暖风换热器性能提升方法的探讨

平永亮， 姚军平， 秦 红， 陈凤云， 王 旭， 叶 航， 刘永强

（麦克斯（保定） 汽车空调系统有限公司， 河北保定 071000）

汽车空调中暖风换热器是实现冬季为车内提供热量的核心部件， 其结构如图1所示， 主要由扁管、水室、 翅片构成。 扁管是散热介质流经的通道； 水室的作用是收集暖风换热器扁管内部的传热介质，并将介质均匀分布到每根扁管； 翅片的作用： 将热量通过扁管的管壁传递到翅片上， 风通过翅片， 与翅片进行热交换， 从而实现给空气加热的功能。 目前常规能源汽车空调系统主要是由发动机余热提供热源， 热量充足， 对暖风的要求较低， 故针对暖风性能的研究较少， 然而在新能源汽车中热源不稳定， 同时热量珍贵，必须将之充分利用， 从而对暖风芯体的性能研究必须加强， 本文就是针对影响暖风性能的主要因素进行逐一分析验证， 最终找到一个更加合理的结构设计， 提高性能， 达到节约能源的目的。

1 扁管的影响

1.1 扁管形式对整体性能的影响

目前暖风芯体中主要有两种扁管形式， 分别为B型扁管和O型扁管， 如图2所示。 本文针对外形规格（宽×厚） 为26×1.4 mm的两种扁管为例作分析研究。

试验用B型扁管材料厚度为0.25 mm， O型扁管材料厚度为0.3 mm。 用换热器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分别使用B型扁管和O型扁管制作成暖风芯体进行台架性能测试。

测试条件： 空气侧干球温度20 ℃， 湿球温度15 ℃， 芯体内热水温度85 ℃， 水流量6 L／min， 通过暖风芯体表面的风量分别在250 m3／h、 300 m3／h、350 m3／h的情况下， 测试结果如图3所示。

通过上述试验， 采用B型管的暖风性能比O型管高出5%以上。

1.2 扁管形式对流阻的影响

用换热器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分别使用B型扁管和O型扁管制作成暖风芯体进行台架性能测试。 测试条件： 芯体内热水温度85 ℃， 水流量分别为3 L／min、 6 L／min、 9 L／min的情况下测试流阻，结果如图4所示。

通过上述试验， 采用B型管的暖风流阻要比O型管低， 这样有利于暖风内的流体流动。 当在实车上时， 在同一车内相同的泵提供同样压头的情况下，冷却液在B型扁管的暖风换热器内的流量要大， 提供热源的量也比O型扁管的换热器多， 从而B型扁管在整车上的换热也是存在优势的。

1.3 扁管形式对整车升温效果的影响

用换热器外形尺寸、 翅片、 流程相同， 分别使用B型扁管和O型扁管制作成暖风芯体装入整车， 进行环境模拟试验。

测试条件： 整车在环境温度-15 ℃的条件下停放足够长时间， 致使发动机防冻液的温度与环境温度相同， 然后整车恒速60 km／h， 空调最大风量、最大制热、 内循环的状态下， 运行40 min， 测试驾驶室温度分布结果如表1所示。

表1 两种扁管形式下测试驾驶室温度分布结果

通过上述试验结果可知， B型扁管在整体换热能力、 流阻及整车升温效果上都优于O型扁管。

2 翅片的影响

目前暖风芯体中使用的翅片主要有U型翅片和矩型翅片两种。 翅片开窗数量一般根据暖风芯体的厚度不同进行调整， 目的是对通过芯体的空气进行导流， 使空气与换热器进行充分接触， 可根据实际情况进行调整。

矩型翅片较U型翅片与暖风芯体扁管的接触面大， 有利于增加换热器的换热量。

用换热器外形尺寸相同， 分别使用矩型翅片和U型翅片制作成暖风芯体进行台架性能测试。 测试条件： 空气侧干球温度20 ℃， 湿球温度15 ℃， 芯体内热水温度85 ℃， 水流量6 L／min， 通过暖风芯体表面的风量分别在250 m3／h、 300 m3／h、 350 m3／h的情况下， 测试结果如图5所示。

通过上述试验，采用矩型翅片的暖风性能比U 型翅片高，且当风量增大时换热能力提高更加明显。

3 流程的影响

目前暖风芯体主要使用单排扁管， 其流程分布主要有一型流程和U型流程两种， 如图6所示。

一型流程的暖风芯体由于换热介质从靠近进出口位置的扁管流过的距离较短， 容易形成“短路”， 造成换热介质从靠近进出口位置的几排扁管流过， 后面的扁管换热介质不经过， 使换热器表面温度不均匀， 致使整车空调主驾驶侧与副驾驶侧的出风口温度偏差大， 影响顾客的舒适度。

U型流程的暖风换热器可以减少流程不均的现象， 但是靠近中间的扁管同样比芯体两侧的扁管流经的距离短。

为了避免换热介质流经距离不均的现象， 设计出芯体的进出口管位置调整为异侧进出口的方式，如图7所示， 无论换热介质从哪根扁管流过， 换热介质流经的距离均相同。

使用扁管翅片相同参数的材料制作出外形尺寸相同的一型流程暖风芯体、 U型流程暖风芯体和进出口异侧流程暖风芯体， 进行台架性能测试。

测试条件： 空气侧干球温度20 ℃， 湿球温度15 ℃， 芯体内热水温度85 ℃， 水流量6 L／min， 通过暖风芯体表面的风量分别在250 m3／h、 300 m3／h、350 m3／h的情况下， 测试结果如图8所示。

通过上述试验， 更改为异侧进出口的形式， 其换热能力较另外两种都明显提高， 但采用此方式需根据实际的安装空间进行选择。

4 结论

1） B型扁管材料因可比O型扁管的材料做得更薄， 换热效率明显高于O型扁管， 在暖风芯体结构设计时可优先选用。

2） 矩型翅片增加了翅片与扁管的接触面积，提高了暖风芯体的空气侧换热效率。 在大风量时其优越性愈加明显。

3） 暖风芯体的流程设计应该尽量使流体在扁管内的流动距离相同， 使得芯体表面的温度分布趋于均匀一致。 根据试验结果， 采用进出口异侧的方式可以很好地解决此问题， 但需要在前期设计时充分考虑其装配性。