平行流蒸发器分流板分流特性对蒸发器性能和出风温度的影响分析

郭盼盼，潘云仙，吉红云，文校方，苏明旭，



平行流蒸发器分流板分流特性对蒸发器性能和出风温度的影响分析

郭盼盼*1，潘云仙1，吉红云1，文校方1，苏明旭2，

（1-上海马勒热系统有限公司，上海 201206；2-上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

平行流蒸发器内气液两相在扁管中的流量特性对换热性能有较大影响，实验研究了汽车空调平行流蒸发器改变气液两相流量特性对性能和出风温度的影响规律。结果表明：通过在蒸发器集液管中设置分流板，可以有效地改善制冷剂在内部流量分配特性，提高制冷性能和出风温度场的均匀性；在一定范围内通过增加分流板开孔数量和开孔面积优化流量特性，可以进一步提高制冷性能并降低制冷剂压降，改善出风温度的均匀性。在高风量工况下，制冷量最大可提高10%，表面温差在2.6 ℃~4.6 ℃之间，实现汽车空调的高效、舒适运行。

平行流蒸发器；两相流；散热性能；温度场

0 引言

随着人们对乘车环境要求的提高，越来越多的汽车装配有空调系统，同时也对汽车空调部件和系统提出了环保、节能、温度舒适等更高的要求。蒸发器作为空调系统中关键而复杂的部件[1]，其结构紧凑，性能高效并影响系统出风口温度变化。制冷剂以气液两相状态在内部空间平行流动并完成蒸发制冷效果[2]，外部伴有凝结水生产和排出，蒸发器的换热性能对空调系统的稳定运行[3]以及人体舒适度有决定性的作用。学者对蒸发器的理论研究主要集中在空气冷却过程冷凝水以及强化传热问题上[4-8]。制冷剂在微通道蒸发器内的流量分配均匀性直接影响着蒸发器的换热性能，流量分配不均会导致某些扁管内的制冷剂提前全部转变为气态，出现“干蒸”现象，而另一些扁管内的制冷剂过量，来不及全部转变为蒸汽，出现“供液过多”的现象，使得蒸发器的换热面积不能有效利用，引起出风温度场分布不均，从而换热性能降低。李夔宁等[9]以空气-水实验研究了支管尺寸和流体的入口位置对流量分配的影响，认为增加管径不能改善流量分配的均匀性，而流体的入口位置布置在集液管中间有利于液体流量在各支管内分配均匀；KIM等[10]研究了集液管几何形状和Reynolds数对流量分配的影响，发现矩形集液管的流量分配最均匀，且不受Reynolds数变化的影响；考虑到汽车空调系统对空间尺寸、风机压降以及系统出风口温度均匀性等要求，通过研究平行流蒸发器内部气液两相流量分配特性[11-12]对提高换热性能以及空调系统出风口温度分布均匀性有重要的应用意义，但目前关于此方面的实验研究报道较少。因此本文通过改变蒸发器结构设计，实验研究了汽车空调平行流蒸发器气液两相流量特性对换热性能和出风口温度场的影响,对提高空调制冷性能和人体舒适度提供了新的优化途径。

1 实验原理和装置

1.1 平行流蒸发器结构和工作原理

汽车空调平行流蒸发器的结构原理如图1所示，有集液管、扁管、百叶窗翅片、分流板、堵帽组成，其中扁管和百叶窗翅片组成了换热基本单元。集液管和分流板的作用是对制冷剂进行汇集和分流，使各扁管内冷媒流量趋于均匀，实现换热效率的提高和出风温度的均匀。

平行流蒸发器由双排扁管构成，根据制冷剂流程分为两流程、四流程、六流程结构设计，本文选取四流程平行流蒸发器为研究对象，制冷剂在蒸发器内的流动如图2所示。为了保护压缩机不发生液击，使系统稳定可靠持久运行，蒸发器出口一般具有3 ℃~5 ℃的过热度，使出口为单向气态。制冷剂在平行流蒸发器内蒸发制冷时表面温度低于空气露点温度使空气中的水冷凝，为使冷凝水及时排出以提高换热性能，故平行流蒸发器均采用集液管上下水平放置，气液两相状态的制冷剂在竖直扁管内上下流动。本文研究对象蒸发器的几何结构参数如表1所示。

图1 平行流蒸发器结构原理

图2 平行流蒸发器制冷剂流向示意图

表1 蒸发器几何参数

蒸发器内制冷剂流量分配特性受制于分流板的结构特征，平行流蒸发器下集液管的第二和第四流程上升流进口设置了分流板，以实现对气液两相制冷剂流量的更均匀分配，达到换热性能的提高和出风口温度场分布更均匀，提高汽车空调系统的舒适度。

本文设置了3组实验数据，通过调整分流板的参数验证流量特性对蒸发器制冷性能和出风温度场的影响。其中：第1组1#蒸发器2、4流程不设置分流板；第2组2#蒸发器在2、4流程各设置一块9孔分流板；第3组3#蒸发器在2、4流程各设置一块10孔分流板；为避免制冷剂通过分流板后直接对流进入扁管引起更大的流量不均匀，分流板上的孔均开设在相邻扁管之间，相邻两孔间距为扁管间距的2倍，即=13.4 mm，其结构参数如表2所示。

表2 分流板结构

1.2 实验装置

平行流蒸发器性能实验采用空气焓差法在汽车空调系统性能实验台架上进行测试[13-14]，测试系统由蒸发器、冷凝器、压缩机、电子膨胀阀以及辅助设备组成，制冷剂为R134a。实验原理如图3所示，其中蒸发器布置在蒸发器风洞中，达到设定工况要求的空气经过蒸发器进行热交换之后进入风道，然后通过整流板进入混合室充分混合，测量蒸发器出口温度和湿度，然后进入喷嘴测量蒸发器前后空气压差，最后通过风机流出风洞，风洞示意图如图4所示。本文研究中的测试工况如表3所示。

图3 汽车空调焓差性能实验原理图

图4 蒸发器风洞示意图

表3 性能实验工况

2 实验结果与分析

在汽车空调焓差性能实验台上对平行流蒸发器制冷量、制冷剂的流动压降和表面温度分布进行了测试。在蒸发器表面布置有16个温度测点，表面温差为16组温度的最大与最小值的差值。实验参数和精度见表4，蒸发器制冷量的相对误差≤2.5%，具体计算方法见参考文献[15]。

蒸发器制冷量的大小直接决定空调系统的性能，温度分布的均匀性是驾驶室内人体舒适度的反应，因此本文主要从这两方面进行衡量蒸发器的综合性能。3种设计方案的性能测试结果如表5所示。

表4 实验测量参数和精度

表5 实验结果

从图5可知，随着风量的提高，制冷量提高；对比1#和2#、3#数据，在集液管的上升入口处设置分流板，通过对制冷剂的均流分配可有效地提高制冷量，在高风量时制冷量最大可提高10%；对比2#和3#数据，在一定条件下改变分流板的开孔数量和面积可以进一步提高蒸发器的制冷量；

图6是蒸发器表面最大温差随风量的变化关系，从图中可以看出1#方案没有分流板时，表面温差最大为12.9 ℃，是由于制冷剂在扁管内部分布极不均匀造成的，同时也使蒸发器的制冷量较低；蒸发器表面温差大，一方面会使蒸发器出风温度不均匀，降低驾驶室人体舒适度；另一方面蒸发器表面温差较大，导致在系统运行过程中蒸发器结冰结霜的风险增加，使系统中压缩机频繁进行启停，驾驶室温度波动大，无法保持恒温；再一方面，蒸发器表面温差大易导致低温积水表面产生冰球，严重时冰球将不断膨胀并挤压扁管，使蒸发器发生泄露，系统无法正常工作；2#和3#设置分流板后，表面最大温度差值显著降低，温度分布更为均匀，说明制冷剂在蒸发器内部分流特性较为均匀；3#表面温度分布相比2#更为均匀，表面温差在1.6 ℃~2.8 ℃，说明通过改变分流板的开孔面积和孔数，进一步改善了分配特性并提高了系统的制冷性能和舒适性能。

图7是蒸发器制冷剂压降随制冷剂流量的变化，相比1#方案，2#和3#方案设置分流板改变了制冷剂的流动，均使压降增加；对比2#和3#可知，改变分流板的孔数和开孔面积，在一定范围内降低压降8.1%~18.4%，可作为以后优化压降的一个方向。

图5 蒸发器制冷量随风量的变化

图6 蒸发器表面最大温差随风量的变化

为了进一步分析分流板对汽车空调制冷性能的影响，对蒸发器出口表面温度分布进行了实验研究，图8、图9和图10分别是不同样件在400 kg/h风量下的表面温度分布，从图中可以看出，1#件的出风表面温差较大，局部温度呈现较高趋势，反映了制冷剂在蒸发器内部分配非常不均匀，严重影响制冷性能；图9和图10表面温度分布较为均匀，同时温度相对图8显著降低；图10的出风表面温度更低，同时也更均匀；出风温度分布均匀可以提高人体舒适度，是衡量汽车空调的一个重要指标；出风温度场的分布也直接反映蒸发器内制冷剂的分配情况；通过改善和优化分流板的结构特征，可以有效改善蒸发器出风温度场的均匀性，极大提高空调的舒适度，避免蒸发器表面结冰结霜以及压缩机频繁启停等问题。

图8 1#蒸发器表面温度分布图

图9 2#蒸发器表面温度分布图

图10 3#蒸发器表面温度分布图

3 结论

1）平行流蒸发器增加分流板，改善了内部制冷剂的分配均匀性，可以有效提高制冷性能，通过优化分流板开孔数和面积在一定范围内可以改善制冷剂气液两相流量分配特性，高风量工况下制冷量最大可提高10%，实现制冷性能的优化。

2）分流板的设置通过内部分流的均匀性，有效改善了蒸发器表面温度分布，使表面温差在1.8 ℃~4.6 ℃之间，使系统运行更加平稳，不仅提高了系统的制冷性能，同时可以有效改善汽车空调系统的出风温度舒适度，降低了系统运行过程中蒸发器结冰结霜的几率，从而避免压缩机频繁启停，降低汽车油耗和排放。

3）平行流蒸发器在下集液管设置分流板后增加了系统的压降，使制冷性能和温度分布均匀性提高；在满足系统制冷性能的前提下，可以通过进一步优化分流板孔数和面积以降低压降。

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Effects of Deflector Flow Distribution Characteristic on Performance and Air Temperature Field of Parallel Flow Evaporator

GUO Panpan*1, PAN Yunxian1, JI Hongyun1, WEN Xiaofang1, SU Mingxu2

(1-Shanghai MAHLE Thermal Systems Co., Ltd, Shanghai 201206, China; 2-School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The distribution of the vapor-liquid two-phase flow in flat tubes of parallel flow evaporator has an important influence on heat transfer performance. Effects of vapor-liquid two phase flow on performance and air temperature field of evaporator were experimental investigated. The research results show that the deflector affects heat transfer performance and flow distribution characteristic of refrigerant in evaporator. An appropriate structure of deflector can improve the uniformity of flow distribution. The cooling performance, pressure drop and air temperature field can be improved by optimizing the open area and hole number of deflector. The cooling performance can be improved by 10% and the surface temperature deviation ranges from 2.6 ℃ to 4.6 ℃ at high air volume condition with deflector. The automobile air conditioning can realize effective and comfortable operation with appropriate deflect structure.

Parallel flow evaporator; Two phase flow; Heat transfer performance; Temperature field

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.204

*郭盼盼（1989-），男，汽车热系统工程师，硕士研究生。研究方向：汽车热管理系统。联系地址：上海市浦东新区陇桥路355号，邮编：201206。联系电话：021-38522450。E-mail：guopan1013@163.com。