韓賽賽 柳建華 +趙永杰 +張良

摘要： 平行流換熱器以其結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的特點已廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)中.簡要介紹了汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器結(jié)構(gòu)，采用計算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法對平行流換熱器的換熱性能進(jìn)行了分析，比較了空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對其換熱量和流動阻力的影響.模擬結(jié)果表明：在增加相同百分比的情況下，增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對換熱器換熱量的影響大16%左右，但增加空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對換熱器換熱能力的影響均有限；隨著風(fēng)速的提高，換熱量增加率逐漸減小，而空氣側(cè)阻力增加率越來越大；隨著水流量增加，水側(cè)壓降增大非常明顯；但兩者增加對空氣側(cè)出口溫度影響均不明顯.

關(guān)鍵詞：

平行流換熱器； 換熱性能； 風(fēng)速； 水流量

中圖分類號： TB 657.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

目前有關(guān)汽車空調(diào)的研究主要集中在制冷系統(tǒng)的仿真與實驗，而關(guān)于暖風(fēng)系統(tǒng)的研究很少，特別是關(guān)于非獨立的暖水式換熱性能研究更不多.陳江平等[1]從使用新工質(zhì)及采用新技術(shù)等方面介紹了國內(nèi)外汽車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢；周益民等[2]建立三維數(shù)值模型，研究了百葉窗翅片開窗角度和換向區(qū)長度對平行流換熱器換熱性能的影響，可為其優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)；董軍啟等[3]通過試驗比較了翅片間距和高度對平行流換熱器表面換熱和阻力性能的影響，通過分析試驗數(shù)據(jù)獲得了j因子和f因子試驗關(guān)聯(lián)式；國內(nèi)外對平行流換熱器在微通道內(nèi)的流動、壓降及傳熱系數(shù)進(jìn)行了大量研究[4].關(guān)于暖風(fēng)系統(tǒng)的平行流換熱器的研究主要集中在百葉窗翅片角度、間距、高度和扁管等對其換熱和流動性能的影響，然而工質(zhì)的工況對其性能也有重要影響.所以本文主要分析空氣側(cè)風(fēng)速和水流量對其換熱和流動性能的影響并將兩者進(jìn)行比較.

1平行流換熱器結(jié)構(gòu)與特性

1.1平行流換熱器結(jié)構(gòu)

平行流換熱器（PFC）是一種新型的換熱器[5]，多用于汽車空調(diào)，主要由多孔扁管和波紋型百葉窗翅片構(gòu)成.暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：Fh為翅片高度；Ld為百葉窗寬度；Lh為百葉窗高度；Lp為百葉窗間距；α為百葉窗角度；Fp為翅片間距.平行流換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中Ft為翅片厚度.工質(zhì)水在多孔扁管中流動，空氣垂直流過波紋翅片并與水進(jìn)行換熱.平行流換熱器的主要特點是比表面積大，換熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，空氣側(cè)壓降較小，水側(cè)換熱性能增加時阻力減小，扁管和翅片的接觸熱阻較小，純鋁制品有利于回收等.本文主要介紹一種應(yīng)用于汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)的平行流換熱器的換熱性能，在不同水流量和空氣側(cè)風(fēng)速下通過模擬仿真對其換熱性能進(jìn)行分析.而目前國內(nèi)對平行流換熱器的研究還比較少，本文旨在為國內(nèi)平行流換熱器設(shè)計提供參考.

1.2水暖式汽車暖風(fēng)裝置

汽車暖風(fēng)裝置是汽車冬季運(yùn)行時供車內(nèi)取暖的設(shè)備總稱，其種類較多.按其所用熱源可分為余熱式采暖系統(tǒng)和獨立式采暖系統(tǒng)，其中余熱式采暖系統(tǒng)又分為水暖式和汽暖式兩種.水暖式采暖系統(tǒng)主要是以發(fā)動機(jī)冷卻水的余熱為熱源，將熱水引入換熱器，由風(fēng)扇將車內(nèi)或車外空氣吹過換熱器使之升溫[6].

與氣暖式系統(tǒng)相比，水暖式發(fā)動機(jī)的冷卻液溫度比較適宜且散熱均勻，不會出現(xiàn)局部溫度過高而燙傷乘客，亦不會出現(xiàn)因排氣中的SO2等雜質(zhì)長時間腐蝕換熱器管壁造成因泄漏廢氣而中毒的現(xiàn)象，水暖式發(fā)動機(jī)在國內(nèi)外生產(chǎn)的轎車、大型貨車、采暖要求不高的大客車中已得到采用；與獨立式采暖系統(tǒng)相比，水暖式發(fā)動機(jī)不需另外的燃料及相關(guān)設(shè)備，易獲取熱源，設(shè)備簡單，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行經(jīng)濟(jì).

2計算流體力學(xué)（CFD）模型

在流動換熱過程中，空氣從換熱器一側(cè)流入，然后與扁管和翅片相互作用進(jìn)行對流換熱，通過增加空氣側(cè)風(fēng)速，能夠增強(qiáng)空氣流動的擾動，增強(qiáng)換熱；增加工質(zhì)水流量，可以增強(qiáng)換熱器的換熱性能.

在開發(fā)汽車空調(diào)系統(tǒng)時，需要掌握的換熱器性能數(shù)據(jù)可以通過實驗獲得，但在實驗前進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以大大縮短開發(fā)周期和降低成本.目前模擬時大多采用二維數(shù)值模型，其結(jié)果有待進(jìn)一步考證.本文通過對百葉窗翅片進(jìn)行三維數(shù)值模擬，進(jìn)一步考察數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性以揭示百葉窗翅片的強(qiáng)化傳熱與流動機(jī)理[7].為簡化模型，首先對模型作以下假設(shè)：① 換熱過程為三維穩(wěn)態(tài)換熱；② 空氣、工質(zhì)水均為理想的不可壓縮流體，各點參數(shù)不隨時間變化；③ 空氣在整個迎風(fēng)向上均勻分布；④ 扁管、百葉窗肋片表面具有相同的粗糙度，肋片和扁管焊接良好，連接光滑，不考慮加工因素的影響.

式中：Gk為由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；G1s、G2s、G3s均為常量；σk、σε分別為k方程和ε方程的普朗特數(shù)；μt為湍流渦黏性系數(shù)；k為湍流動能；ε為耗散率.

2.2邊界條件

由于流動處于湍流狀態(tài)，經(jīng)對比分析選擇了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型.該模型是目前應(yīng)用較廣、受檢驗最多、數(shù)值求解技術(shù)最成熟的湍流模型，且對于平行流換熱器的模擬有較高的穩(wěn)定性.

定義工質(zhì)水入口處為流量入口邊界，給定入口流量、水溫（355 K）（根據(jù)汽車空調(diào)常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定），定義出口處為壓力出口邊界；定義入口空氣處為速度入口邊界，給定入口速度、空氣溫度（290 K）（根據(jù)汽車空調(diào)常用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定），定義出口處為壓力出口邊界；平行流換熱器為純鋁制材質(zhì)[8].

2.3數(shù)值模擬方法

整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分是通過Fluent軟件前處理程序Gambit進(jìn)行.為節(jié)省計算空間，采用六面體和楔形單元相結(jié)合的方法對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格數(shù)約為300萬.定義每個方程的收斂條件中平均殘差絕對值不大于1.0×10-6.本文模擬采用商用軟件Fluent 6.3對計算區(qū)域進(jìn)行求解.

2.4仿真模擬結(jié)果與分析

由于換熱器實際工作時水溫取決于發(fā)動機(jī)工作情況，水流量可通過閥門調(diào)節(jié)，空氣側(cè)風(fēng)速亦可調(diào)節(jié)，故本文只選擇水流量和空氣側(cè)風(fēng)速作為自變量進(jìn)行分析.

換熱器迎面風(fēng)速分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m·s-1，水流量分別為5、6、7、8、9 L·min-1 .通過仿真模擬得到汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器換熱量、水側(cè)壓降、空氣側(cè)壓降、空氣側(cè)出口溫度的變化和分布.

圖2為在不同風(fēng)速和水流量下?lián)Q熱器換熱量和空氣側(cè)出口溫度的變化，圖3為不同風(fēng)速下空氣側(cè)阻力的變化，圖4為不同水流量下水側(cè)阻力的變化.由圖2、3可知，對于一定結(jié)構(gòu)的換熱器，隨著迎面風(fēng)速的增加，空氣側(cè)換熱量不斷增大，空氣側(cè)阻力也增大，而且空氣側(cè)換熱量在低風(fēng)速下增長較快.換熱器換熱量的增加有以下兩點原因：一是在緊貼翅片的空氣流薄層內(nèi)，

由于分子導(dǎo)熱，熱邊界層被來自翅片的熱量加熱，同時向前運(yùn)動，空氣風(fēng)速增加，熱邊界減薄，熱阻減小，空氣側(cè)傳熱系數(shù)增大；二是風(fēng)速增大，空氣滯留翅片上的時間相對縮短，溫升小，與換熱器溫差大，故換熱效果好.但對比圖2、3可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的提高換熱量增加率逐漸減小，而空氣側(cè)阻力增加率越來越大.這是因為阻力隨空氣側(cè)風(fēng)度的二次方左右增加，并且對于一定結(jié)構(gòu)冷凝器存在一個臨界風(fēng)速即換熱量隨風(fēng)速增加趨于定值[9].故只靠提高風(fēng)速增加空氣側(cè)換熱量是有限的，在增加換熱量和阻力之間進(jìn)行選擇，是確定換熱器迎面風(fēng)速時必須考慮的問題.由圖2可知，對于一定結(jié)構(gòu)的換熱器，隨著迎面風(fēng)速相對于2 m·s-1依次增加25%、50%、75%、100%時，空氣側(cè)出口溫度有降低趨勢，但降低幅度較小，不會影響其舒適性.空氣側(cè)出口溫度降低是因為風(fēng)速增加，換熱時間不足，但是在風(fēng)量一定、熱水源充分的情況下，空氣側(cè)出口溫度不會有明顯下降[10].

由圖2可知，水流量對換熱器換熱量有較大影響.隨著水流量增加，其對應(yīng)的換熱量逐漸增加，起初水流量增加12%時，換熱量增加3.2%，最后水流量增加80%時，而換熱量只增加6.6%.因此，通過增加水流量來增加換熱器的換熱能力也是有限的.對于一定結(jié)構(gòu)換熱器，水流量增加即流速增大，流動狀態(tài)由層流變成紊流，換熱強(qiáng)度變化較明顯.空氣出口側(cè)溫度與水流量變化非常相近，這是因為對于一定結(jié)構(gòu)的換熱器，在一定風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)口水溫下，水流量對換熱性能起決定性作用[11].由圖2可知，增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對平行流換熱器換熱量的影響更大，在增加相同百分比的情況下，增加風(fēng)速比增加水流量對換熱器換熱量的影響大16%左右.這是由于空氣側(cè)熱阻對換熱性能的影響大于水側(cè)的影響.但從圖4可知，水流量增大，水道中水的流速增加，水的流動阻力明顯增大，增加了循環(huán)水泵的功耗.

3結(jié)論

本文利用仿真模擬計算了某汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器的換熱特性，分析了風(fēng)速、水流量對換熱性能的影響：

（1） 增加空氣側(cè)風(fēng)速比增加水流量對平行流換熱器換熱量的影響大。在增加相同百分比的情況下，增加風(fēng)速比增加水流量對換熱量的影響大16%左右，而且增加兩者對換熱器換熱能力的影響均有限。隨著兩者增加，換熱量增加率逐漸減小.

（2）風(fēng)速增大，空氣側(cè)阻力增加非常明顯，同樣水流量增大，水側(cè)阻力增加也非常明顯；但增加兩者對空氣側(cè)出口溫度影響都不明顯.

（3） 在優(yōu)化設(shè)計汽車空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)平行流換熱器時，應(yīng)合理選擇其結(jié)構(gòu)，使迎面風(fēng)速控制在一個合理的范圍內(nèi).

另外，水暖式暖風(fēng)系統(tǒng)使用時必須在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度上升到大循環(huán)時方可開始，且存在使用過程中流量分配不均、熱源不足等問題，這些均有待進(jìn)一步解決.

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