汽車空調冷凝器選型設計研究

許振華，段福海，祖潤青，張 軍，王淑艷

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

汽車空調冷凝器選型設計研究

許振華，段福海，祖潤青，張 軍，王淑艷

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

對冷凝器的選型提供設計思路。冷凝器有效迎風面積行業推薦值為15 %～25 %，具體值由風速分布均勻性和冷凝器單體換熱效率決定。借助CFD和KULI等分析軟件，在保證性能的基礎上設計出更合理的尺寸，為汽車冷凝器前期提供設計依據。

冷凝器；汽車前端模塊；選型設計

平行流式冷凝器具有表面傳熱系數高、結構緊湊、制冷劑充注量少、制冷劑側和空氣側流動阻力小的特點。它采用全鋁釬焊制成，由骨架結構的集管、起換熱作用的扁管和開有百葉窗的翅片組成。具有質量輕、價格便宜、便于安裝、堅固耐用、運行安全可靠等優點。故而汽車空調用冷凝器被現代高性能的平行流式冷凝器所取代。

隨著汽車行業的發展，正向設計成為今后汽車行業的核心競爭力。汽車空調冷凝器實際能力設計，成為汽車空調系統設計的一大難題。以往，冷凝器能力設計常為蒸發器能力的2～3倍的經驗數值。但由于車輛造型風格不一，經驗系數已經不能滿足實際需求，造成冷凝器能力不足或冷凝器能力（成本）過剩等不合理情況。

1 某車型冷凝器負荷計算和布置方案

1.1 空調系統冷凝器負荷

根據熱力循環，空調冷凝器負荷計算公式為：冷凝器負荷能力Qc=蒸發器能力Qe+壓縮機做功Qw=7.16 kW。

1.2 前端模塊布置方案

冷凝器前端有格柵和防撞梁，后端有散熱水箱和電子風扇，下部有中冷器，見圖1。

圖9(c)是MD/CD結構試驗和有限元模擬的能量吸收情況，可以發現，試驗和模擬結果非常接近，只是當沖擊速度為6 m/s時，試驗結果要略高于模擬結果，這是因為在6 m/s速度下，上面板的破裂導致部分彈性變形能耗散，而沒有轉化為沖頭反彈的動能，最終被算作吸收能，所以試驗結果略微偏高。

圖1 前端模塊布置方案

2 冷凝器實際能力需求理論計算

2.1 某冷凝器平臺試驗數據提取（表1）

表1 某平行流冷凝器試驗數據（僅供參考）

2.2 冷凝器在某車型布置理論風速設計

冷凝器理論是設計風速。本文按高中低風速設計（具體項目可以分更細）：高風速區默認為格柵垂直冷凝器通風的有效面積22 %（約4 m/s以上風速區）；中風速區為格柵開孔周邊但是可以通風的區域70 %（約1.5～4 m/s風速區）；低風速區域8 %（約1.5 m/s風速區）。

2.3 冷凝器實際能力和尺寸需求理論計算

冷凝器負荷按Qc=7.16 kW為例：高風速區單位換熱量取7 W/cm2；中風速區單位換熱量取3.5 W/cm2；低風速單位換熱量取1.5 W/cm2。

高風速區：換熱量Q1=7.16×22 %=1.575 kW，有效面積需求S1= 1.575×1 000/7=225 cm2。

中風速區：換熱量Q2=7.16×70 %=5.012 kW，有效面積需求S2= 5.012×1 000/3.5=1 432cm2。

低風速區：換熱量Q3=7.16×8 %=0.573 kW，有效面積需求S3= 0.573×1 000/1.5=382cm2。

冷凝器總有效面積需求S=S1+S2+S3=2 039cm2，冷凝器實際換熱量需求Q=S×單位換熱量（推薦值選取試驗數據4.5m/s時對應換熱量6 W/cm2）=2 039×6=12 234 W。即冷凝器換熱能力需求4.5 m/s時，冷凝器換熱量12 234 W，冷凝器尺寸需求有效面積2 039 cm2。

3 分析驗證

3.1 校核驗證

在數據設計初期可根據實際開孔面積和冷凝器實際尺寸，基于冷凝器平臺試驗數據進行步驟2.3反之校核。

以某車型為例，實際中網格柵開孔冷凝器垂直面積為25 %（默認高風速區） ，對CFD分析結果要求低于1.5m/s以下風速區域不超過8 %，其余中風速區為67 %。

高風速區：有效面積S1=2 039×25 %=509.75 cm2，換熱量Q1=509.75×7=3 568.25 W。

中風速區：有效面積S2=2 039×67 %=1 366.13 cm2，換熱量Q2=1 366.13×3.5=4 781.455W。

低風速區：有效面積S3=2039×8 %=184.72 cm2，換熱量Q3=184.72×1.5=277.08W。

冷凝器實際換熱量Q=Q1+Q2+Q3=8 626.785W＞空調系統冷凝器負荷Qc=7.16 kW，可以滿足系統需求。

3.2 CFD分析驗證

在CFD分析時期，可根據CFD實際風速分布和冷凝器實際尺寸，基于冷凝器平臺試驗數據進行步驟2.3反之校核。

1）方法1 以某車型為例，根據CFD分析的風速分布進行統計：高風速區有效面積為24 %（約4 m/s以上風速區）；中風速區有效面積69 %（約1.5～4 m/s風速區）；低風速區有效面積7 %（約1.5 m/s風速區）。

高風速區：有效面積S1=2 039×24 %=489.36 cm2，換熱量Q1=489.36×7=3 425.52 W。

中風速區：有效面積S2=2 039×69 %=1 406.91cm2，換熱量Q2=1 406.91×3.5=4 924.185 W。

低風速區：有效面積S3=2 039×7 %=142.73 cm2，換熱量Q3=142.73×1.5=214.095 W。

冷凝器在整車上的換熱量Qs=Q1+Q2+Q3=8 563.8 W＞空調系統冷凝器負荷Qc=7.16 kW，可以滿足系統需求。

2）方法2 以某車型為例，根據CFD分析結果：風速分布均勻指數為0.65［1］。冷凝器在整車上的換熱量Qs=Q×0.65=12 234×0.65=7 952.1W＞空調系統冷凝器負荷Qc=7.16 kW，可以滿足系統需求。

3.3 KULI分析驗證

基于CFD風速分布矩陣，載入KULI分析模型（圖2）與冷凝器性能KULI數據平臺進行耦合計算，輸出制冷量性能曲線（圖3）和相關參數（表2）。40 km/h時，冷凝器在整車上的換熱量Qs=7.178W＞空調系統冷凝器負荷Qc=7.16 kW，可以滿足系統需求。

圖2 KULI分析模型

圖3 制冷量性能曲線

4 總結及展望

通過實例分析，對冷凝器選型設計提供設計思路；冷凝器有效迎風面積推薦值為15 %～25 %，具體由風速分布均勻性和冷凝器單體換熱效率決定；提高風速均勻性也是降低成本的一個方法，借助CFD和KULI等分析軟件能夠更合理地選擇尺寸和保證性能。對于應用KULI軟件的分析，需要輸入盡可能準確的邊界條件，盡量減少誤差，達到真正實現一維分析優化空調系統的目的。

［1］ 許振華，祖潤青，吳遠培，等. HVAC蒸發器芯體流動均勻性及空調流道設計的研究［J］.中國新技術新產品，2016（2）：13-14.

（編輯 張每文）

Design and Type-selection of Automobile Air Conditioner Condenser

XU Zhen-hua，DUAN Fu-hai，ZU Run-qing，ZHANG Jun，WANG Shu-yan
（R&D Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering Technical Center of HeBei，Baoding 071000，China）

This article mainly provides design ideas for condenser type selection. The industry recommended value of the condenser effective windward area is 15 % to 25 %，and the specific value is deter mined by the uniformity of the wind speed distribution and the heat transfer efficiency of the condenser. With the help of CFD and KULI and other analysis software，a more reasonable size is designed while ensuring the performance，which provides valuable reference for the future automobile condenser design at the preli minary stage.

condenser；automobile front-end module；type selection design

U463.851

A

1003-8639（2017）04-0065-02

2016-09-06；

2016-12-13

許振華（1985-），男，河南新鄉人，主要研究方向為汽車空調設計；段福海（1979-），男，河北滄州人，主要研究方向為汽車電器；祖潤清（1979-），男，河北高碑店人，主要研究方向為汽車電器；張軍（1982-），男，河北保定人，主要研究方向為汽車空調設計；王淑艷（1972-），女，天津人，主要研究方向為汽車空調設計。