跨临界CO2汽车空调换热器的研究进展
摘要：在汽车空调系统中,换热器是主要的组成部件。本文介绍了跨临界CO2循环换热关联式与换热器的研究进展,并对跨临界CO2空调换热器的发展趋势进行了展望。
引言
近年来,人们对环境问题越来越重视,在空调制冷系统中,对环境友好的自然工质CO2再次引起人们的关注。CO2临界压力和临界温度分别为 7·38MPa和31·1℃,由于其临界温度比较低, Lorentzen[1]推荐使用跨临界制冷循环系统。在相 同条件下,CO2的单位容积制冷量非常高,通常是R22的5倍左右,使得系统的结构尺寸大大减小。许多学者对CO2系统在家用空调、汽车空调及热泵方面的应用和部件的设计问题进行了研究:Yin等[2]用有限元法对CO2超临界气体冷却器进行了分析; Kim等[3]提出了一个详细的微通道蒸发器的有限容积模型,该模型可用于微通道蒸发器的性能分析和结构设计,但要求管内制冷剂分配比较均匀; Boewe等[4]比较了不同长度(0·1m和1·5m)的内部换热器对系统的影响,发现安装内部换热器可以使汽车空调系统的性能大大提高。
由于换热器的重量和体积在空调系统中几乎占了一半,因而开发研究性能优化的紧凑式换热器,对发展CO2跨临界循环制冷技术至关重要。对跨临界CO2汽车空调换热器的研究可分为两个方面:一是空调换热关联式的研究;二是CO2空调换热器的结构设计和应用研究。
1 跨临界CO2空调换热关联式研究
1·1 CO2在亚临界过热区的对流换热系数计算 目前没有专门的CO2亚临界过热时湍流换热试验关联式,一般使用petukhov关联式[5]计算:
当Tb≤Tpc:a=0·013,f=1·0,k=-0·55,n= 1·6。该关联式计算值与实验数据间平均偏差为 12·7%。
由上述关联式可看出:对流换热的主要影响参 数包括Re,Pr,cp,Gr和μ等。根据具体情况考虑 参数的影响程度及定性温度不同,关联式形式和计 算结果也有所不同。目前传热关联式都是在特定条 件下得到的,没有一个通用的关联式可以准确地描 述超临界CO2的传热,在进行跨临界CO2空调换热 器模型设计及跨临界CO2制冷循环系统仿真时,应 视具体情况选择合适的关联式。
2 跨临界CO2空调换热器结构研究
挪威科技大学lorentzen[10]首先提出在汽车空 调系统中采用跨临界CO2制冷循环,其系统工作原 理如图1所示。
由图1可清楚的看出,CO2在汽车空调中的循 环过程就是1—5的流动过程。跨临界CO2系统的 换热部件主要有三部分:气体冷却器、内部换热器、 蒸发器。
2·1气体冷却器
在超临界CO2循环系统中,高压侧是CO2通过 气体冷却器从气体直接冷却为液体。由于CO2工 作在超临界状态下,压力高且气体冷却器制冷剂出&n
bsp;口温度与出口压力没有关系。因此,允许有较大的 压降。CO2具有良好的传热性能,所以,制冷剂质 量流量一般取600~1200kg/(m2·s)。
国外第一台气体冷却器由Lorentzen和Pet- tersen[11]于1990~1991年推出,它由外径/内径为 4·9mm/3·4mm的铝管和平直铝翅片构成,由于进 口管与出口管距离较近导致两者之间通过肋片导 热;随后他们于1994年重新设计了气体冷却器,将 管径减小到3·2mm/2mm,并且在第二、三排管之间 采用百叶窗设计,减小了进出口之间的导热,但是第 二、三排管之间仍然存在导热。由于小管径翅片管 胀管加工困难,成本很高,因而在1997年提出了铜 制平行流空气冷却器。
“平行流”空气冷却器由积液管、平行微管以及 微管间的空气肋片组成。微管嵌入积液管的插槽 上,其结构示意如图2所示。其中换热扁管设计尺 寸如图3所示。这种换热器管径更小,换热强度更 高,结构更为紧凑,有望成为空气冷却器的新标准。
由于国内前几年不具备微通道气体冷却器的制 造能力,上海交大的汽车空调样机采用管片式结 构[12]。清华大学邓健强[13]等与苏州三川换热器公 司从工艺上解决了双筒集流管挤压成型加工问题, 气体冷却器试制用的双筒集流管和换热扁管分别如 图4、5所示。双筒集流管等采用挤压成型。双筒集 流管和换热扁管为牌号3A21铝锰合金材料,在所 有铝合金材料中,3A21铝锰合金在空气、酸与自来水中的抗腐蚀能力最好。焊缝的抗蚀性与基体金属相同,在冷、热状态下合金的变形性能好,材料力学性能稳定。
2·2内部换热器
在跨临界CO2制冷循环中使用的内部换热器, 一侧为压力达10MPa以上的超临界CO2流体,另 一侧为压力为4MPa的亚临界CO2过热蒸汽。图6 所示为美国Hrnjak等采用的CO2汽车空调内部换 热器结构[14],其采用双层铝管,套管走4MPa左右 的亚临界CO2热蒸汽,内管走10MPa左右的超临 界CO2流体,采用逆流方式换热流动。
图7为板翅式换热器的内部通道截面结构[15], 截面共六层沟槽,其中第二、五层为超临界侧流体换 热通道,其他为亚临界侧流体换热通道。图8为 Boewe[16]等采用的微通道管式换热器。该换热器比套管式换热器材料减少50%,性能提高10%。目前上海交通大学汽车空调项目采用的是套管式内部换热器[12]。按常规尺寸的的压力容器标准设计高压换热器,会使整个换热器设备笨重,体积大,成本高。
2·3蒸发器
由于蒸发器内牵涉到两相流动,给模拟和实验都带来很大的难度。目前对跨临界CO2空调蒸发器的结构报道很少。在CO2汽车空调蒸发器的发展中,最初是机械胀管结构, 后来是具有足够爆破压力小直径圆管结构,进一步发展到钎焊微通道蒸发器。圆管蒸发器虽然具有大量的平行制冷剂回路, 但制冷剂的分配仍不成问题。微通道蒸发器使液体 在每个流程之后能在积液管中再进行分配,从而为沿回路流动的制冷剂流量改变提供了更大的弹性。其设计制造中的主要问题是要有蒸发器宽管道所需的紧凑、重量轻、能够承受高压的积液管。两个蒸发器用接头将4个顶端固定在一起,这些接头充当积 液管的进口或出口,其中有一个用来把制冷剂从后一部分传递到前一部分。空气从第一排流向第二排管,制冷剂从后排管的右侧流进,从前排管的右侧流出。表1是跨临界二氧化碳系统蒸发器设计参数的 发展情况。
目前对于蒸发器上冷凝物的研究还不很多。最 早的研究发现,当散热片间距为1·4mm时,湿表面 在表面风速不高的情况下,表面传热系数情况不敏 感,在干表面情况下也得到了相似的结果。对于间 距更小的散热片来说,性能会明显降低,这主要是散 热片凝结液间塔桥造成的。
3 跨临界CO2空调换热器的研究方向
(1)在跨临界循环中,由于跨临界CO2系统压 力高、蒸发潜热大、溶剂流量小,使得系统的各部件 尺寸必须小;又由于CO2的换热系数比较高,使得 可以减少制冷剂侧的换热面积,增加空气侧换热面 积,同时保证换热量。这些特点使得跨临界CO2循 环中换热器必须向紧凑式微通道方向发展,并尽量 采用细小管径,增加管径数目以及增加管程数。
(2)跨临界循环中的换热关联式的研究还不成 熟,没有统一关联式可适用各种换热器设计,还需做 大量研究。另外,关于三角形管道与正方形管道的 研究已有报道[17],如何应用于实际也有很多工作要 做。
(3)跨临界CO2换热设备及系统安全性与可靠 性的开发和研究,还有管内的制冷剂如何均匀分配 问题也是研究的一个重点。
(4)紧凑式微通道换热器的优化设计也是今后 研究的一个方向。如将Fluent、EES、Matelab等软件的结合使用会使换热设备的研究开发工作更加快 捷合理。
4 结语
跨临界CO2紧凑式微通道换热器的优势在于 不仅换热性能好,而且使用对环境友好的制冷剂。国内外对跨临界CO2制冷循环设备投入了大量的 研究,应用研究日趋成熟,并逐步向商业化应用发展,但仍然有待于进一步的改进和完善,特别是系统的安全性与可靠性。在设备的开发方面,国内的研究还应注意结合新材料的开发以及机械制造新技术 的开发,以期在相同的承压能力的要求下,使设备的 小型化得以实现。
参考文献：略
作者： 吴金星,李泽,王任远,尹凯杰 (郑州大学节能技术研究中心,河南郑州450001)
