go np a r a l l e l f l o w c o n d e n s e rc o n d e n s e f o re a c hp r o c e s s ，t a k e af l a tt u b ef o rt h es t u d y ，a l o n g r e f r i g e r a n tf l o wd i r e c t i o n t h ep i p ew i l lb ed i v i d e di n t oan u m b e ro fm i c r o s ，f r o m o n eo ft h em i c r o c o n t r o lb o d y 。t h ee s t a b l i s h m e n to fa i rs i d ea n dr e f r i g e r a n ts i d e s i n g l e p h a s ez o n e ，a n a l y s i z et h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s u s i n gt o o l s i nm a t l a bt o o p t i m i z e ds i m u l a t et h em o d e lo ft h eb u sa i rc o n d i t i o n i n g ，a c c e s s t h em a i n p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc h a n g e so fb u sa i rc o n d i t i o n i n gi nu s e d t h ep a r a l l e l f l o wc o n d e n s e r p r o v i d et h eb a s i sf o rm a t c h i n gd e s i g no fb u sa i rc o n d i t i o n i n g s y s t e m a n dt h eb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ti s d o n eo n t h er o o f - m o u n t e db u sa i rc o n d i t i o n i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h em o d e lo fr a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep a r a l l e lf l o wc o n d e n s e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e ，f o r p a r a l lf l o wt y p ec o n d e n s e r s t h el o u v e r e df i ni sa d o p t e df o ra i rs i d ea n d t h em i c r o c h a n n e lw i t hr e c ta n g l es e c t i o n sa n ds m a l lh y d r a u l i cd i a m e t e r i s a d o p t e df o r r e f r i g e r a n ts i d e t h e nt h em a t h e m a t i cm o d e lw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o n d e n s e r t her e s u l t ss h o wt h a td u r i n gt h ep r o c e s so ff l o wa n d c o n d e n s a t i o no ft h er e f r i g e r a n t ，s u r f a c et e n s i o np l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h e e n h a n c e m e n to fh e a tt r a n s f e r i nt h ep a r a l l e lf l o w t y p ec o n d e n s e rw i t hg r a d u a l l y d e c r e a s i n gf l o ws e c t i o na r e a s ，i tc a nk e e ph i g hh e a tt r a n s f e rc o e f i c i e n ta n dl o w p r e s s u r e a l s ov e r i f i e dt h en u m e r i c a la n a l y s i st o o l sh a sa ni m p o r t a n tp r o je c tv a l u e k e y w o r d s ：b u sa i rc o n d i t i o n i n g ；p a r a l l e lf l o wc o n d e n s e r ；n u m e r i c a lm o d e l ； o p t i m i z e ds i m u l a t i o n ；h e a tt r a n s f e ra n df l o w 表格清单 表2 1 饱和气体压力与温度常系数值：12 表2 2 理想气体比定容热容与温度常系数值12 表2 3 气体状态方程常系数值12 表2 - 4c i 常数值1 4 表2 5 平行流冷凝器计算程序的输入参数和输出参数2 4 插图清单 图2 1 压缩机模型示意图小16 图2 2 平行流冷凝器模型示意图18 图2 3 平行流冷凝器微元示意图：18 图2 4 蒸发器模型示意图2 5 图2 5 蒸发器微元示意图2 5 图2 6 蒸发器设计计算程序流程图2 8 图2 7 系统程序设计流程图3 0 图2 8 制冷剂热力性质计算程序界面m 文件31 图2 9 压缩机计算程序界面m 文件3l 图2 10 平行流冷凝器计算程序界面m 文件3 2 图2 1 1 蒸发器计算程序界面m 文件3 2 图2 12 膨胀阀计算程序界面m 文件3 2 图2 13 平行流冷凝器传热流动性计算程序界面m 文件3 3 图3 1 仿真模型建立过程3 4 图3 2 制冷系统仿真界面3 6 图3 3 压缩机子系统仿真界面3 7 图3 4 冷凝器子系统仿真界面3 7 图3 5 蒸发器子系统仿真界面3 7 图3 6 平行流冷凝器系统冷凝温度收敛示意图38 图3 7 平行流冷凝器系统蒸发温度收敛示意图38 图3 8 制冷剂侧压力随管长变化3 9 图0 9 制冷剂温度随管长变化4 0 图3 1o 制冷剂侧压降梯度随管长变化4 1 图3 1 l 制冷剂侧换热系数随管长变化4 l 图3 12 制冷剂侧换热系数随干度变化4 1 图4 1 客车空调性能实验系统原理图4 3 图4 2 冷凝器管壁温度变化对比4 6 图4 3 冷凝器出口温度对比4 6 图4 4 制冷量随压缩机转速变化对比4 6 符号清单 瓦一蒸发温度； 瓦一冷凝温度： a l - - n 冷剂侧换热系数w ( m 2 k ) ； a o 一空气侧换热系数w ( m 2 k ) ； 卜析湿系数； j 卜传热系数w ( m 2 k ) ； 一定压比热容j ( k g k ) ； 一动力粘度p a s ； p ，一普朗特数： r p 一空气侧的雷诺数； g 厂- 制冷剂质量流量k g h ； 五一压缩机输气系数； g v t 一理论容积输气量m 3 h ； 8 。一实际制冷系数； q k 一冷凝器的热负荷k w ； w 厂迎面风速m s ； 口掰一平均传热温差； p 一空气的密度k g m 3 ； 一单位质量的焓值j k g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：蕾易革矢 签字日期：多s 年6 月7 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金目巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：鹑阜三、 签字日期：) 们g 年z 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日物驴石月7 日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在左承基教授和王铁军副教授的悉心指导下完成的。两位导师渊 博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德， 严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深 远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了 许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的 指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷 心的感谢! 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感 谢制冷教研室刘向农老师、唐景春老师、倪宜华老师的指导和帮助；感谢刘杰、 赵鹏等多位同学的关心、支持和帮助，没有他们的帮助和支持，我是没有办法 完成硕士学位论文的，在此对他们表示诚挚的感谢! 感谢江苏扬州杰信车用空调有限公司对本课题的帮助! 到达一个暂时的终点也意味着选择了一个新的起点，七年的工大生活，我 结识了很多良师益友，从最初的懵懂无知转变成一个具有丰富专业学识的当代 大学生，今后无论走到那里我都不会忘记是工大培养了我，我为自己是工大人 而自豪! 在今后的工作学习中，我将以更加优异的表现来答谢曾经关怀、帮助 和支持过我的所有老师和同学! 作者：韩丰云 2 0 0 8 年4 月2 9 日 1 。 研究背景和意义 第一章绪论 客车空调技术是空气调节的一个重要分支，即采用人工的方法，调节车室 内熬温度、湿度、清洁度、气流速度等参数，觚面将车室内的空气环境调整到 最适宜的状态，创造良好的劳动、休闲和旅行环境。自19 5 3 年和l9 5 7 年汽车空 调先震在美国鞠欧、圜的轿车上使用以来，汽车空调技术在客车上得到了广泛 的应用。空调技术的应用与发展，是提高客车产品竞争能力的重要手段之一。 客车空调系统的目的在于创造客车室内舒适的气候环境，保护驾驶员和乘 员的身体健康，改善驾驶员的工作条件，提高客车的安全与舒适性。冷凝器作 为客车空调系统的关键换热设备，其换热性能对客车空调的运行特性和经济性 有重要的影响。客车空调系统对冷凝器薛要求可概括为：高效和轻量小型化。 目前客车空调系统普遍采用的是管片式冷凝器，但由于管片式冷凝器的结构及 换热性能等方面的因素影响，在满足客车空调系统性能要求的前提下，在实现 客车空调系统的更高性能和轻量小型化要求方面存在较大困难。而平行流冷凝 器是一种在追求换热设备高效小型化过程中发展演变丽来的冷凝器型式，其变 流程结构特点使冷凝器的有效容积得到合理地利用，使制冷荆的流动和换热过 程更趋合理。其突出的优点使其在空调制冷行业中具有广阔的应用前景。在空 调制冷行业中，对它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性 能，而且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器 有着重要的指导意义。尽前国内外学者对平行流冷凝器的性能进行了大量的实 验研究和数值研究，但是其复杂的流动及换热特性尚未被完全掌握，仍存在一 些问题。在传热性能上，平行流冷凝器的换热热阻在整个热阻中占有主要比重。 因此，对平行流冷凝器流动换热特性的研究无疑将对提高平行流冷凝器系统麴 效率是十分有意义的。 在对客车空调系统进行研究和设计过程中，人们除了对其进行理论上的分 析计算以外，还常常需要对系统的某些特性进行实验研究。这种实验研究按照 实验方式来分一般有两类：在实际系统上进行的真实实验和在模型上进行的简 化实验。从理论上讲，以上两种实验方法都是严谨的、科学的，它们可靠直观 的反映装置的特性，但也存在一些不足之处。比如，直接在实际系统上进行实 验，往往会不经济、不安全，有时甚至傲不刘；丽焉者相比前者虽然有较大的 改观，但仍然存在较多的限制，比如对于一个复杂的系统来说，影响因素很多， 不但很难用一个物理模型来进行模拟，丽且通常要花赞很多的时间和物力财力 开发模型，进行实验的前期准备工作量很大。计算机技术的发展为进行大规模 的数值计算提供了有力的支持。在计算机模拟中，实际系统的特性和运动规律 用数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差分方程，通过一定的方法 将其离散，并开发程序应用计算机求解。用来模拟实际系统运动规律的数学形 式称为数学模型。计算机技术在制冷领域广阔的应用前景得到众多学者的广泛 关注，有关客车空调系统及部件的仿真模型也得到越来越深入的研究 把计算机仿真技术应用到客车空调的设计和特性研究中，一方面可以把人 们从繁琐冗长的数学计算中解脱出来：另一方面，利用计算机仿真技术研究装 置的特性不再受实验场地、测量精度、实验环境和时间以及开发资金等因素的 限制。此外，利用计算机快速计算能力可以模拟系统不同结构参数和运行工况 下的特性，可以为系统优化提供依据、指明方向，设计出最优的设备。越来越 多的实事表明，利用计算机模拟、辅助甚至代替物理实验是一个趋势。本文把 仿真技术与客车空调的研究结合起来，解决日前客车空调优化设计和性能研究 方面存在的问题，开发出具有工程应用价值的仿真软件以指导实践，具有重要 的现实意义。 1 2 汽车空调系统研究现状 随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，汽车空调的发展前景非常乐 观，但同时整个制冷行业面临的及汽车空调自身存在的问题也十分的突出，使 得汽车空调系统的研究和开发日益受到业内人士的关注。 1 ) 压缩机 制冷压缩机是制冷系统的核心部件，汽车空调系统当然也不例外。压缩机 性能的好坏直接影响到整个汽车空调制冷系统的性能，因此制冷压缩机的研究 一直就是制冷行业关注的焦点。由于汽车空调压缩机是在汽车上运行，故在性 能方面就与一般用途的压缩机不同，主要有以下四点特殊要求【8 】： ( 1 ) 汽车空调压缩机具有较大的转速范围，要求压缩机在低速运转时有 较大的制冷能力和较高的效率，在高速运转时要求压缩机的功耗小； ( 2 ) 对于直连式系统，压缩机必须在发动机室的有限空间内安装固定， 有必要采用单位排量尺寸小、重量轻的压缩机；- ( 3 ) 由于汽车空调冷凝器暴露在车室外环境中，容易粘附尘土，并且冷 却条件不能保证，造成冷凝压力和温度较高，要求压缩机能够耐高温、高压， 并且在颠簸行驶的恶劣条件下，有良好的抗振性和密封性； ( 4 ) 工作平稳。要求压缩机运转平稳、噪声低，对发动机的转速不应产 生较大的影响。 回顾汽车空调压缩机的发展，从第一代往复活塞式到第四代涡旋式压缩 机、再到第五代变量型和v s d 变速传动机组【i 】，目前，随着电动汽车的研究， 电动汽车空调系统的开发也日益受到人们的关注，而电动汽车空调压缩机则是 首先需要确定的因素。今后随着新材料的开发使用，工艺水平的不断提高及微 2 电子技术的发展，现有的各种汽车空调压缩机将进一步向小型轻量化、操作自 动化、高效节能及低成本方向发展，并将进一步开发出更实用的新型结构压缩 机。 2 ) 制冷剂 由于汽车空调中原先使用的制冷费u r l 2 ( 属c f c 类物质) 对大气臭氧层的消 耗作用和温室效应非常严重，被蒙特利尔议定书定为首批禁止使用的物质， 需要寻找新的替代物。目前被认可的常用替代制冷剂为r 13 4 a ( 属于h f c 类物 质) 。r 1 3 4 a 不含氯分子，对臭氧层没有破坏作用，而且对汽车空调系统的改动 也较少。r 13 4 a 具有良好的大气环境特性，臭氧层破坏系数( o d p ) 为0 ，它的 冷凝压力和汽化潜热值均高于r 1 2 ，具有较好的制冷能力，此外，r 1 3 4 a 不易 燃，不易爆，无毒性，无刺激性气味，对金属无腐蚀性，但r 13 4 a 的饱和蒸汽 压力较r 1 2 要高，使系统能耗升高。虽然r 1 3 4 a 对大气臭氧层没有消耗，但其 仍有较大的温室效应( g w p ) ，所以并非最佳的替代物。在寻找更好的替代物过 程中提出了利用天然制冷剂的方案，于是c 0 2 以其对环境的友好性和优良的热 物理特性从众多制冷剂中脱颖而出。c 0 2 作为制冷工质有许多独特的优势，从 对环境的影响来看，除水和空气以外，c 0 2 是与环境最为友善的制冷工质。除 此以外，c 0 2 还具有下列特点【2 j ： 一 ( 1 ) 良好的安全性和化学稳定性。c 0 2 安全无毒，不可燃，适应各种润 滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体； ( 2 ) 具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质，单位容积制冷量高， 运动粘度低； ( 3 ) c 0 2 优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使 整个系统非常紧凑，而且运行维护也比较简单，具有良好的经济性能； ( 4 ) c 0 2 制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效 率可维持在较高的水平。 由上述可知，作为天然制冷剂，c 0 2 在汽车空调系统中有着其他制冷剂无 可比拟的优势，c 0 2 制冷系统是下一代汽车空调的主要选择。 3 ) 换热器 由于一个制冷系统换热器的换热效率的高低是决定系统体积、重量的主要 因素，尤其在汽车空调中，小型轻量化是一个重要的指标，所以汽车空调中强 化换热器的换热是非常重要的。目前，传统的管片式换热器在汽车空调中的应 用已基本上被换热效率较高的管带式换热器和换热效率更高的平流式冷凝器、 层叠式蒸发器所取代。同时由于换热器的生产工艺水平的提高，传热管径、翅 片厚度、翅片间距越来越小，传热管内的强化也进一步增强，使得换热器换热 效率得到很大的提高。 4 ) 节流机构 3 汽车空调的节流机构主要是热力膨胀阀，它是制冷系统中自动调节制冷剂 流量的元件，广泛应用于各种空调制冷系统中。热力膨胀阀的工作特性好坏直 接影响整个制冷系统能否正常工作。热力膨胀阀一般有节流降压、自动调节制 冷剂流量、控制制冷剂流量三个作用【3 1 。大多数汽车空调制冷系统在运行过程 中，其冷负荷是变化的。如系统刚开始降温时，车内的温度较高，这时就要求 将蒸发温度升高，使进入蒸发器的制冷剂流量增大。而当车内温度较低时，冷 负荷需要量减少了，这时的蒸发温度就应相应地降低，使进入蒸发器的制冷剂 流量减小。因此，热力膨胀阀就是根据系统冷负荷需要量的变化而自动地调节 其流量，使制冷系统能正常地工作。 1 3 客车空调冷凝器的研究现状 1 3 1 百叶窗翅片侧流体换热与流动研究 多元平行流冷凝器管外百叶窗翅片段按一定的节距切割金属翅片，并将切 割的部分扭转一定的角度而形成平面外的翅。因此，百叶窗翅片可以做成不同 的形式和形状。空气从百叶窗翅片列的左侧流进，右侧流出，在穿过百叶窗翅 片的过程中，百叶窗能够扰乱气流，产生一系列薄的边界层，相比于较厚的边 界层，热阻较小，能够提高传热效率，具有较高的环热系数；同时由于百叶窗 一般采用铝合金制成，具有较高的导热性：另外，百叶窗具有较小的当量直径， 使得百叶窗冷凝器可以达到很高的环热效率【4 】。 对多元平行流冷凝器管外百叶窗翅片侧空气的换热与流动特性的研究主 要有三种方法。即理论分析、实验研究和数值模拟。通常将三种方法结合使用， 可以起到相互印证和补充的作用。目前，大家公认的实验数据是d a v e n p o r t t 引， w e b b t 引，w a n g t7 。引，a c h a i c h i a 和c o w e l l t 9 1 测试的传热和压降数据。d a v e n p o r t 钡4 试的是单排式的间断型百叶窗换热器。w e b b 对百叶窗翅片进行了流动可视化 实验。w a n g n 0 试的是波纹型百叶窗翅片。a c h a i c h i a 和c o w e l l 贝l j 测试了单排和二 排的平直型和叶窗翅片。 d a v e n p o r t t l 0 】通过流动可视化实验，对一系列的百叶窗翅片换热器进行研 究，s t 数和摩擦因子f 随着百叶窗间距的增大而增大，另外，百叶窗翅片的流 动效率与基于百叶窗间距的r e 数有关。在r e 数较小时，右时窗对流动的影响 较小，大部分流体并没有穿过百叶窗，而是沿着翅片方向流动。而在r e 数较大 时，流动几乎是平行于百叶窗的。d a v e n p o r t 猜测，在空气速度较低时，百叶 窗上的边界层较厚，堵塞了百叶窗间的通道，流体主要沿着翅片方向流动。 a o k i 等【l l l 通过实验研究百叶结构参数对百叶窗侧换热特性了影响，结果 表明，在迎面风速较低时，换热系数随着翅片间距的增加而减小，另外，换热 系数随着百叶窗角度的增大而增大，在百叶窗角度为2 8 0 3 0 0 时达到最大值， 4 然后随之减小。 2 0 0 0 年，w a n g 等 1 2 j 以两种百叶窗形翅片在湿工况下的换热性能为研究对 象进行了分析。由于当盘管表面的温度低于空气的相对露点温度时，空气将同 时发生传质和传热现象，盘管表面的凝结液膜的产生将严重影响空气的换热特 性和摩擦特性。实验结果表明：在湿工况的条件下，换热特性对翅片间距和管 排数的变化不太敏感，结果与干工况下的特性十分接近。然而与换热特性不同 的是，翅片间距的变化对摩擦特性有显著的影响，对于f p = 1 2 r a m 的换热器比 f p = 2 5 m m 的换热器摩擦因子大3 0 - 5 0 。 虽然实验在换热器的设计这程中起着重要的作用，但限于条件，大多数研 究者的实验范围较窄，故其适用性受到限制。随着计算流体力学与计算传热学 的出现和发展，开始使用数值模拟方法去预测百叶窗表面的特性，8 0 年代中期， 开始尝试运用c f d 建立百叶窗翅片列的二维计算模型【1 3 d5 1 ，随后开始建立三维 计算模型i l6 。国内外学者在百叶窗翅片式换热器空气侧的数值模拟研究方面 做了大量的工作，取得了很大进展。 一l i u 等1 1 7 j 对翅片管换热器的空气侧的流动和传热性能( 管道分别为圆管结 构和椭圆管结构的情况) 进行了三维的数值模拟。其物理模型中，百叶窗翅片 的几何结构尺寸，百叶窗间距为定值，管道为圆管时气侧的换热性能相对于管 道为椭圆管而言，降低1 0 ，但是压降降低了4 1 。对于平直翅片的换热计算， 迎面风速低于2 m s 时，管道为椭圆管时的换热性能略优于为圆管时。然而， 当风速达到2 m s 时则相反。当管道为椭圆管时，平直翅片翅的压降相比为圆 管时降低了约一倍。 c l y m a n i s 等采用商业软件包f l u e n t 5 5 对一排含有7 片导向百叶窗的翅片 进行了二维的数值模拟和研究。采用二阶差分格式求解了动量方程和能量方 程。在模型上下边界采用了周期性边界条件，进口提供了一个空气进口速度， 出口采用了自然流动出口。这里采用了三角形网格来划分模型，网格数目在 5 0 5 ，0 0 0 左右，计算次数在1 1 0 0 此左右达到收敛。 h s i e h 和j a n g ”】对百叶窗翅片换热器进行了三维的数值模拟，主要研究了 连续变化百叶窗角度对翅片管式换热器性能的影响。研究表明，在换热器中变 化百叶窗角度的设计，能有效的加强换热，进而提升空调机整体系统性能。 s u g a 和a o k i 2 0 】对百叶窗列的换热和压降进行了数值模拟，：发现上游热边 界层的控制对于优化百叶窗列是极为重要的，另外，总结了一个简单的关联式， 在不同百叶窗角度时能计算翅片间距与百叶窗间距的最佳比值。另外，s u g a 建议百叶窗角度应在2 0 0 3 0 0 。 i t o h 等【2 l 】等对翅片式换热器的速度场和温度场进行了二维的数值模拟。在 模拟计算的过程中，考虑了空气的物性参数随时间的变化关系。并且为了观察 其流场的流动状况，对百叶窗翅片列进行了同规格的可视化试验。结果显示， 5 在数值模拟和可视化试验间得到了较好的吻合性。从其数值计算结果中发现， 进行数值模拟时，考虑物性参数随温度变化和不考虑物性参数变化的情况相 比，平均努谢尔数有一定的出入。 p e r r o t i n 和c l o d i c 2 2 j 采用c f d 软件对单排汽车空调冷凝器翅片侧的空气流 动进行了数值模拟。并且将计算结果与试验结果以及采用关联式的计算结果进 行了比较。采用二维的物理数学模型，对不同迎面风速的情况进行了研究，所 计算得到的换热系数与试验数据相比，误差在+ 8 0 左右，明显过大。建立三 维物理数学模型，考虑扁管效应，计算结果与试验数据误差在2 5 以内，计算 结果与试验结果吻合地相对较好。另外，建立了二维的非稳态模型，对其流动 形态和传热特性进行了了讨论分析。 1 3 2细微通道管侧的换热与流动研究 自从1 8 8 3 年英国物理学家雷诺首次将单相流动型态定量鉴别为层流和紊流 以来，对于普通圆管内的单相流动与换热已有较广范围内的研究，己有研究成 果已基本满足工程应用要求，对应较大尺寸各种形状流通截面的管道已经建立 了相应的流动阻力与换热公式。但是对于直径较小的微通道，迄今为止还没有 一个通用准确的计算式，研究发现，将普通圆管内的公式应用于微通道内时会 产生较大的误差。一个可能的原因是，由于微通道内水力直径和流体流动时形 成的涡的尺寸大小相当，从而影响了热量和动量的传递【3 6 1 。此外，壁面及近 壁流态的变化也是一个重要因素。到目前为止，对管道内的流动与传热研究主 要集中在实验研究上。 1 9 8 5 年，a c o s t a 等研究了水力直径为0 9 6 m m 和o 3 8 m m 的矩形微小通道内 的传热传质过程，结果表明：表面粗糙度对摩阻系数和传热系数影响较大。1 9 8 7 年，h w a n g 等建立了计算微通道内摩阻系数和换热系数的理论模型，为验证这 一模型，n a y a k 等在缝宽为lm m ( 水力直径为1 7 m m ) 的矩形通道内进行了实验 研究，研究发现测得的壁温比预测值偏低，而压降值要比模型预测值高很多。 壁温较低可以解释为实验时的导热损失，但是较大的压降值却无法用h w a n g 等 的模型解释。 1 9 9 6 年，y a n g 和w e b b 对水力直径为1 5 6 m m 和2 6 4 m m 的水平矩形多孔扁管 进行冷凝传热实验研究，采用制冷剂为r 1 2 ，试验表明，在液体过冷区和两相 区，冷凝传热系数都随热流密度的增加而增大。在低质量流速下，若采用当量 质量流速，实验数据与a k e r s 4 l 】关联式相符很好，因为采用当量质量流速可以 使计算模型的壁面剪切力与实验值保持一致。在高质量流速下，实验值比计算 值高1 0 2 0 另外，他们通过对单相液体和两相流动摩擦的实验研究表明， 单相液体摩擦因子实验值比b l a s i u s 关联式高1 4 ，两相区压降梯度随质量流速 和干度的增加而增大，与采用了当量质量流速的a k e r s 关联式相符很好，表面 6 张力对微肋管的摩擦压降无明显影响。 c h a n g 等对四种不同规格的多孔铝制平扁管和一种内肋片扁管进行冷凝传 热特性实验，制冷剂采用了r 1 3 4 a 和r 2 2 ，实验结果表明，冷凝传热系数与 s h a h 6 3 实验式相符，仅在蒸汽含量较高区域时计算值较低，显示了小水力直 径管与常规换热管的差别。 国内对微通道传热的研究开始于9 0 年代初，1 9 9 2 年，重庆大学辛明道等对 6 种不同尺寸的微矩形槽道内的受迫对流阻力和换热性能进行了研究，槽厚 o 2 5 m m ，槽宽为0 1 5 r a m 0 3 m m ，槽深为0 9 2 7 r a m ，测出了冷态水流动时流 态转变，r e 数临界值为1 4 0 0 1 8 0 0 ，用水作工质进行受迫对流冷却时平均对流 换热系数最高可达6 7 6 7 2 w ( m 2 k ) 之后，张培杰和辛明道【6 5 j 对微直径圆管内的 对流换热和流动阻力进行了实验研究，回管直径为o 2 5 1 2 r a m ，换热热流密度 为2 0 l o o w c m 2 ，实验表明微管中由层流转为过渡区的知数小于2 3 0 0 ，从过渡 区到紊流区的r e 数也下降，当直径小于0 3 r a m 时实测到的流动阻力比常规尺寸 管的计算值d x 2 0 4 0 任肠，当直径小于0 5 r a m 时，紊流的n u 数与r e 数的关 系与常规尺寸管不一致，当直径大于0 8 m m 时，紊流的n u 数与r e 数的关系与常 规尺寸管的一致。 1 9 9 8 年，姜明健等研究了水在矩形和三角形通道内的单相流动和传热特性， 水力直径分别为o 5 5 m m 和0 4 0 4 m m ，研究结果表明，槽道中流体流动换热明显 强于常规尺寸管道内的换热，并且流动阻力低于常规尺度的流动阻力。流体在 矩形槽中流动的转变雷诺数为9 0 0 1 10 0 ，而在三角形槽道中流动的转变雷诺数 为5 0 0 左右，另外，在换热温差较小时可以达到较高的换热强度。在微尺度换 热器中，流体流动均匀可强化换热，降低流动阻力。 2 0 0 2 年，杜小泽和王补宣通过流型的可视化观察和传热实验，探讨不同管 径下小直径圆管内流动凝结过程中流型的演化规律以及不同流型的凝结换热 特性，分析表明，随着管径的减小，以凝结液沿管壁周向均匀分布为主的环状 流型在流型图上的面积增加，相应地换热温差对凝结换热n u 数的影响降低， 本研究深化了对小尺度下凝结换热机理的认识，为推动相关技术的进一步发展 提供了理论依据。 2 0 0 3 年，彭晓峰进一步研究了单相水在平板上矩形槽道内流动时几何尺寸 对传热的影响，实验所测的圆管水力直径范围为o 31 1 0 3 6 7 m m ，结果显示， 小直径管摩阻系数比用常规尺寸关联式计算出的值要低，而且层流向湍流过渡 的r e 数也较低。 综上所述，对微小通道内流动和传热的研究是目前国际上传热领域研究的 热点，研究内容主要集中在不同流通截面内单相流体的传热和流动阻力特性， 对微细通道内流动凝结换热和流型的研究还没有充分展开。另外，尽管小通道 的换热规律与大通道相比存在较大差异，但可以考虑从已有的大通道关联式出 发来对小通道换热情况进行修正处理。 1 3 3 多元平行流冷凝器整体性能研究 对带翅片的汽车换热器的有关理论及评价方法的研究早在该种换热器出 现的同时就己开始，对于板翅式及管翅式换热器中采用的各种形式的翅片进行 比较系统的研究是美国的r h n o r r s 于1 9 4 2 年开始的。他首次提出用传热因子j 及摩擦阻力f 与r e 的关系评价换热器的性能，在换热器的评价方面做了开创性 的工作。 c h u n g 等建立了考虑扁管几何尺寸和没有考虑扁管几何尺寸的两个模型， 比较两个模型，考虑了扁管尺寸的影响，使用适合于扁管的关联式的模型计算 结果更加精确和稳定。另外，在换热过程中，制冷剂的分配受许多因素影响， 比如制冷剂入口、出口和隔片的位置等。使用a l m 方法可以使平行流冷凝器的 换热最优化，结果表明，相比于基本模型，优化模型的换热系数可增加6 ， 同时压降减d x 4 。 t h o m a s 等采用c f d 软件队单排汽车空调冷凝器空气侧的空气流动进行了 数值模拟。并且将计算结果与试验结果以及采用关联式地计算结果进行了比 较。二维的数学物理模型，对不同迎面风速的情况进行了研究，所计算得到的 换热系数与试验数据相比，换热系数的误差在8 0 左右，明显过大。三维数学 物理模型，考虑扁管效应，计算结果与实验数据误差在2 5 以内，计算结果与 试验结果吻合的相对较好。另外，建立了二维的非稳态模型，对其流动形态和 传热特性进行了讨论分析。 c a r i m e l l aa n dc o w o r k s 在对换热器进行优化设计得出，扁管百叶窗翅片式 换热器空气侧的换热系数远远高于其他形式的强化翅片管，另外，换热器的体 积将减少1 3 。p a r ka n dj a c o b i 比较了扁管换热器和圆管换热器的热力性能，相 比于圆管换热器，较小表面积和体积的扁管换热器即拥有相同的热力性能。 张慕瑾等研究了三种不同管排数的百叶窗翅片换热器，由试验数据整理出 传热系数与流速的关系，导出百叶窗翅片的翅片效率计算式，并根据估算分离 法的原理整理出换热准则方程式，研究指出，在相同结构的换热器中，管排数 越少，对流换热的换热系数越大，管排数最好不要超过3 。 张兴群等对平行流冷凝器进行了理论和试验分析。结果表明，对于一定结 构的冷凝器均存在一个临界风速，当风速超过临界风速时，空气侧阻力剧增， 而换热量趋于定值；在一定范围内，减小翅片高度可以提高换热器的换热量； 减小翅片间距使冷凝器传热面积增加，换热能力增强，但同时会增加空气侧阻 力；合理的流程间扁管根数分配可以使冷凝器的换热量增加而空气侧压降减 小。 龚堰等利用数值计算的方法，结合国内外对汽车空调平行流冷凝器的研究 经验，建立了平行流冷凝器的换热模型并进行仿真计算，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。 何勋等通过对翅片管式换热器的设计和试验研究，得出了该换热器的性能 曲线，此外还对换热器内部流场和温度场进行了三维数值模拟计算。从试验和 模拟结果分析可知，试验所得传热因子j 较模拟结果有1 2 范围内的减小，而阻 力因子f - 有4 - 1 6 的增大；翅片间距和管排密集度对翅片管换热性能影响很 大，减小翅片间距和增大管排密集度均能增强换热器的换热效果，但压力损失 也明显增加。 对多元平行流整体性能的研究主要考虑传热系数h 和压力降a p ，采用工程 界常常选择的在某一合理的流速下，确定换热器的初热系数和阻力，这种方法 虽仍有不足之处，但使用较为简便、效果直观，而且在一定可比条件下具有一 定的科学性。 1 4本文的主要工作 1 4 1 本课题的来源以及研究的目的和意义 本课题来源于江苏扬州杰信车用空调有限公司的新产品开发。扬州杰信车 用空调有限公司是香港杰信实业有限公司在江苏江都经济开发区投资兴建的 一家车用空调公司，专门从事客车空调系统的开发、生产、销售及服务。该公 司生产的客车空调产品覆盖6 1 2 米的客车系列。 由前面所述可知，客车空调系统的目的在于创造客车室内舒适的气候环 境，保护驾驶员和乘员的身体健康，改善驾驶员的工作条件，提高客车的安全 与舒适性。冷凝器作为客车空调系统的关键换热设备，其换热性能对客车空调 的运行特性和经济性有重要的影响。客车空调系统对冷凝器的要求可概括为： 高效和轻量小型化。平行流冷凝器是一种在追求换热设备高效小型化过程中发 展演变而来的冷凝器型式，其变流程结构特点使冷凝器的有效容积得到合理地 利用，使制冷剂的流动和换热过程更趋合理。本课题就是在1 2 米客车空调系 统上，通过建立数学模型、设计计算程序对使用平行流冷凝器的客车空调系统 进行传热流动性分析，为技术改进提供指导。 1 4 2 本课题研究的主要内容 主要的研究内容有： ( 1 ) 利用m a t l a b 软件建立客车空调系统各部件的数值计算模型。建 立客车空调系统制冷剂、压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置的数值计算模 型，利用m a t l a b 软件对平行流冷凝器进行计算程序设计，对其换热流动特 性进行研究。 ( 2 ) 编制可视化软件。利用该软件可以对客车空调系统进行模拟和仿 真，观察制冷荆在实际运行过程中的状态变化，观察换热器结构参数、空调器 运行王况中的参数对系统整体性能的影响情况、程度的大小，观察传热系数， 压降随管长的变化，为技术改进提供了定性和定量的指导。 ( 3 ) 在顶置式客车空调性能实验系统上进行客车空调性能实验，利用实 验结果验证所建模型的合理性与可靠性以及仿真结果的准确幢。 1 0 第二章客车空调数学模型的建立 客车空调系统的主要部件为压缩机、蒸发器、冷凝器及膨胀阀，本章将建 立以上部件的数学模型，即压缩机模型、蒸发器模型、平行流冷凝器模型和膨 胀阀模型。本章所建立的数学模型用于客车空调系统仿真计算与分析，侧重