二氧化碳汽车空调系统中蒸发器的创新设计

2017-12-18解瑞雪丁成林沈松贞

魅力中国 2017年47期

解瑞雪　丁成林　沈松贞

摘要：CO2是一种天然工质制冷剂，具有优越的物理特性。但跨临界 CO2的临界压力非常大，是传统的 7-10 倍，传统制冷装置的结构需要重新设计。本文以跨临界二氧化碳为研究基础，对二氧化碳汽车空调中的蒸发器的结构进行创新设计。研究结果表明，创新设计的蒸发器结构可行。

关键词：跨临界CO2 蒸发器结构设计

传统氟利昂制冷剂系列对臭氧层的破坏及温室效应是传统空调制冷行业面临的最大的难题。汽车自身动力来源限制了空调系统的发展，主要以开启式压缩机为主，并使用传统的氟利昂制冷剂，每一种人工合成的化学物质皆可能对环境有着潜在的、无法预知的危害，因此新型天然制冷剂代替传统制冷剂是整个行业的重点研究方向。

二氧化碳作为制冷剂主要通过压缩式制冷方式实现的，根据制冷循环的外部条件不同，分为亚临界循环、跨临界循环和超临界循环。二氧化碳制冷剂在最初阶段处于低温低压状态，在压缩机中被压缩成高温高压的气体。在气体冷却器中發生热交换，释放热量，成为低温高压气体，然后通过节流装置成为低温低压的气体，经蒸发器蒸发吸热，达到制冷效果。图1为二氧化碳汽车空调系统三维模型。

CO2汽车空调跨临界制冷循环系统的关键问题是高压，系统低压侧的工作压力为3.5MPa左右，高压侧的工作压力在32MPa 左右，是传统制冷系统的工作压力的 6-8 倍，因此设计二氧化碳汽车空调制冷循环系统，尤其是各零部件的设计，关键是进行耐压设计。

系统爆破后其破坏力的重要评判标准是系统的爆破能量。系统能够爆破，是因为系统部件的工质耐压值达到了环境的压力，但是工质在短时间内迅速加压膨胀，周围环境与制冷系统制冷剂间的能量传递可以忽略，因此爆破就是一个绝热加压膨胀的过程，计算公式如下：

E=（Ub-Up）*M

其中E为爆破能量，Ub-T0状态下单位质量内能

Up-T0状态从等熵过程变化到大气压下工质单位质量内能

M为参与爆破的工质质量

二氧化碳制冷装置的爆破能量非常高，是传统制冷装置的 3-4倍，因此二氧化碳制冷装置必须采用耐高压结构。其中容积较大的零件，它的爆破能量也较大，二氧化碳汽车空调系统蒸发器，可以采用微通道式平行流的结构形式，减少蒸发器的内容积和爆破能量。

二氧化碳汽车空调系统的开发主要是基于我国传统制造业现有的制造工艺、材料及加工水平，方便今后的普及化。而在制冷行业，传统的材料一般有铝合金、铜和钢材三种材料，随着各大整车厂对汽车轻量化及环保的要求，铝合金受到广泛的使用，其中3003 系铝合金应用最广泛，具有锰金属的含量较多，耐腐蚀性高，抗氧化性、加工性好，表面方便涂层的优点，因此本研究中蒸发器芯体的材料选用3003 系铝合金。

二氧化碳汽车空调系统中，蒸发器的扁管和集流管采用微通道式平行换热管，设计时主要考虑圆管及其接头处的耐压能力。在工程应用上，常用参考强度和管内压力来计算最小管壁厚度，见公式2，

本课题扁管须设计成微通道圆孔扁管，是一种具有多圆柱面组合的多通道扁管，这种扁管形成了较小的水利直径，能有效增大传热面积，又可以维持一定的管壁厚度，有效减少芯体重量以及制造成本。由于是圆孔管道，可以使二氧化碳制冷剂的工作压力所产生的应力不会集中在冷媒介流路的一部分上，使其形成应力均匀分布，充分确保了耐压强度，还提高了传热性能。图2为传统扁管设计和针对二氧化碳蒸发器的扁管设计方案对比图

本课题二氧化碳蒸发器的集流管与传统的集流管的最大的差别在于，本课题二氧化碳蒸发器采用多圆筒平面相接式集流管，可以提供足够大的宽度和散热扁管焊接，多圆筒相接集流管的每个通道直径相应减少，相对与传统的单通道大直径的集流管，可以承受更大的压力。而采用平面相接，使得该集流管的平面侧得到有效加强，抵消了开出的隔片槽带来的强度削弱的影响，而且该结构能使焊料更容易贴附在待焊表面，使受热均匀，焊接质量更加好，也为接下来的爆破试验做进一步保障。图3为多圆筒平面相接式集流管的截面图。

在二氧化碳跨临界循环制冷中，二氧化碳蒸发器是该系统中重要的一个部件，其本身性能及设计直接影响到整个系统的性能好坏，蒸发器主要功能是让来自节流装置中的低温低压的液态二氧化碳吸热蒸发，从而达到降温的效果，工作压力在4MPa-9.3MPa之间，导致二氧化碳工作压力很高，如果按照常规的结构和尺寸来设计蒸发器，会导致蒸发器的换热扁管和集流管的厚度大大增加，会使整个的重量和体积增加。所以本课题二氧化碳蒸发器的结构采用微通道平行流的形式，微通道平行流的结构的优点就是其换热表面积和很高的面积/体积比，使蒸发器具备很好的传热特性和耐高压特性。但是其缺点是压降大，制造难度较大，成本较高。同时，二氧化碳有着低液相/气相密度比、高气相密度及低液相粘度等优越的物理特性，同样的热交换量只需较小的换热面积，微通道平行流和二氧化碳的结合，刚好可以抵消各自的缺点，是蒸发器的尺寸减小，满足汽车空调系统的紧凑性和地重量的要求。图4为二氧化碳蒸发器的三维模型，主要包括接头、集流管、散热翅片、隔片和散热扁管。上下集流管中间焊接着散热扁管，散热扁管中间焊接有散热翅片，集流管上的隔片用于设计成多种流程的蒸发器，控制其散热性能和表面温度分布，上集流管一端接有进出接头。二氧化碳工质先从接头的进水孔流入上集流管，然后按流程流入散热扁管与散热扁管外部的空气进行换热，然后从接头的出气孔放出，达到制冷的效果。

综上所述，对于扁管，对比传统的两种结构设计和二氧化蒸发器微通道圆管设计，通过有限元分析的方式，了解了各种结构的最大应力集中值，最终选了微通道圆管锥形扁管，管材从现有的管材系。针对集流管，由于结构相对复杂，所受应力分布也比较复杂，采用有限元分析，并做了集流管的三种失效模式，进行详尽的分析，最终认为方案可行，满足耐压要求。因此，对扁管和集流管强度设计进行结构优化，采用合理的结构设计以及在制造工艺上的进一步完善，在现有机械加工和制作工艺手段上对二氧化碳汽车空调系统的蒸发器进行设计制造是可行的。

二氧化碳被认为是最适合替代R134a制冷剂的未来天然工质，通过理论知识学习探究，并结合实际应用，最后若能应用到工业生产中的话，将对社会的经济发展及环境改善做出较大贡献，甚至改变制冷行业的一个未来走向。

参考文献

[1]付萌.超临界二氧化碳在套管内流动换热的实验研究和数值模拟[D].天津：天津商业大学，2007.

[2]Fischer， S.K， P.J. Huges， P.D. Fairchild， 1991. Total Environmental Impact （TEWI） Calculations for alternative Automotive air-conditioning systems， SAE paper 970526.