不同翅片角度下的多元平行流式冷凝器溫度場分析

馮攀，張洪申，許勝麒

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院 機電工程學院先進制造技術研究所）

0 引言

隨著近年來我國經濟的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，汽車成為了生活中必不可少的交通工具。汽車的需求量在急速增加，同時，人們對于汽車的要求也不再是簡簡單單的能乘坐即可。汽車的舒適度成為了衡量汽車好壞的另一個重要標準。汽車空調系統已成為衡量汽車功能是否齊全的標志之一，日益受到汽車生產商和廣大用戶的重視。而冷凝器是汽車空調系統的核心組成部件，其生產質量直接影響到汽車空調系統的運行情況。因此，需要對汽車中多元平行流式冷凝器結構及其散熱特性等開展研究，以提升車載空調的運行質量。

郭艷[1]采用 ANSYS 軟件模擬確定了冷凝器爐中釬焊的較佳工藝參數，依托重慶某知名換熱器生產基地進行了爐中釬焊實驗，通過對模擬的集流管和扁管、扁管與翅片的爐中釬焊表面溫度場云圖分析發現，整個爐中釬焊過程中，溫度變化較為劇烈，但在釬焊接頭周圍溫度分布較為均勻，表面溫差最大不超過 2 ℃。侯昆[2]通過理論分析，闡述了兩相流流動的基本方程和方法，通過流型圖和高速攝像機等可以對流動狀態進行觀察和分析。Odagir[3]等在高熱通量回路的毛細管蒸發器液汽界面行為研究中討論了 HP 操作過程中蒸發器中的液-氣界面行為。以上三位的研究為冷凝器的仿真過程提供了參考。

房穎[4]通過數值分析對3 種不同形狀的翅片換熱性能進行計算，得出 Z 字型百葉窗翅片的傳熱性能優于平板翅片及平板百葉窗翅片，其換熱提高和壓降減少量都在10%以上。俞登佳[5]等提出了閥前分液并且通過 4 個熱力膨脹閥單獨控制各蒸發器過熱度的改進分液方式，各蒸發器出口溫度的均勻性有較大提高，從而有效改善了多流路蒸發器的分配不均現象。趙蘭萍[6]等在平行流蒸發器制冷劑流量分配特性中對比不同開孔率時的流量分配情況，發現隨著開孔率的增大流量分配均勻性先變差后變好，之后隨著開孔率進一步增大，流量分配均勻性又變差。Xiang[7]等在汽車空調平行流式冷凝器空氣側性能研究中，對汽車空調平行流式冷凝器進行了實驗研究和仿真，重點研究了百葉翅片在空氣側的傳熱和流動特性。幾位的研究為本文翅片角度的選擇提供了參考。

Alkan[8]等對 R134a 制冷劑進行了 50～ 300 W 的加熱試驗，發現在試驗段入口蒸汽質量為0.41 kg/h 時，最大加熱負荷為 300 W 時聯箱內的相分離較大。Odagir[9]等在高熱通量回路的毛細管蒸發器液汽界面行為研究中討論了LHP 操作過程中蒸發器中的液氣界面行為。Yoo[10]在實驗中采用制冷劑R134a 和制冷劑 R152a，對這兩種制冷劑下汽車空調系統的性能進行了比較。幾位的研究為本文制冷劑的選擇提供了參考。

華楠[11]等探索了分液芯結構對分液冷凝器熱力性能影響的規律，發現漏液率和分液小孔的孔徑與數量對分液冷凝器熱力性能影響較大。安琪[12]等基于 CRFM 激振力的識別方法,提出了改進后懸置的隔振率的計算方法。徐凱[13]等研究了蒸發器出風溫度的均勻性，以提高溫度分布均勻性以及整體換熱能力。鞠升宇[14]基于 CATIA三維乘客艙數模建立了描述氣流物理場的控制方程。張楠[15]基于 KULI 軟件搭建了空調系統一維仿真模型，基于相變原理編寫 UDF，計算分析膨脹閥和蒸發器的工質流速、溫度等結果。幾位的研究對本文制冷劑流動過程的研究提供了參考。

國內外的研究表明，在不同的翅片角度下，制冷劑的工況會有所差異。本文基于相關的研究，探索了在不同翅片角度下的多元平行流式冷凝器的溫度場變化情況。找到了制冷劑流過扁管過程中的最佳翅片角度范圍，為多元平行流式冷凝器翅片角度的選擇提供了參考。

1 冷凝器有限元模型建立及對流換熱方程

1.1 冷凝器的組成及材料

圖1 為一種多元平行流式冷凝器，尺寸為590 mm×370 mm×16 mm。冷凝器由集流管、扁管、翅片等組成。平行流式冷凝器的扁管通常均是薄壁的型材，僅有 2～3 mm 的厚度，寬度一般為 16～25 mm，壁厚僅有 0.5 mm 左右，與普通管帶式的扁管一樣，為帶內齒（翅）的多孔斷面，扁管間的距離大約有 8 mm 左右，扁管間所夾的翅片只有 0.145 mm 厚，同樣也開有百葉窗，這些特征都極大程度地提高了空氣側和制冷劑側的換熱總面積。平行流式冷凝器通常是利用兩側的圓筒集流管進行制冷劑進與出的匯集，并用隔板將多條扁管隔為一組，形成多條回路，以便制冷劑在幾條扁管組成的回路中流入集流管時，能夠在直徑為 20 mm 左右的管內再次混合，使高溫與低溫的工質、密度低與密度高的工質多次混合，進而形成溫度和密度較均勻的工質，并使其在流向下一回路時能均勻地分流，以便保持勻速地通過有內齒的扁管和有百葉窗的翅片進行導熱，并可以更好地與空氣進行換熱。

圖1 多元平行流式冷凝器Fig.1 Multi-element parallel flow condenser

由于冷凝器的尺寸較大，對整個冷凝器產品進行溫度場模擬計算量較大，因此本文主要針對制冷劑R134a 流過扁管時扁管和不同角度翅片部分進行溫度場模擬。

1.2 對流換熱方程

制冷劑流過扁管的過程中，主要存在的是制冷劑與金屬扁管壁的換熱，以及空氣與冷凝器外表面的對流換熱。對流換熱的基本計算式是牛頓冷卻公式[1]

物體被加熱時

物體被冷卻時

式中：tf，tw——壁面溫度和流體溫度；h——對流換熱系數。

結合本文的實際研究對象，修正的對流換熱方程為

制冷劑與管壁的對流傳熱方程

管壁與空氣的對流傳熱方程

1.3 初始條件

初始條件指的是初始溫度，在本文中指的是和冷凝器外表面換熱的外界環境溫度以及制冷劑剛流入扁管時的溫度。研究中認為環境溫度是不變的，制冷劑的溫度變化是均勻的：

式中：T0——已知溫度，是常量。考慮到是夏季，取T0=37 ℃。

1.4 有限元模型

構成多元平行流式冷凝器的材料大部分是3003鋁合金，其熱物理性能參數主要有：導熱系數、比熱容 C、密度。隨溫度變化關系如表1 所示[1]。

表1 鋁合金 3003 熱物性參數隨溫度的變化關系Tab.1 Temperature dependence of thermophysical parameters of aluminum alloy 3003

本文研究中的冷凝器翅片角度分別為0°，30°，45°，60°，其原理圖如圖2 所示。

圖2 冷凝器翅片角度原理圖Fig.2 Schematic diagram of condenser fin angle

冷凝器結構對稱，在仿真過程中采用局部模型可以大大減少計算所花的時間。翅片角度分別為0°，30°，45°，60°的翅片與集流管局部模型及網格劃分，如圖3 所示。網格劃分采用的是四面體的劃分方式。角度為0°下的網格數為74 629；30°下的網格數是27 114；45°下的網格數是20 391；60°下的網格數是88 065。

圖3 網格模型Fig.3 Grid model

2 溫度場模擬

2.1 模擬過程

冷凝器工作過程中，制冷劑從一端的集流管流向另一端的集流管。制冷劑流過冷凝器的溫度從71 ℃到57 ℃[16]均勻變化。整個流動的過程中，最主要的換熱部分是制冷劑與金屬扁管壁的換熱，以及空氣與冷凝器外表面的對流換熱。冷凝器兩端集流管是封閉的，扁管兩端與集流管相連，因此仿真過程中扁管兩端截面可視為絕緣邊界。其余外表面與外界環境換熱，外界環境溫度設定為37 ℃。

2.2 模擬結果與分析

（1）不同翅片角度下的熱循環曲線

不同翅片角度下的熱循環特性如圖4所示。從圖4 可以看出，4 個角度下的熱循環曲線趨勢大致相同。每張圖中上方的曲線和下方的曲線分別代表相同時刻下的最高溫度和最低溫度。0°下隨時間變化的最小值范圍是22.6～68.2℃，最大值范圍是57～71.3 ℃；30°下隨時間變化的最小值范圍是21.6～62.3 ℃，最大值范圍是57～71.1 ℃；45°下隨時間變化的最小值范圍是22.4～60.2 ℃，最大值范圍是57～71 ℃；60°下隨時間變化的最小值范圍是24.9～65.5 ℃，最大值范圍是57～71 ℃。

圖4 不同翅片角度下的熱循環曲線Fig.4 Thermal cycle curves of different fin angles

0°下溫差最大的時間出現在0～3.82 s，溫差范圍為61.4～21.7 ℃，溫差最小的時間出現在295～300 s，溫差范圍為4～2.9 ℃；30°下溫差最大時間出現在0～3.9 s，溫差范圍為51.4～10.7 ℃，溫差最小的時間出現在297～300 s，溫差范圍為4～3 ℃；45°下溫差最大時間出現在0～3.78 s，溫差范圍為51～13 ℃。溫差最小的時間出現在290～300 s，溫差范圍為7～6.9 ℃；60°下溫差最大的時間出現在0～1.4 s，溫差范圍為48.1～7.5 ℃。溫差最小的時間出現在288～300 s，溫差范圍為3～2.9 ℃。結果顯示，隨著角度的增大，最大溫差范圍會越來越大，結合實際空調運行情況可知，溫差范圍越小，越有利于冷凝器工作，所以翅片角度越小冷凝器的工作狀態越好，壽命越長。

（2）不同翅片角度下的溫度場分布

從圖5 中可以看出，4 種角度下，溫度最高的部分都是出現在制冷劑流過的扁管，而扁管之間的翅片最低溫度出現在翅片的中間部分，并且往兩邊的扁管處溫度逐漸升高大致呈線性分布。0°下的溫差為3.9 ℃，30°下的溫差為4.1 ℃，45°下的溫差為6.3 ℃，60°下的溫差為2.6 ℃。可以看出，當角度從0～30°時，溫差范圍逐漸縮小，但0°的扁管和翅片整體溫度偏高；30～45°時，溫差范圍逐漸增大；45～60°時，溫差范圍又逐漸縮小。結合多元平行流式冷凝器的結構可知，當冷凝器的長度相同的條件下，扁管的長度也就確定。那么翅片的整體長度也就確定，在翅片長度一樣的情況下，翅片夾角越小，單位的翅片數目也就越多，散熱效果也就越好。并且0°情況下翅片與扁管整體的溫度偏高。綜合考慮下，較佳的翅片角度應該在0～30°以內。

圖5 不同翅片角度下的溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution under different fin angles

3 結論

多元平行冷凝器的工藝參數及散熱質量是影響汽車空調工作效率的關鍵因素之一。本文對4種不同翅片角度下的多元平行冷凝器扁管和翅片部分進行了溫度場模擬。探究了在4 種翅片角度下制冷劑流過扁管時的溫度場情況，得到的主要結論如下：

（1）建立了多元平行流式冷凝器傳熱數學模型和有限元模型，通過模擬分析得出了4 種翅片角度下的熱循環曲線，由結果可以看出4 條曲線趨勢大致相同。并且得到了4 種角度下的溫差范圍。

（2）通過模擬分析得出了4 種翅片角度下的溫度場分布。4 種不同角度下，溫度最高的部分都是出現在制冷劑流過的扁管，翅片上的最低溫度出現在翅片的中間部分，往兩邊的扁管處溫度逐漸升高且大致呈線性分布。0°下的溫差為3.9 ℃，30°下的溫差為4.1 ℃，45°下的溫差為6.3 ℃，60°下的溫差為2.6 ℃。可以看出當角度從0～30°時，溫差范圍逐漸增大，但0°的扁管和翅片整體溫度偏高；30～45°時，溫差范圍逐漸增大；而從45～60°時，溫差范圍又逐漸縮小。

（3）綜合模擬分析結果和實際情況，結合多元平行流式冷凝器的結構可知，當冷凝器的長度相同的條件下，扁管的長度隨之確定，則翅片的整體長度也就確定。在翅片長度一樣的情況下，翅片夾角越小，單位的翅片數目也就越多，散熱效果也就越好。又由于當翅片角度為0°時，翅片和扁管的整體溫度偏高。綜合考慮下，翅片角度的較佳范圍為0～30°。