劉曉初,馮明松,陳凡,代東波,何銓鵬,周俊輝

(廣州大學(xué)，廣東廣州 510000)

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余熱吸收式汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉曉初,馮明松,陳凡,代東波,何銓鵬,周俊輝

(廣州大學(xué)，廣東廣州 510000)

摘要：為了減少汽車(chē)油耗和提高汽車(chē)的動(dòng)力性，根據(jù)現(xiàn)有汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合單效溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組的性能，提出一種新的溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，主要包括發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、水箱、吸收器等部件。與一般的制冷系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)采用雙層平行流換熱器，并利用汽車(chē)余熱進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，既符合環(huán)保這一主題，又提高了汽車(chē)的性能。對(duì)換熱器空氣側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出較優(yōu)換熱器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，論證了此方案的可行性。

關(guān)鍵詞：余熱吸收；汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)；溴化鋰

0引言

目前，在汽車(chē)空調(diào)裝置中，大多數(shù)采用的是壓縮式制冷機(jī)制冷。一般要消耗8%～12%的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，這樣大的功耗不僅增加了油耗，而且可能引起水箱過(guò)熱，影響汽車(chē)動(dòng)力性[1]。且壓縮式制冷機(jī)大部分是以氟利昂作為制冷劑。眾所周知，氟利昂不僅會(huì)污染空氣，而且對(duì)臭氧層有很大的破壞作用。因此，解決舒適性與制冷功耗以及環(huán)保之間的矛盾已成為現(xiàn)代汽車(chē)空調(diào)研制中的突出問(wèn)題[2]。

據(jù)報(bào)道，目前汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最高可以達(dá)到49%，即燃油燃燒產(chǎn)生的能量只有49%用于做功，而51%的能量以余熱散發(fā)于環(huán)境而浪費(fèi)[3]。因此，通過(guò)回收汽車(chē)余熱用于汽車(chē)空調(diào)制冷這一技術(shù)的面世，不僅能有效解決上述矛盾，且具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

歐志剛等[4-5]對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷系統(tǒng)做了理論研究，并認(rèn)為此方案是可行的。Munther SALIM對(duì)吸收式制冷系統(tǒng)代替壓縮式制冷系統(tǒng)做了研究，并認(rèn)為采用發(fā)動(dòng)機(jī)缸套余熱比采用尾氣余熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化未見(jiàn)報(bào)道[6]。R ATAN等對(duì)溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)回收和利用這部分余熱做了研究，然而沒(méi)對(duì)系統(tǒng)做進(jìn)一步簡(jiǎn)化[7-8]。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種余熱吸收式汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)。其原理是以發(fā)動(dòng)機(jī)余熱作為熱源，以水為制冷劑，以溴化鋰水溶液作為吸收劑[9-10]，用溴化鋰吸收式冷熱水機(jī)組裝置取代污染大氣的氟利昂壓縮式制冷機(jī)，具有節(jié)約燃油、綠色環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全、平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1系統(tǒng)論述

該余熱吸收式溴化鋰汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)的工作原理可分為兩個(gè)循環(huán)過(guò)程[11]。循環(huán)一：低濃度的溴化鋰溶液經(jīng)過(guò)磁力泵3輸送到達(dá)溶液熱交換器2中，與從發(fā)生器1中回流回來(lái)的高溫、高濃度的溴化鋰溶液發(fā)生熱傳遞，使得低溫、低濃度的溴化鋰溶液溫度升高且到達(dá)發(fā)生器1中，發(fā)生器1與水箱9通過(guò)熱管相連，水箱9中有溫度90 ℃左右的熱水流動(dòng)，目的是對(duì)發(fā)生器1中低溫、低濃度的溴化鋰溶液進(jìn)行加熱，使得溴化鋰溶液中的水分部分蒸發(fā)，蒸發(fā)了的水變成水蒸氣進(jìn)入到冷凝器10中，經(jīng)冷凝器10的冷凝作用，高溫、高壓的水蒸氣變成中溫、高壓的液態(tài)水流向膨脹閥6，經(jīng)其節(jié)流，中溫高壓的液態(tài)水變成低溫、低壓的霧狀液態(tài)水，為制冷劑的蒸發(fā)創(chuàng)造條件；接著，霧狀的液態(tài)水進(jìn)入蒸發(fā)器7發(fā)生蒸發(fā)，它由液態(tài)變成氣態(tài)，吸收汽車(chē)內(nèi)室大量熱，且經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)8的作用，達(dá)到降溫的目的；最后，由蒸發(fā)器7出來(lái)的水蒸氣經(jīng)過(guò)吸收器4被通過(guò)溶液熱交換器2回流下來(lái)的低溫、高濃度的溴化鋰溶液吸收，溴化鋰溶液濃度降低，并通過(guò)磁力泵3再次進(jìn)入溶液熱交換器2，此為第1個(gè)工作循環(huán)過(guò)程。循環(huán)二：低濃度的溴化鋰溶液經(jīng)過(guò)磁力泵3輸送到達(dá)溶液熱交換器2中，與從發(fā)生器1中回流回來(lái)的高溫、高濃度的溴化鋰溶液發(fā)生熱傳遞，使得低溫、低濃度的溴化鋰溶液溫度升高且到達(dá)發(fā)生器1中，溴化鋰溶液受熱導(dǎo)致水分部分蒸發(fā)，溴化鋰溶液濃度升高，并經(jīng)溶液熱交換器2回流到吸收器4中，并在吸收器4中吸收水蒸汽，溴化鋰的濃度因此降低，并通過(guò)磁力泵3作用再次進(jìn)入溶液熱交換器2中，此為第2個(gè)工作循環(huán)過(guò)程。

2平行流換熱器仿真分析

2.1平行流換熱器的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)的冷凝器包括2個(gè)并列設(shè)置的平行流換熱器，每個(gè)平行流換熱器由上主管、下主管和連接在所述上主管和下主管之間的分流管構(gòu)成，2個(gè)平行流換熱器的上主管之間相互連通。與現(xiàn)有技術(shù)中的單層平行流換熱器結(jié)構(gòu)相比，采用雙層平行流換熱器結(jié)構(gòu)的好處在于增大了散熱面積，同時(shí)可縮減占用空間；工作時(shí)液態(tài)水從其中一個(gè)平行流換熱器的下主管中流入，通過(guò)分流管進(jìn)入到上主管中，進(jìn)入另一個(gè)平行流換熱器的上主管，經(jīng)過(guò)該平行流換熱器的分流管和下主管流出，液態(tài)水在流動(dòng)過(guò)程中與負(fù)壓風(fēng)機(jī)吸入的氣流進(jìn)行熱交換，為汽車(chē)室內(nèi)提供冷氣。所述平行流換熱器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.2平行流換熱器空氣側(cè)流場(chǎng)分析

一般而言，空氣入口風(fēng)速對(duì)換熱器散熱性能影響較大，評(píng)價(jià)換熱性能的指標(biāo)一般為換熱系數(shù)和壓降，而在一定的范圍內(nèi)，隨入口風(fēng)速的增大，換熱系數(shù)和壓降都會(huì)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。因此，以下將分析入口風(fēng)速對(duì)換熱性能的影響，以證明所建簡(jiǎn)化模型的可行性。通過(guò)改變空氣入口迎面風(fēng)速對(duì)模型進(jìn)行了5個(gè)工況的計(jì)算，從1.5 m/s到5.5 m/s，以1 m/s為步長(zhǎng)設(shè)置不同的工況，對(duì)平行流換熱器空氣側(cè)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

(1)溫度場(chǎng)分布

圖3是空氣入口迎面風(fēng)速為1.5、3.5、5.5 m/s時(shí)換熱器空氣側(cè)翅片對(duì)稱(chēng)面上的溫度分布云圖。通過(guò)比較圖中圓圈部分的溫度差情況，可以得出：隨著空氣入口迎面風(fēng)速的增大，溫度差值越大。

(2)壓力場(chǎng)分布

圖4、圖5分別為空氣入口迎面風(fēng)速度為2.5和4.5 m/s時(shí)對(duì)稱(chēng)面上的壓力等值線分布圖。可知：當(dāng)空氣入口迎風(fēng)速度為2.5 m/s時(shí)，入口處壓力為16.41 Pa，中間轉(zhuǎn)向段為8.09 Pa，出口處為-3.16 Pa，總壓降為19.8 Pa；當(dāng)空氣入口速度為4.5 m/s時(shí)，入口處壓力為46.55 Pa，中間轉(zhuǎn)向段為20.17 Pa，出口處為-7.6 7Pa，總壓降為54.22 Pa。因此，隨著風(fēng)速的增大，總壓降亦呈增大趨勢(shì)。綜上所述，該簡(jiǎn)化模型具有一定的可行性。

為了選出較優(yōu)換熱器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，選取翅片間距、翅片長(zhǎng)度、翅片高度和百葉窗角度作為影響換熱性能的主要因素，每個(gè)因素選取5個(gè)水平，采用正交實(shí)驗(yàn)法得出25種不同的實(shí)驗(yàn)組合，采用Fluent軟件對(duì)其評(píng)價(jià)指標(biāo)摩擦因子和換熱系數(shù)進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如表1所示。

對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用極差評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出影響摩擦因子的結(jié)構(gòu)參數(shù)的順序?yàn)椋撼崞g距A(38.87%)>百葉窗角度D(25.18%)>翅片高度C(20.79%)>翅片長(zhǎng)度B(15.15%)，影響換熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)的順序?yàn)椋撼崞g距A(56.80%)>翅片長(zhǎng)度B(18.05%)>翅片高度C(13.37%)>百葉窗角度D(11.79%)。較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為組合25，其結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證此余熱溴化鋰汽車(chē)空調(diào)的可行性，在此搭建一個(gè)小型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考慮到溶液熱交換器的主要作用是將發(fā)生器中流出的溴化鋰濃溶液與吸收器中泵出的稀溶液進(jìn)行熱交換，從而提升系統(tǒng)的性能，但在整個(gè)過(guò)程中并不影響系統(tǒng)的運(yùn)行，因此文中的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其不作考慮。在發(fā)動(dòng)機(jī)余熱方面，實(shí)驗(yàn)采用電加熱對(duì)其進(jìn)行模擬。此實(shí)驗(yàn)的工作流程圖如圖6所示。

3.2實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)文中所設(shè)計(jì)的汽車(chē)余熱溴化鋰空調(diào)確定此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究主要目的為驗(yàn)證該方案的可行性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步驗(yàn)證溴化鋰吸收式制冷風(fēng)冷的可行性。因此此實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為調(diào)試系統(tǒng)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，采用溫度計(jì)測(cè)量蒸發(fā)器出入口溫度的變化。

該實(shí)驗(yàn)的主要步驟如下：

(1)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空。開(kāi)啟真空閥，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽真空15 min，關(guān)掉真空泵，同時(shí)關(guān)閉真空閥；

(2)充注溴化鋰溶液。由于條件的限制，溴化鋰溶液在實(shí)驗(yàn)前已沖入至吸收器中；

(3)將吸收器中的溴化鋰稀溶液通過(guò)溶液泵泵入發(fā)生器中。打開(kāi)閥1，同時(shí)開(kāi)啟溶液泵；

(4)加熱發(fā)生器中的溴化鋰濃溶液。打開(kāi)發(fā)生器中的加熱管開(kāi)關(guān)；

(5)冷凝器工作。打開(kāi)冷凝風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)；

(6)蒸發(fā)器工作。打開(kāi)蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)；

(7)檢測(cè)蒸發(fā)器出口空氣溫度。每間隔15 min采用數(shù)顯溫度計(jì)讀取蒸發(fā)器出口溫度值；

(8)放出發(fā)生器中的溴化鋰濃溶液到吸收器中。開(kāi)啟閥2；

(9)等待吸收器中的水蒸氣被吸收后，重復(fù)步驟(3)。

如此不斷調(diào)試系統(tǒng)，直至它能穩(wěn)定運(yùn)行。記錄的出風(fēng)口溫度見(jiàn)表2。

表2出風(fēng)口溫度記錄表

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2，繪制出蒸發(fā)器出入口溫度隨時(shí)間的變化折線圖，見(jiàn)圖7，可以看出：溫度在系統(tǒng)運(yùn)行至45 min時(shí)間段內(nèi)下降較快，在t=45 min后，系統(tǒng)出口溫度基本保持在27.6 ℃左右。由以上分析可知，雖然空調(diào)的降溫不明顯，且降溫的速度緩慢，但是可以說(shuō)明文中所設(shè)計(jì)的方案是可行的。

4結(jié)論

(1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該系統(tǒng)具有較好的降溫效果；

(2)對(duì)換熱器空氣側(cè)流場(chǎng)分析，得出較優(yōu)換熱器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為組合25，其結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°；

(3)與現(xiàn)有技術(shù)中的單層平行流換熱器結(jié)構(gòu)相比，采用雙層平行流換熱器結(jié)構(gòu)的好處在于增大了散熱面積，同時(shí)可縮減占用空間，提高了汽車(chē)的性能。

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Optimization Design of Automobile Air-conditioning Exhaust Heat Absorption Refrigeration System

LIU Xiaochu，F(xiàn)ENG Mingsong，CHEN Fan，DAI Dongbo，HE Quanpeng，ZHOU Junhui

(Guangzhou University,Guangzhou Guangdong 510000,China)

Keywords:Exhausted heat absorption; Car air-conditioning refrigeration system; LiBr

Abstract:In order to reduce the oil consumption and improve the motivity of automobile, according to the characteristics of existing air conditioning refrigeration system, heating system and cooling water system of automobile engine and the performance with single effect LiBr absorption chiller, a kind of new lithium bromide absorption refrigeration system was put forward, mainly including generator, a condenser, an evaporator, a water tank, absorber and other components. Different from general refrigeration system, in this system, parallel flow heat exchanger was used to take advantage of the waste heat of the automobile to drive the air cooling system so that it not only met the theme of environmental protection, but also improved the performance of the car. Flow field analysis aiming at the heat exchanger air side was done, the optimal structure parameter combination was gotten. Then through related experiment, the feasibility of this project was demonstrated.

收稿日期：2016-02-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA780063)；廣東省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(2013KJCX0142)；廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2012-11)；廣州市金屬材料強(qiáng)化研磨高性能加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(穗科信字[2013]163-19號(hào))

作者簡(jiǎn)介：劉曉初(1964—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)樘?yáng)能智能灌溉、智能機(jī)器人等。E-mail:gdliuxiaochu@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)04-005-05