不同翅片角度下的多元平行流式冷凝器温度场分析

冯攀，张洪申，许胜麒

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院 机电工程学院先进制造技术研究所）

0 引言

随着近年来我国经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高，汽车成为了生活中必不可少的交通工具。汽车的需求量在急速增加，同时，人们对于汽车的要求也不再是简简单单的能乘坐即可。汽车的舒适度成为了衡量汽车好坏的另一个重要标准。汽车空调系统已成为衡量汽车功能是否齐全的标志之一，日益受到汽车生产商和广大用户的重视。而冷凝器是汽车空调系统的核心组成部件，其生产质量直接影响到汽车空调系统的运行情况。因此，需要对汽车中多元平行流式冷凝器结构及其散热特性等开展研究，以提升车载空调的运行质量。

郭艳[1]采用 ANSYS 软件模拟确定了冷凝器炉中钎焊的较佳工艺参数，依托重庆某知名换热器生产基地进行了炉中钎焊实验，通过对模拟的集流管和扁管、扁管与翅片的炉中钎焊表面温度场云图分析发现，整个炉中钎焊过程中，温度变化较为剧烈，但在钎焊接头周围温度分布较为均匀，表面温差最大不超过 2 ℃。侯昆[2]通过理论分析，阐述了两相流流动的基本方程和方法，通过流型图和高速摄像机等可以对流动状态进行观察和分析。Odagir[3]等在高热通量回路的毛细管蒸发器液汽界面行为研究中讨论了 HP 操作过程中蒸发器中的液-气界面行为。以上三位的研究为冷凝器的仿真过程提供了参考。

房颖[4]通过数值分析对3 种不同形状的翅片换热性能进行计算，得出 Z 字型百叶窗翅片的传热性能优于平板翅片及平板百叶窗翅片，其换热提高和压降减少量都在10%以上。俞登佳[5]等提出了阀前分液并且通过 4 个热力膨胀阀单独控制各蒸发器过热度的改进分液方式，各蒸发器出口温度的均匀性有较大提高，从而有效改善了多流路蒸发器的分配不均现象。赵兰萍[6]等在平行流蒸发器制冷剂流量分配特性中对比不同开孔率时的流量分配情况，发现随着开孔率的增大流量分配均匀性先变差后变好，之后随着开孔率进一步增大，流量分配均匀性又变差。Xiang[7]等在汽车空调平行流式冷凝器空气侧性能研究中，对汽车空调平行流式冷凝器进行了实验研究和仿真，重点研究了百叶翅片在空气侧的传热和流动特性。几位的研究为本文翅片角度的选择提供了参考。

Alkan[8]等对 R134a 制冷剂进行了 50～ 300 W 的加热试验，发现在试验段入口蒸汽质量为0.41 kg/h 时，最大加热负荷为 300 W 时联箱内的相分离较大。Odagir[9]等在高热通量回路的毛细管蒸发器液汽界面行为研究中讨论了LHP 操作过程中蒸发器中的液气界面行为。Yoo[10]在实验中采用制冷剂R134a 和制冷剂 R152a，对这两种制冷剂下汽车空调系统的性能进行了比较。几位的研究为本文制冷剂的选择提供了参考。

华楠[11]等探索了分液芯结构对分液冷凝器热力性能影响的规律，发现漏液率和分液小孔的孔径与数量对分液冷凝器热力性能影响较大。安琪[12]等基于 CRFM 激振力的识别方法,提出了改进后悬置的隔振率的计算方法。徐凯[13]等研究了蒸发器出风温度的均匀性，以提高温度分布均匀性以及整体换热能力。鞠升宇[14]基于 CATIA三维乘客舱数模建立了描述气流物理场的控制方程。张楠[15]基于 KULI 软件搭建了空调系统一维仿真模型，基于相变原理编写 UDF，计算分析膨胀阀和蒸发器的工质流速、温度等结果。几位的研究对本文制冷剂流动过程的研究提供了参考。

国内外的研究表明，在不同的翅片角度下，制冷剂的工况会有所差异。本文基于相关的研究，探索了在不同翅片角度下的多元平行流式冷凝器的温度场变化情况。找到了制冷剂流过扁管过程中的最佳翅片角度范围，为多元平行流式冷凝器翅片角度的选择提供了参考。

1 冷凝器有限元模型建立及对流换热方程

1.1 冷凝器的组成及材料

图1 为一种多元平行流式冷凝器，尺寸为590 mm×370 mm×16 mm。冷凝器由集流管、扁管、翅片等组成。平行流式冷凝器的扁管通常均是薄壁的型材，仅有 2～3 mm 的厚度，宽度一般为 16～25 mm，壁厚仅有 0.5 mm 左右，与普通管带式的扁管一样，为带内齿（翅）的多孔断面，扁管间的距离大约有 8 mm 左右，扁管间所夹的翅片只有 0.145 mm 厚，同样也开有百叶窗，这些特征都极大程度地提高了空气侧和制冷剂侧的换热总面积。平行流式冷凝器通常是利用两侧的圆筒集流管进行制冷剂进与出的汇集，并用隔板将多条扁管隔为一组，形成多条回路，以便制冷剂在几条扁管组成的回路中流入集流管时，能够在直径为 20 mm 左右的管内再次混合，使高温与低温的工质、密度低与密度高的工质多次混合，进而形成温度和密度较均匀的工质，并使其在流向下一回路时能均匀地分流，以便保持匀速地通过有内齿的扁管和有百叶窗的翅片进行导热，并可以更好地与空气进行换热。

图1 多元平行流式冷凝器Fig.1 Multi-element parallel flow condenser

由于冷凝器的尺寸较大，对整个冷凝器产品进行温度场模拟计算量较大，因此本文主要针对制冷剂R134a 流过扁管时扁管和不同角度翅片部分进行温度场模拟。

1.2 对流换热方程

制冷剂流过扁管的过程中，主要存在的是制冷剂与金属扁管壁的换热，以及空气与冷凝器外表面的对流换热。对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式[1]

物体被加热时

物体被冷却时

式中：tf，tw——壁面温度和流体温度；h——对流换热系数。

结合本文的实际研究对象，修正的对流换热方程为

制冷剂与管壁的对流传热方程

管壁与空气的对流传热方程

1.3 初始条件

初始条件指的是初始温度，在本文中指的是和冷凝器外表面换热的外界环境温度以及制冷剂刚流入扁管时的温度。研究中认为环境温度是不变的，制冷剂的温度变化是均匀的：

式中：T0——已知温度，是常量。考虑到是夏季，取T0=37 ℃。

1.4 有限元模型

构成多元平行流式冷凝器的材料大部分是3003铝合金，其热物理性能参数主要有：导热系数、比热容 C、密度。随温度变化关系如表1 所示[1]。

表1 铝合金 3003 热物性参数随温度的变化关系Tab.1 Temperature dependence of thermophysical parameters of aluminum alloy 3003

本文研究中的冷凝器翅片角度分别为0°，30°，45°，60°，其原理图如图2 所示。

图2 冷凝器翅片角度原理图Fig.2 Schematic diagram of condenser fin angle

冷凝器结构对称，在仿真过程中采用局部模型可以大大减少计算所花的时间。翅片角度分别为0°，30°，45°，60°的翅片与集流管局部模型及网格划分，如图3 所示。网格划分采用的是四面体的划分方式。角度为0°下的网格数为74 629；30°下的网格数是27 114；45°下的网格数是20 391；60°下的网格数是88 065。

图3 网格模型Fig.3 Grid model

2 温度场模拟

2.1 模拟过程

冷凝器工作过程中，制冷剂从一端的集流管流向另一端的集流管。制冷剂流过冷凝器的温度从71 ℃到57 ℃[16]均匀变化。整个流动的过程中，最主要的换热部分是制冷剂与金属扁管壁的换热，以及空气与冷凝器外表面的对流换热。冷凝器两端集流管是封闭的，扁管两端与集流管相连，因此仿真过程中扁管两端截面可视为绝缘边界。其余外表面与外界环境换热，外界环境温度设定为37 ℃。

2.2 模拟结果与分析

（1）不同翅片角度下的热循环曲线

不同翅片角度下的热循环特性如图4所示。从图4 可以看出，4 个角度下的热循环曲线趋势大致相同。每张图中上方的曲线和下方的曲线分别代表相同时刻下的最高温度和最低温度。0°下随时间变化的最小值范围是22.6～68.2℃，最大值范围是57～71.3 ℃；30°下随时间变化的最小值范围是21.6～62.3 ℃，最大值范围是57～71.1 ℃；45°下随时间变化的最小值范围是22.4～60.2 ℃，最大值范围是57～71 ℃；60°下随时间变化的最小值范围是24.9～65.5 ℃，最大值范围是57～71 ℃。

图4 不同翅片角度下的热循环曲线Fig.4 Thermal cycle curves of different fin angles

0°下温差最大的时间出现在0～3.82 s，温差范围为61.4～21.7 ℃，温差最小的时间出现在295～300 s，温差范围为4～2.9 ℃；30°下温差最大时间出现在0～3.9 s，温差范围为51.4～10.7 ℃，温差最小的时间出现在297～300 s，温差范围为4～3 ℃；45°下温差最大时间出现在0～3.78 s，温差范围为51～13 ℃。温差最小的时间出现在290～300 s，温差范围为7～6.9 ℃；60°下温差最大的时间出现在0～1.4 s，温差范围为48.1～7.5 ℃。温差最小的时间出现在288～300 s，温差范围为3～2.9 ℃。结果显示，随着角度的增大，最大温差范围会越来越大，结合实际空调运行情况可知，温差范围越小，越有利于冷凝器工作，所以翅片角度越小冷凝器的工作状态越好，寿命越长。

（2）不同翅片角度下的温度场分布

从图5 中可以看出，4 种角度下，温度最高的部分都是出现在制冷剂流过的扁管，而扁管之间的翅片最低温度出现在翅片的中间部分，并且往两边的扁管处温度逐渐升高大致呈线性分布。0°下的温差为3.9 ℃，30°下的温差为4.1 ℃，45°下的温差为6.3 ℃，60°下的温差为2.6 ℃。可以看出，当角度从0～30°时，温差范围逐渐缩小，但0°的扁管和翅片整体温度偏高；30～45°时，温差范围逐渐增大；45～60°时，温差范围又逐渐缩小。结合多元平行流式冷凝器的结构可知，当冷凝器的长度相同的条件下，扁管的长度也就确定。那么翅片的整体长度也就确定，在翅片长度一样的情况下，翅片夹角越小，单位的翅片数目也就越多，散热效果也就越好。并且0°情况下翅片与扁管整体的温度偏高。综合考虑下，较佳的翅片角度应该在0～30°以内。

图5 不同翅片角度下的温度场分布Fig.5 Temperature field distribution under different fin angles

3 结论

多元平行冷凝器的工艺参数及散热质量是影响汽车空调工作效率的关键因素之一。本文对4种不同翅片角度下的多元平行冷凝器扁管和翅片部分进行了温度场模拟。探究了在4 种翅片角度下制冷剂流过扁管时的温度场情况，得到的主要结论如下：

（1）建立了多元平行流式冷凝器传热数学模型和有限元模型，通过模拟分析得出了4 种翅片角度下的热循环曲线，由结果可以看出4 条曲线趋势大致相同。并且得到了4 种角度下的温差范围。

（2）通过模拟分析得出了4 种翅片角度下的温度场分布。4 种不同角度下，温度最高的部分都是出现在制冷剂流过的扁管，翅片上的最低温度出现在翅片的中间部分，往两边的扁管处温度逐渐升高且大致呈线性分布。0°下的温差为3.9 ℃，30°下的温差为4.1 ℃，45°下的温差为6.3 ℃，60°下的温差为2.6 ℃。可以看出当角度从0～30°时，温差范围逐渐增大，但0°的扁管和翅片整体温度偏高；30～45°时，温差范围逐渐增大；而从45～60°时，温差范围又逐渐缩小。

（3）综合模拟分析结果和实际情况，结合多元平行流式冷凝器的结构可知，当冷凝器的长度相同的条件下，扁管的长度随之确定，则翅片的整体长度也就确定。在翅片长度一样的情况下，翅片夹角越小，单位的翅片数目也就越多，散热效果也就越好。又由于当翅片角度为0°时，翅片和扁管的整体温度偏高。综合考虑下，翅片角度的较佳范围为0～30°。