冷凝器的性能优化设计研究

徐智雄 张丽英

法雷奥发动机冷却（佛山）有限公司研发部 广东省佛山市 528137

1 引言

在目前市场上大部分乘用车空调系统中，对制冷系统起着关键决定作用的热交换器就是风冷式冷凝器。风冷式冷凝器一般放置在汽车前端模块的最前端，发动机散热器的前面。其热交换的性能直接影响到制冷系统的制冷能力，压缩机的能耗以及整个空调的能效。冷凝器的作用就是对从汽车压缩机排出的高温高压的气态制冷剂进行散热降温，使之凝结成液态的高压制冷剂排出。其中储液干燥瓶使得进入干燥瓶的汽液两相的制冷剂进行汽液分离和干燥过滤，再通过冷凝器的过冷区的散热降温进一步过冷，使制冷剂变成100%液体离开冷凝器。本研究主要是基于热行为理论和流体力学的实验数据为基础，对冷凝器在不同流程设计（2流程和4流程）的对比，用Dymola仿真软件模拟分析对散热性能的影响，进行评估和分析各自的优缺点。还通过两种流程设计的逆流式冷凝器样品的实际实验对比，得出在不同流程下对回油率和充注平台的长度的最佳设计方案（所有实验和模拟都是使用R-134a制冷剂进行）。

2 冷凝器的设计现状

冷凝器主要分为三个区域，如下图1所示，过热区，冷凝区和过冷区。在目前的汽车行业，接头在同侧的情况中，流程设计主要分为2流程和4流程两种。对于2流程的冷凝器，第一流程为过热区和冷凝区，第二流程为过冷区。对于4流程的冷凝器，第一流程为过热区，第二和第三流程为冷凝区，第四流程为过冷区。2流程和4流程的设计目的都是为了将进入前的冷媒进行充分换热，从气态变成汽液态，再经过干燥和汽液分离，最后在过冷区进一步散热，从出口排出。

如下图1的焓图和冷凝器所示。

3 两种流程设计的模拟对比实验

针对冷凝器的2流程和4流程的设计，我们运用Dymola性能模拟软件，对同样的散热面积 OA X LF的42排管，以定冷媒入口压力温度和定过冷度情况下，用最优的管子数量进行性能对比，如图2。

（2流程：17/11/7/7 VS 4流程35/7）

从模拟结果得出结论是：

功率：中高风速下，两种流程都很接近。

风阻：在换热的情况下不同风速下，两种流程风阻几乎一样。

图1

出口温度：4流程的在不同风速下，优于2流程。

冷媒流阻：2流程的在不同风速下，优于4流程

从以上结果来看，4流程的优势是冷媒的出口温度低。2流程的优势是内阻压降较小的。但是从系统上应该如何选择呢？我们一起从空调系统的COP系数来对比一下。

4 流程设计对空调系统性能系数的影响

我们用上述的两款冷凝器，用同样的测试工况进行性能测试，并计算 2流程和4流程的COP性能系数。

（注：COP： 性能系数，用于评价系统的能效。Coefficient of performance，allows evaluating the system energy efficiency.）

2流程(2P)VS 4流程(4P)的COP测试结果如下图3所示。

对于2流程和4流程冷凝器来说，两者在同样的工况下，功率都是相差无几，而4流程的内部压降明显要大于2流程的1倍左右，但是对于整个冷却系统来说，4流程的冷凝器有较低的出口温度，换热更加充分。所以4流程的COP性能系数明显要比2流程的冷凝器要稍高。综合来说4流程的冷凝器在空调系统性能表现方面更加出色。

图2

图3

5 流程和结构设计对充注平台长度的影响

我们拿上述同样的42排管的逆流式冷凝器作为研究对象，通过做实物样品进行实际实验对比。

要求是在过冷度区间8～12K下，达到135g的充注平台长度（测试冷媒为R134a）测试工况如下：

冷凝器工况：TAKI =40℃；HAKI=0% r.H；MAKI ＞=2000kg/h

蒸发器工况TAEI =40℃；HAEI =40%r.H；MAEI ＞=540 kg/h

压缩机工况：在充注平台下，压缩机最少流量达到170kg/h

初始设计方案是2流程：36排+6排过冷区

根据图4的测试结果可知：

充注平台长度：112，5[g]，过冷区间：9，5-10，5K对比要求结果135g，还需要增加22.5g。

由于有固定边界的位置的限制，不能改变冷凝器的外形尺寸和干燥瓶的直径。只能进行内部结构和流程的优化。

通过对比分析结果和设计经验，增加过冷区的流程的数量更有利于提高过冷度和降低内阻。所以我们增加1排管作为过冷区，流程分布从36排管+6排管过冷区变为35排管+7排管过冷区。同时，为了进一步降低内阻，提高了冷凝器的冷媒的流量，我们在干燥瓶进口的设计上进行优化，把干燥瓶进口的孔的面积增加1倍，把圆孔的设计变成长椭圆孔。

而且我们知道干燥瓶的有效容积对于充注平台的长度是一个重要的关键因数。影响干燥瓶容积的内部零部件有：干燥包，过滤网，密封堵头和内跳管。我们可以在满足吸湿性能的前提下适当减少干燥剂的总量，减少堵头的体积可以增大干燥瓶有效容积。

最后优化完成后，我们再进行一次实际样件测试。

测试结果如上图5：

充注平台长度：135[g]，过冷区间：11，5-12K

满足要求的135g充注平台长度，优化设计成功！

6 流程和结构设计对油残留量的影响

我们上述同款的42排管的逆流式冷凝器作为研究对象，对比2流程冷凝器和4流程冷凝器对油残留量的影响，我们通过做实物样品进行实际实验对比。如下图6：

要求是在规定的工况下，冷凝器在最低的载荷点时，对比2流程和4流程的油残留量。

在同样的工况如下，固定测试样品在空调回路中，-在下述工况下运行回路3小时，-关闭压缩机同时关闭进出口接头的阀体开关， 打开冷凝器的出口以每5秒1bar最大的速度缓慢释放冷媒，至完全释放。 从回路中拆下冷凝器，测量其最后的重量。

1＞测量工况先测试2流程冷凝器的油残留量。

实验结果显示，2流道的油残留量为94.5g。（残留量比较大）

2＞我们再以同样的工况测试4流程冷凝器的油残留量。

实验结果显示，4流程的油残留量为53.8g。对比2流程的94.5g，4流程明显减少了40.7g（有43%的减少）。从实验结果可见，4流程的逆流式冷凝器在回油率方面明显优于2流程的逆流式冷凝器。原因为何？

如图7热成像图可见在2流程的热成像图中，可见冷媒从进口进入冷凝器后，直接通过最上面的几排管到达干燥瓶端的集液管后，再向下流。压缩机油会在冷凝器最底部集聚最后形成堆积区，难以通过干燥瓶回到回路中。这就是2流程逆流式冷凝器回油率低的原因。

图4

图5

图6

图7

7 结语

对于2流程和4流程的冷凝器在同样的工况下，功率都是不相伯仲，但是4流程的冷凝器冷媒的出口温度更低，2流程的冷凝器部压降更小。但是对于整个空调系统来说，4流程的冷凝器COP性能系数要比2流程的冷凝器要稍高。综合来说4流程的冷凝器在空调系统中表现方面更加出色。

对于冷凝器的充注平台长度来说，我们可以优化过冷区的管子数量和内部孔的设计来实现增加充注平台长度。还可以在干燥瓶的内部结构设计上提高干燥瓶有效容积来实现。

对于增大冷凝器的回油率和减少内部油残留，我们可以通过流程优化设计让集聚在底部的压缩机油和冷媒一起通过干燥瓶进去过冷区进行优化，实验证明在逆流的冷凝器中，4流程的冷凝器回油率明显由于2流程的冷凝器。