平流式冷凝器应用于顶置式汽车空调的试验研究-平流式冷凝器.doc

平流式冷凝器应用于顶置式汽车空调的试验研究西安交通大学 宋振华 袁秀玲摘要：本文用试验的方法探讨平流式冷凝器在大中客车顶置式空调上的应用，以平流式冷凝器及设计的一套顶置式中客空调系统为样机，进行冷凝器的换热性能试验和空调系统性能试验，目的是得出一些实际的检测数据，为今后平流式冷凝器在大中客车空调推广应用提供参考。Abstract: The usage of parallel flow condenser in large & medium sized bus air conditioning system is discussed in this thesis by test method. A condenser heat exchanger as well as an air conditioning system performance experiments are done on a sample unit with parallel flow condenser. The test data supplies a reference to the popularization of parallel flow condenser in large & medium sized bus air-conditioner.关键词： 平流式冷凝器 大中客车顶置式空调 换热器换热性能试验 空调系统性能试验Keywords: Parallel flow condenser Large & medium sized bus roof-mounted air-condition Heat exchanger performance test Air-conditioning system performance test1. 前言冷凝器是空调设备制冷系统中的一个重要部件，它的好坏直接影响空调设备的性能。按文献【1】分析，冷凝器的热损失要占整个空调设备的热损失的35. 5%。因此，要提高空调器的能效比，降低其能量消耗，改善冷凝器结构，强化其传热具有重要意义。汽车空调系统中采用的冷凝器主要有套片式冷凝器、管带式冷凝器和平流式冷凝器三种结构类型。套片式冷凝器是由铜管和铝翅片组成。因热胀冷缩的影响，经过一段时间的工作之后，管子和肋片之间的内应力会随之下降，接触应力相应降低，从而引起换热效率降低，对于汽车空调尤其如此，因汽车的颠簸和震动，其内应力在这样条件下更容易疲劳，引起管子和肋片之间的微观松动，而且，肋片上的孔也会在强烈的震动下，因管子和肋片的振动频率不同，相互之间产生相对运动而被扩大，更加加剧了换热效率降低，同时还会带来工作噪音的加大和使用寿命的缩短。管带式冷凝器采用椭圆扁管，椭圆扁管内与制冷剂的接触周长比圆管大得多，因此，管内的换热量有较大的提高，扁管的迎风面积小，具有有利的流型，气体动力性能好，背风面涡流区小，因此，在相同的风速下，管外侧的放热系数高于圆管，而流动阻力却低于圆管。而且，其结构紧凑，在相同数目的管簇情况下，扁管肋片所占面积小，这样，在相同的外形尺寸时，扁管可以显著增加换热面积。同时，管子和肋片均为铝材，重量轻，成本低，且加工工艺简化，焊接处减少，可靠性提高。据文献【2】介绍，在同样温差和空气流量条件下进行试验，用椭圆扁管代替圆管可增加换热量20 40%，冷凝器尺寸和重量可减少18 40%。平流式冷凝器同样采用扁管，制冷剂由管接头进入圆柱形集管，然后分流进入椭圆扁管，平行的流到对面的集管，最后通过跨接管回到管接头座。扁管之间嵌有散热片。这种冷凝器具有空气侧和制冷剂侧的压力损失小，传热系数高，重量轻，结构紧凑和制冷剂充灌量少，更适合于R134a工质。据文献【2】介绍，与管带式冷凝器相比，在制冷剂相同的情况下，平流式的制冷剂侧压力降只是管带式的20%，而换热性能提高约70%。近年来，我国汽车空调设备正在日新月异的发展，纵观汽车空调用冷凝器，在轿车和中巴车上，套片式冷凝器已基本被管带式冷凝器所替代，平流式冷凝器也在逐步发展。但对于大中客车空调，冷凝器却一直以套片式冷凝器占主导地位，管带式冷凝器应用很少，更不用谈平流式冷凝器。所以，研究和开发平流式冷凝器在大中客车空调上的应用尤显必要。本文就是用试验的方法探讨在大中客车顶置式空调上应用平流式冷凝器的可能性，以平流式冷凝器及设计的一套顶置式中客空调系统为样机，进行冷凝器的换热性能试验和空调系统性能试验，目的是得出一些实际的检测数据，为今后平流式冷凝器在大中客车空调推广应用提供参考。2. 试验装置、测试方法2.1样机选择平流式冷凝器为336（mm）的铝质口琴管镶嵌开百页窗V形带状铝质翅片，外表面积3 .405 m 2，内表面积4.171 m 2，迎风面积0.51 m 2，翅片高度32 mm，翅片宽度8 mm，翅片间距1.5 mm。其结构见图1。3*36 9孔口琴管图1 平流式冷凝器结构图系统设计为顶置式汽车空调系统，其结构见图2，冷凝器采用一个平流式冷凝器，迎车行方向安装，平行布置2个冷凝风机，冷凝风量设计4000m3/h，蒸发器采用两个套片式蒸发器对称两侧安装，每侧布置2个蒸发风机，蒸发风量设计3500 m3/h。压缩机采用排量465cc的4FY汽车空调专用压缩机。系统设计制冷量18 kw。 制冷工质为R-134a。A: 冷凝器 B：蒸发器 C：储液器 D：干燥过滤器E：视液镜 F：膨胀阀 G：冷凝风机 H：蒸发风机图2 顶置式汽车空调系统结构图2.2试验装置及测试仪表冷凝器的换热性能试验是在汽车空调换热器及系统性能试验装置上进行的，该检测装置采用电热焓差法，利用空气焓差法和制冷剂质量流量计法两种方法计算换热器换热量，可控制冷凝器的进风干球温度、迎面风速（风量）、入口制冷剂压力、温度、流量、出口液体温度及冷凝器入口制冷剂过热度和出口过冷度，可测试冷凝器换热量、冷凝风量、制冷剂流程阻力和空气阻力，完全满足冷凝器试验研究的需要。系统性能试验是在顶置式汽车空调系统试验装置上进行的，该检测装置同样采用电热焓差法，利用空气焓差法计算系统制冷量，模拟顶置在汽车上的安装方式安装，可控制汽车内侧和汽车外侧的环境条件、冷凝风量和蒸发风量及压缩机转速，可测试系统制冷量、冷凝负荷、压缩机功耗、冷凝风量、蒸发风量、空气流程阻力和风机功率等，完全满足空调系统试验研究的需要。两套试验装置都由国外公司专业制造，均采用世界级高精度传感器、变送器、可编程控制器和数据采集系统，试验过程计算机自动控制，装置功能齐全，性能优良稳定，测量结果准确可靠，自动化程度高，达到当代国际的先进水平。2.3测试方法冷凝器换热性能试验：控制冷凝器进风干球温度35，冷凝器进口制冷剂过热度25，冷凝器出口制冷剂过冷度5。在一定的迎面风速下，变冷凝压力测试冷凝器的换热量。在一定的冷凝压力下，变迎面风速测试冷凝器的换热量。空调系统性能试验：压缩机转速1500rpm，风机端电压27V，调节测试风洞引风机使蒸发器出口处的静压保持为零，而冷凝器分别控制出口处的静压为零和风量5000 m3/h的状态下，在以下三种工况条件进行试验。工况1（JISD 1618标准）：蒸发器进风干球温度27，进风湿球温度19.5，冷凝器进风干球温度35。工况2：蒸发器进风干球温度30，进风湿球温度23.8，冷凝器进风干球温度35。工况3（IMACE 250标准）：蒸发器进风干球温度32.2，进风湿球温度23.8，冷凝器进风干球温度37.8。3. 测试结果冷凝器换热性能试验结果归纳如下：冷凝器进风风量m3/h450068008100对应的迎面风速m/s2.53.84.5冷凝器进口压力MPa（A）1.471.571.671.471.571.671.471.571.67冷凝器换热量KW20.4222.9925.6826.6330.6432.5930.0934.7635.89制冷剂流程阻力kPa5.887.858.8312.7515.6916.9216.6721.5723.83冷凝器空气阻力Pa53.453.853.5101.0101.4101.3137.3137.6137.7空调系统性能试验结果归纳如下：检测工况检测项目工 况 1工 况 2工 况 3系统制冷量 KW17.4818.1719.4919.6519.3920.38冷凝器负荷 KW26.6527.5928.7029.9828.4429.79冷凝风量 m3/h395050003898500039135000冷凝器空气阻力Pa0180.080180.070179.97蒸发风量 m3/h327732873324331633803390蒸发器空气阻力Pa000000压缩机功耗 KW6.666.577.116.937.307.11冷凝风机功率KW0.500.460.500.460.500.46蒸发风机功率KW1.021.021.021.021.021.02吸气压力MPa（A）0.340.340.380.380.390.39排气压力MPa（A）1.741.621.841.701.961.81换热量 流程阻力 空气阻力 图3 在一定的风速条件下，冷凝器换热量、制冷剂流程阻力和空气流程阻力随冷凝压力的变化曲线从试验分析得出：1. 平流式冷凝器在一定的迎面风速下，随着冷凝压力的提高，冷凝器的换热量增加，随着迎面风速的提高，冷凝器的换热量更显著地增加，但提高到一定的迎面风速和冷凝压力后（如迎面风速4.5m/s和冷凝压力1.67MPa时）再进一步提高迎面风速和冷凝压力，冷凝器换热量变化不大。2. 平流式冷凝器在一定的迎面风速下，随着冷凝压力的提高，冷凝器制冷剂的流程阻力增加，随着迎面风速的提高，冷凝器制冷剂的流程阻力更显著地增加。和以往套片式冷凝器和管带式冷凝器试验比较，制冷剂的流程阻力大大降低。3. 对于同规格的顶置系统，以平流式冷凝器设计的系统比以套片式冷凝器设计的系统，冷凝器数量由两个变成了一个，虽然压缩机排气压力较高，但只要适当地选择好冷凝风机就可以解决