基于高速氣流霧化空調冷凝水冷卻散熱器的裝置

羅軼陽

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢430070）

目前，隨著中國經濟的增長與便捷交通的發展，人們對于車輛的需求不斷增加，據近幾年乘用車銷售量的統計[2]，全國乘用車保有量在2018年便達到了2.4億輛，幾乎每臺正在使用的汽車上都裝有空調。天氣炎熱時，汽車空調開啟后會使發動機負荷增加、溫度升高，同時使冷卻液溫度升高，發動機無法在最佳溫度范圍內工作，汽車的油耗便會增加。基于中國巨大的汽車保有量，增加的燃油總消耗量十分巨大。

1 項目背景及意義

通過查閱資料，了解到了冷卻水溫與燃油消耗率的大致關系[3]。在夏天行駛時開啟空調，會導致冷卻水溫上升[4]，超過最佳溫度。通過計算可以得出，當冷卻水溫超出其最佳溫度后，如果能使冷卻液溫度降低1℃，就能提高2.27%的燃油效率，所以對冷卻水降溫是十分必要的。針對此問題提出一種基于高速氣流霧化車載空調冷凝水冷卻散熱器的裝置。

2 裝置原理及可行性分析

利用合理的管道設計將車載空調冷凝水引導至散熱器前通過高速氣流霧化，霧化后的水滴作用于散熱器表面持續蒸發吸熱，保證空調制冷量并更好地控制發動機工作溫度。

霧化網是霧化裝置的核心部件。該霧化器利用汽車行駛時通過格柵的高速氣流[6]將霧化網上冷凝水形成的水膜吹散，從而達到細化水珠的效果。主儲水裝置中的冷凝水經由滴水管滴管下落至霧化網上，使霧化網被水膜覆蓋，易于被氣流所破碎，達到霧化效果。網孔的大小影響水膜的成型，網孔過大，成膜率相對較低，不能達到有效的霧化效果；網孔過小增加了水膜粘結力，對風阻影響相對增大。因此，需要制訂合理的網孔尺寸，既達到良好的霧化效果，又最小限度地增加風阻。霧化裝置如圖1和圖2所示。

圖1 霧化網的布置示意圖

圖2 霧化網網孔示意圖

本裝置的主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術指標

3 設計思路與方案

3.1 設計思路

本作品采用模塊化設計，分為前置儲水裝置、主儲水裝置和霧化裝置。各部分之間采用水管、卡扣連接。針對不同車型的不同需要，可提供兩種模式進行改裝。

模式一（如圖3所示）：針對客車及部分可改裝空調冷凝系統的轎車，由于冷凝水出水口高于霧化裝置作用位置，所以，可選用主儲水裝置和霧化裝置組合。冷凝水產生后收集于主儲水裝置中，達到水量下限以及合適的工作條件后電控閥門打開，為霧化裝置供水。霧化裝置位于散熱器右下角進水口處，受到供水后通過多排出水管向霧化網供水，使冷凝水在霧化網表面形成水膜。霧化裝置利用汽車行駛時的高速氣流將霧化網上的水膜破碎形成水霧，輔助散熱器。

模式二（如圖4所示）：針對空調冷凝水出口低于霧化裝置作用位置且不便改裝空調冷凝系統的轎車，可選用前置儲水裝置、主儲水裝置和霧化裝置的組合。冷凝水產生后先收集于前置儲水裝置中，達到一定的水位后接通電源驅動水泵工作，將水提升至主儲水裝置中，達到水量下限以及合適的工作條件后電控閥門打開，為霧化裝置供水。

3.2 前端儲水裝置設計

前置儲水裝置主要由罐體、頂蓋、浮桿、導桿、檢測桿、彈簧、磁保持繼電器和水泵組成（如圖5所示）。冷凝水產生后通過管道流入罐體中，浮桿底部的浮子受到浮力后帶動檢測桿沿軌道移動，軌道上下端均有磁保持繼電器，當檢測桿運動到水位上限對應的位置時，磁保持繼電器觸發水泵工作；當檢測桿運動到水位下限對應的位置時，磁保持繼電器停止水泵工作。

圖3 模式一

圖4 模式二

圖5 前置儲水裝置組成示意圖

考慮到車輛行駛時的顛簸情況，做出以下設計避免誤觸發：浮桿和導桿均采用對稱設計，當水位由于顛簸發生改變時，由于左右水位不同導致浮桿受到的浮力不同，進而產生一個轉矩，使導桿與罐體產生摩擦，阻止檢測桿上升。同時導桿軌道內有一彈簧，在輔助檢測桿歸位的同時起到一定的防誤觸發作用。

3.3 主儲水裝置設計

主儲水裝置由罐體和電控閥門組成，罐體設計成弧形有利于貼合發動機艙內形狀，罐體左上方與右下方設有接口，可通過水管與前置儲水裝置或冷凝水出水口和霧化裝置相連（如圖6所示）。罐體右上方設有泄壓孔兼排水孔，當冷凝水流入時起平衡氣壓的作用，方便冷凝水順利進入主儲水罐。當水量超出主儲水罐容積時，多余的冷凝水可從排水孔流出。當滿足工作條件時，電控閥門打開，向霧化裝置供水。

圖6 主儲水裝置示意圖

3.4 霧化網設計計算

氣流進入格柵時，由于氣流的粘滯性和慣性以及格柵對氣流的阻滯、擾動作用而形成的通風阻力，是造成氣流能量損失的主要原因；又由于水膜的作用，使通過霧化網的氣流發生變化，但由于變化微小，可近似認為經過格柵的風速就是經過霧化網的風速，其局部阻力計算式為[5]：

式（1）（2）（3）中：h為局部通風阻力，Pa；S1為霧化網有效通過面積，m2；S2為霧化網總面積，m2；v為氣流通過霧化網的風速，m/s；ρm為空氣平均密度，kg/m3；v2為氣流通過霧化網后的風速，m/s；x為霧化網寬度，m；y為霧化網長度，m；d為霧化網孔徑，m；dL為霧化網線寬，m。

則：

式（4）（5）（6）中：F為霧化網對水膜的臨界表面張力，N；Fσ為水膜表面張力，N；σ為水的表面張力系數，N/m。

聯立上述方程可尋得最優解。為了更加準確快捷，建立了數學模型并將最初設定的霧化網尺寸代入，最后得出最優孔徑尺寸。取x=0.5 m，y=0.3 m，dL=0.001 m，ρm=1.293 kg/m3，v=10 m/s，σ=7.28×10-2N/m，計算得出最佳的網格孔徑大約為3.56 mm。

4 仿真分析及實驗驗證

4.1 三維模型的建立

通過查閱論文中得知散熱器溫度最高的部位集中在靠近入水口的第一、二排管[7]，且散熱器四周的散熱效果最好[8]。同時，由于裝置所能提供的水量和噴灑面積無法達到對整個散熱器的全覆蓋，所以最終建立了24 cm×8 cm的局部模型，如圖7所示。

圖7 簡化模型示意圖

4.2 散熱效果仿真分析

對散熱器的傳導情況進行有限元熱流耦合仿真分析，模擬傳熱散熱系統下的穩態環境，各域的屬性參數設置如表2所示。

穩態分析后溫度結果如圖8、圖9所示，其中圖8為純風冷情況下的冷卻液溫度分布圖，圖9為風冷加水冷情況下的冷卻液溫度分布圖。可以看出，整體達到穩態以后，增加了水冷之后冷卻液的溫度要比純風冷情況下的溫度低10℃左右。但由于分析用的是簡化模型，冷卻液未充分換熱就流出了散熱器，所以實際情況純風冷條件下散熱效果應該優于仿真中得到的結果。

表2 仿真分析參數設定

圖8 純風冷情況下的冷卻液溫度分布

圖9 風冷加水冷情況下的冷卻液溫度分布

5 實驗驗證

模擬霧化網利用高速風霧化的情形，測量不同網孔直徑的金屬網在進行霧化的過程中空氣濕度的變化來進行分析。加工了4塊金屬網孔徑分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的金屬網，利用吹風機獲得較大風力進行高速風的模擬。利用滴管供水，在金屬網上形成水膜，用高速風吹破形成水霧。整個過程中用濕度計測量環境濕度的變化，對4個金屬網分組進行比較。

在測量濕度的過程中先測出周圍環境的相對濕度為59%，實驗過程中的風速穩定在（10±0.5）m/s，并且之后每組進行試驗后都要等到濕度計數值恢復到59%之后在進行實驗。最后測得數據如表3所示。

表3 實驗數據

可以看出，霧化網孔直徑在3～4 mm時效果最佳。

6 總結與展望

本裝置將平時浪費的車載空調冷凝水合理利用，用來控制散熱器的溫度，實現在保證制冷效果的同時，降低了汽車發動機的燃油消耗。其可以廣泛用于各種車型，比如私家車、貨車、公共交通車輛等，均可在炎熱天氣的車載空調工作中發揮可觀的節能減排效益。

本裝置具有的成本低廉、結構簡單、效果顯著等優點，這將使本裝置在當前綠色環保領域中占據一席之地，發揮出重要的作用。