汽車空調性能試驗臺總成

趙鵬瑞++李征濤++馮朝陽++黃家團

摘要： 針對微通道換熱器用作汽車空調冷凝器的特點，研制了一套冷凝器單體性能測試試驗臺，即主機及風洞試驗臺.該試驗臺主測風洞系統的換熱量采用空氣焓差法測試，輔測主機系統的換熱量采用制冷劑流量計法測試，并選取兩款微通道冷凝器對其進行冷凝換熱試驗，以驗證該試驗臺的穩定性和準確性.結果表明，該試驗臺空氣側和制冷劑側所測得的換熱量偏差均在5%以內，滿足冷凝器測控要求.根據實驗數據得到了冷凝器迎面風速對換熱量、空氣壓降和制冷劑壓降的影響規律，為微通道換熱器的優化設計及企業的相關研究提供參考.

關鍵詞：

微通道換熱器； 汽車空調； 冷凝器單體； 主機及風洞

中圖分類號： TK 39 文獻標志碼： A

目前我國已經成為全世界汽車產業最重要的市場，數據[1]顯示從2009—2014年，我國汽車產銷量已連續多年世界第一，成為了名副其實的汽車生產大國和消費大國.汽車空調作為提高乘坐舒適性的重要裝置，被廣大汽車制造商和消費者認可，在激烈的汽車市場競爭中地位日趨突出.

微通道冷凝器在汽車空調行業已經使用多年，它是一種高效緊湊式微通道熱交換器.現階段汽車空調行業的快速發展勢必為微通道換熱器行業提供巨大的市場.目前微通道換熱器生產制造商較多，但產品性能和科研制造水平差距較大.一些企業根據自身生產實際情況和產品需要，將已有的多種零部件獨立測試試驗臺合建成為綜合性測試試驗臺.盡管這在很大程度上節省了場地空間和資金投入，但往往使整個測試系統過于復雜，對試驗操作人員的技術要求較高[2-3]，因此，研制冷凝器單體性能測試試驗臺即主機及風洞系統試驗臺，對微通道冷凝器產品的研發、檢測和規范化都具有極其重要的意義.

1試驗系統

本試驗系統根據上海某企業的技術要求，參照GB/T 23130—2008《房間空調器用熱交換器》[4]和JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器》[5]，針對微通道換熱器用作汽車空調冷凝器的特點，研制了一套冷凝器單體性能測試試驗臺，即汽車空調試驗臺總成.根據設計要求，所研制的主機及風洞系統在名義工況下能夠測試的冷凝器額定換熱量為3～30 kW，冷凝器最大安裝尺寸為1 200 mm×800 mm，循環風量設計為600～9 000 m3·h-1，可測最大尺寸冷凝器最大迎面風速為2.6 m·s-1.選取R134a作為制冷劑，冷凝器入口制冷劑溫度取90 ℃.該試驗臺可測試不同工況的冷凝器換熱性能，并可采集計算所需的性能試驗數據.汽車空調試驗臺總成原理圖如圖1所示.

1.1主機系統

主機系統的主要功能為控制制冷劑參數，包括冷凝器進口溫度、進口壓力和出口過冷度等.另外，主機系統還需要恒溫水箱維持蒸發環境的穩定.

主機系統使用了兩個電加熱器.一個電加熱器用于調節冷凝器入口制冷劑的溫度，另一個電加熱器用于調節恒溫水箱溫度，對沖蒸發器制冷量.為了精確調節制冷劑流量并控制過冷度，主機系統采用雙電子膨脹閥并聯的方式進行控制，分為主節流機構和輔助節流機構.

主機系統的制冷劑熱量不斷通過所測試的冷凝器被空氣帶走，因此，在蒸發器處就產生了低溫區，需要熱源補充.主機系統蒸發器所需熱量由循環水系統提供.循環水系統包括冷卻水系統和恒溫水箱系統.冷卻水系統一方面根據系統工況要求引入恒溫水箱，另一方面考慮到冷凝器樣件測試完成后，需要回收其內部的制冷劑，所以利用其冷卻冷凝回收壓縮機的排氣，以便將回收的制冷劑存儲在儲液罐中.恒溫水箱系統主要由水箱、水泵、電加熱器和溫度傳感器等組成.為防止循環水在蒸發器內凍結，除了利用溫度傳感器檢測進、出口溫度外，還對循環水進行了處理，在恒溫水箱中加入一定質量的氯化鈣，以大大降低循環水的冰點.

1.2風洞系統

該風洞系統為設計成半開放式的開度可調的環路風洞系統，用于放置測試樣件.除了需要對循環空氣流量進行控制和測量外，還需要對冷凝器進風溫度進行控制和測量.

系統循環空氣流量的控制主要由循環風機、可調電壓系統和流量計完成.風洞系統的前段具有足夠長的整流段，可使循環空氣的流場和溫度場分布均勻，將體積流量計安裝在直管中測量循環空氣的體積流量.此外，系統采用兩條途徑對冷凝器進風干球溫度Tai進行控制：一條途徑是利用PID（比例積分微分）技術調節電加熱器功率；另一條途徑是通過調節電動執行機構控制回風風門開度，進而調節環境空氣與循環空氣的混合，實現對循環空氣升溫和降溫的控制.兩條途徑共同作用實現對冷凝器進風干球溫度Tai的精確控制.

由于空氣在流過冷凝器后被加熱，不像蒸發器處有水凝結析出，因此無需測量冷凝器出風濕球溫度.但為滿足特殊測試需求，在風洞系統內安裝了加濕裝置，用于調節冷凝器迎面空氣含濕量.

2試驗測試及結果分析

為驗證試驗臺的穩定性和準確性，利用該試驗臺對所選取的兩款微通道換熱器進行性能試驗.所選用的換熱器用作冷凝器.所選1號冷凝器為某款汽車空調用已量產的微通道換熱器，2號冷凝器較1號冷凝器尺寸小，片距大.冷凝器結構參數如表1所示.

2.1測試要求

冷凝器的參數設定值需由測試要求給出，其中空氣側包括冷凝器進風干球溫度（特殊情況包含濕球溫度）、迎面風速等；制冷劑側包括冷凝器進口制冷劑溫度（或過熱度）、進口壓力、出口制冷劑溫度（或者過冷度）等.基于滿足測試要求的設定值進行試驗所得的結果才具有評估價值[6].

根據測試要求，1號、2號冷凝器的測試條件如表2所示，要求測試冷凝器在不同迎面風速下的性能.與1號冷凝器測試要求不同，為驗證試驗臺加濕系統的可靠性，在對2號冷凝器進行性能試驗時運行了加濕系統，對空氣側進風濕球溫度作了設定，在給定環境工況下測試了2號冷凝器在不同迎面風速下的性能.

3測試結果分析

迎面風速對冷凝器性能的影響極為顯著，分析風速對冷凝器換熱量、空氣壓降及制冷劑壓降的影響，對判斷冷凝器性能好壞非常重要[7-9].

3.1風速對換熱量的影響

對1號冷凝器和2號冷凝器的性能試驗結果進行分析，在其他試驗參數不變的前提下，按照測試要求，研究迎面風速對微通道冷凝器換熱量的影響.

圖2為1號冷凝器和2號冷凝器迎面風速對換熱量的影響.換熱量分為空氣側測試的換熱量和制冷劑側測試的換熱量，兩者偏差均在5%以內.1號冷凝器為第1組試驗，空氣側和制冷劑側換熱量偏差極小；2號冷凝器空氣側和制冷劑側偏差相對大一些.由于制冷劑側換熱量在計算時忽略了潤滑油的影響，但潤滑油稀釋在制冷劑中，參與循環流動且自身不發生相變.循環制冷劑中潤滑油含量越多，對制冷劑循環流量和換熱量的影響越大，因此潤滑油造成的誤差總是存在.所以，可以判定1號冷凝器循環制冷劑含油量相對較低.通常為提高制冷劑側換熱量測試結果的準確性，在壓縮機排氣管上安裝高效油分離器.

此外，從圖2可以看出，冷凝器的換熱量隨著迎面風速的提高顯著增加，但迎面風速提高到一定值后，再繼續提高迎面風速對換熱器的換熱量影響不大.由此可知，對于給定冷凝器，迎面風速存在一個最佳值，可使冷凝器綜合性能最優.同時也可以認為，隨著迎面風速的繼續增大，微通道冷凝器的換熱量將趨向于某個特定值.

3.2風速對空氣壓降的影響

與家用空調不同，汽車空調冷凝器迎面風速變化范圍較大，對空調整體性能會產生一定的影響，因此分析迎面風速對冷凝器空氣壓降的影響顯得比較重要.針對1號冷凝器和2號冷凝器的試驗結果，在其他條件不變的前提下，僅改變冷凝器迎面風速，分析迎面風速對空氣壓降的影響.

從圖3可以看出，1號冷凝器迎面風速在1～2 m·s-1時，空氣壓降增速緩慢，但隨著迎面風速增加，空氣壓降增速增大；2號冷凝器迎面風速在1～3 m·s-1時，空氣壓降增速也很緩慢，隨著迎面風速增加，空氣壓降增速隨之增大.由此可見，微通道冷凝器在迎面風速相對較低時，空氣壓降增速緩慢；隨著迎面風速增加，空氣壓降增速變大.對于依靠電機強制對流換熱的家用空調或者依靠汽車車速換熱的汽車空調而言，這是不經濟的.因此，在利用增大迎面風速增加換熱量時，需要綜合考慮空氣壓降，選擇一個最佳迎面風速.

3.3風速對制冷劑壓降的影響

冷凝器制冷劑側的進出口壓降對壓縮機功耗有著重要影響.當其他結構參數一定時，壓降小，壓縮機功耗減小，壓降大，則壓縮機功耗增加.圖4為迎面風速對制冷劑壓降的影響.

從圖4可以看出，當冷凝器入口制冷劑壓力、過熱度和出口過冷度及進風溫度一定時，隨著迎面風速的增大，冷凝器進出口制冷劑壓降增大.當迎面風速繼續提高，制冷劑壓降顯著增大，亦即制冷劑在微通道內的流阻大幅增加.這也是由于冷凝器迎面風速的增大，將使換熱量增加，但進口制冷劑參數不變，導致出口溫度和壓力下降，使得進出口壓降變大.

此外，微通道冷凝器的制冷劑壓降與流程數、各流程扁管數以及扁管孔數、孔徑、孔形有密切關系[10-12].因此，合理設計微通道冷凝器流程數和各流程的扁管數，選擇適當的扁管孔數和孔徑、孔形，可使冷凝器制冷劑側換熱面積得到充分利用，使換熱量增加而制冷劑壓降減小.這對微通道冷凝器優化設計具有重要意義.

4結論

本文研制的汽車空調性能試驗臺總成——主機及風洞系統，以空氣側換熱量作為主測，制冷劑側換熱量作為輔測，并選取兩款微通道冷凝器作了性能測試，驗證了該試驗臺的準確性和穩定性.根據實驗數據得到了冷凝器迎面風速對換熱量、空氣壓降和制冷劑壓降的影響規律，為微通道換熱器的優化設計及企業的相關研究提供參考.

參考文獻：

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[3]GB/T 27698—2011.熱交換器及傳熱元件性能測試方法[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4]GB/T 23130—2008.房間空調器用熱交換器[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5]JB/T 7659.5—1995.氟利昂制冷裝置用翅片式換熱器[S].北京：機械科學研究院，1995.

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