摘要：隨著我國(guó)城市化水平不斷提高，人們對(duì)空調(diào)的需求越來(lái)越大，社會(huì)也對(duì)空調(diào)使用予以極大關(guān)注?？照{(diào)機(jī)組是城市軌道交通車(chē)輛的重要組成部分，在保證列車(chē)舒適性方面至關(guān)重要。本文將對(duì)空調(diào)機(jī)組熱交換器的型式進(jìn)行分析，針對(duì)目前空調(diào)機(jī)組的實(shí)際使用狀況，提出制冷空調(diào)專(zhuān)業(yè)的改革新舉措，進(jìn)而促進(jìn)空調(diào)工程領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;空調(diào);車(chē)輛;熱交換器

0 ?引言

目前城市軌道交通車(chē)輛空調(diào)機(jī)組熱交換器大多采用的是銅管鋁翅片的形式，設(shè)計(jì)使用壽命是15年，每五年進(jìn)行一次架修，10年進(jìn)行一次大修?？照{(diào)機(jī)組熱交換器主要包括蒸發(fā)器和冷凝器，冷凝器裸露在外，蒸發(fā)器在室內(nèi)腔，另一方面在空調(diào)制冷工況下冷凝表面溫度過(guò)高，在架修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)冷凝器表面親水膜已經(jīng)有不同程度的破損，而蒸發(fā)器狀態(tài)較好。下面將對(duì)不同材質(zhì)的熱交換器研究，分析優(yōu)劣。

1 ?空調(diào)機(jī)組熱交換器的作用

空調(diào)機(jī)組熱交換器主要作用是實(shí)現(xiàn)空氣和空調(diào)系統(tǒng)管路內(nèi)冷媒之間的熱量交換，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣降溫或升溫。熱交換器的組成主要有銅管和翅片。熱交換器，是蒸發(fā)器和冷凝器的統(tǒng)稱(chēng)，蒸發(fā)器的作用是使制冷劑液體氣化蒸發(fā)，從外界吸收熱量;而冷凝器是向外界散熱，使制冷劑氣體降溫液化。

2 ?空調(diào)機(jī)組熱交換器的材料分析

2.1 空調(diào)行業(yè)現(xiàn)狀

熱交換器作為空調(diào)機(jī)組的關(guān)鍵部件，目前城市軌道交通車(chē)輛空調(diào)機(jī)組合同中多數(shù)采用銅管鋁翅片熱交換器，但近幾年來(lái)，行業(yè)中有人提出使用銅翅片的方式。

2.2 銅、鋁翅片導(dǎo)熱的對(duì)比

把純銅和純鋁這兩種材料的一些物理特性作了個(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比，如表1所示。

從表1中大家都會(huì)覺(jué)得銅的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，就是因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)比鋁的要高不少（此處指純銅和純鋁），這個(gè)也確實(shí)是。但是一個(gè)散熱器散熱能力的好壞不僅僅只考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，還和散熱面積、散熱器的形狀、空氣流動(dòng)等狀況有關(guān)。

再看后兩個(gè)參數(shù)，光看比熱容這個(gè)數(shù)字，銅的比熱容更小，就應(yīng)該是它的溫度升的更快，更容易散熱（熱力學(xué)定律，溫度梯度越大，傳熱越快），似乎是沒(méi)錯(cuò)，但是……還要看看它們的密度。銅的密度是鋁的3.3倍，散熱器是一個(gè)講尺寸的產(chǎn)品，不能無(wú)限做大，那同樣體積大小下，到底是銅的熱容小還是鋁的熱容小呢？不妨簡(jiǎn)單計(jì)算下。

假設(shè)都是一立方厘米大小的材料，銅的重量為8.9克，讓它上升1K，需要3.4kJ的熱量，此大小下鋁的重量為2.7克，讓它上升1K，需要的熱量是2.4kJ，也就是說(shuō)，單位體積下，鋁的熱容量只有銅的70%，它的散熱更快。

所以說(shuō)，銅的導(dǎo)熱系數(shù)雖然比鋁的高，熱量從翅片到環(huán)境間的傳遞阻力小，但是，同體積下它的熱容量更大些，溫度上升慢，這樣溫度梯度小，綜合傳熱能力并不見(jiàn)得比鋁的好多少。

在熱力學(xué)中，傳熱速率方程式為：Q=KAΔt

其中Q為傳遞的熱量，K為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，A為傳熱面積，Δt為溫度差，在同樣體積下，假設(shè)A是一樣的，Q主要就由材料導(dǎo)熱系數(shù)與熱量傳遞介質(zhì)間的溫度差決定了。以冷凝器為例，散熱其實(shí)是兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)是吸收冷媒的熱量到散熱器，另一個(gè)是從散熱器到環(huán)境（空氣）。

對(duì)于純銅散熱器，熱量從銅管到散熱器，因?yàn)镵更大，Δt也大（散熱器與銅管間的溫度差，因?yàn)橥w積下銅的升溫慢），這個(gè)過(guò)程中的傳熱速率是明顯好過(guò)純鋁散熱器的，但是到了第二個(gè)階段，熱量從散熱器傳到空氣時(shí)，K是一樣的（都是空氣），Δt則是純銅散熱器更小（這兒是散熱器與空氣的溫度差），在這個(gè)過(guò)程，純銅散熱器的效率是低于鋁質(zhì)散熱器的。一直有個(gè)說(shuō)法，銅吸熱快，鋁散熱快，還是很有道理的。

為了弄清這個(gè)問(wèn)題，查找相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，之前有人對(duì)電腦CPU散熱器的材質(zhì)做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)。同樣的兩個(gè)電腦，分別安裝純銅散熱器和鋁制散熱器U120E，在電腦空閑狀態(tài)下，兩種CPU散熱器的溫度均為44℃，在電腦工作狀態(tài)下，鋁制散熱器U120E的溫度為71℃，而銅制散熱器的溫度為67℃。如圖1所示。

參照相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在這樣的高成本、大重量的前提下，純銅散熱器帶來(lái)的性能收益其實(shí)是非常低的，也僅僅比普通的U120E低了4度而已。

總的來(lái)說(shuō)：純銅散熱器成本高，壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、效果相對(duì)較好。加工更難，性?xún)r(jià)比低，鋁質(zhì)散熱器價(jià)格便宜、密度低、容易加工成形，硬度好。壽命較短、不耐蝕、散熱器的散熱性能比銅較差。

2.3 列車(chē)實(shí)際情況

根據(jù)空調(diào)機(jī)組實(shí)際使用情況分析，蒸發(fā)器處于室內(nèi)腔，冷凝器裸露在外，使用環(huán)境不同。

蒸發(fā)器降溫除濕過(guò)程中翅片上會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)水，為了防止凝結(jié)的水滴不被送風(fēng)帶入車(chē)內(nèi)，翅片上需增加親水膜，親水膜可“抓”住水滴使其不被風(fēng)吹走并順著翅片向下流入水盤(pán)，然后集中排至車(chē)外。

銅翅片無(wú)親水型式，如采用銅翅片，存在較大的送風(fēng)帶水風(fēng)險(xiǎn)，由此可能將冷凝水吹入車(chē)內(nèi)，因此，蒸發(fā)器較少使用銅翅片。

蒸發(fā)器處于室內(nèi)腔，不接觸紫外線(xiàn)及雨水，親水膜鋁翅片可滿(mǎn)足防腐要求。

冷凝器直接與外界進(jìn)行接觸，在架修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)親水膜已經(jīng)存在不同程度的破損。

3 ?空調(diào)機(jī)組熱交換器結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)的測(cè)試，圖3結(jié)構(gòu)尺寸為6排、有效高度為600、有效長(zhǎng)度為610、片距2.0mm條縫鋁翅片的橢圓管換熱器與圓管換熱器在相同工況與2.5m/s風(fēng)速下。

橢圓管與圓管對(duì)比，氣流更均勻，管后換熱不充分面積小，從測(cè)試結(jié)果對(duì)比中可以看出，橢圓管換熱器;風(fēng)側(cè)阻力比圓管換熱器低50%，供冷量比圓管換熱器高12%，冷風(fēng)比提高14%。

4 ?關(guān)于空調(diào)機(jī)組熱交換器選型建議

①在成本允許的情況下，蒸發(fā)器使用鋁翅片親水膜型式，冷凝器使用紫銅型式，或者研究銅鋁合金材料等。②廠家改變親水膜的工藝，提高抗紫外線(xiàn)、耐腐蝕度能力。避免親水膜在長(zhǎng)時(shí)間使用后的破損。③通過(guò)改變銅管結(jié)構(gòu)（如橢圓狀），提高制冷效果。④熱交換器與空調(diào)機(jī)組水盤(pán)的配合精度需要考慮，配合縫隙不宜過(guò)大。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

不同翅片型式的換熱器，其空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力特性均有所差異，大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在獲得好的熱交換器特性的同時(shí)，不可避免的造成成本、重量、體積等的增加。其次，空調(diào)工程中所使用的大部分換熱器都是干、濕工況交替運(yùn)行的，而不同翅片換熱器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比，有很大差異。

另外，提高換熱器銅管單位質(zhì)量的換熱效率，是提高空調(diào)銅管使用性?xún)r(jià)比的主要思想，如對(duì)銅管內(nèi)部溝槽的高度、數(shù)量及角度進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)也可對(duì)室內(nèi)熱交換器進(jìn)行優(yōu)化，在鋁片的表面加工出凹凸?fàn)?，擴(kuò)大表面積，提高換熱效率。銅管的數(shù)量也是影響散熱量的重要參數(shù)，適當(dāng)?shù)脑黾鱼~管也可提高換熱效率，但并不是越多越好。因此，如何正確選用翅片型式，對(duì)熱交換器實(shí)際工作特性的影響不容忽視，最好的是在換熱與成本、體積之間找到一種折中的方案。

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作者簡(jiǎn)介：劉少波（1988-），男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，本科，2012年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)車(chē)輛工程（電力機(jī)車(chē)方向）專(zhuān)業(yè)，獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在西安地鐵從事地鐵車(chē)輛架、大修、故障分析等技術(shù)管理工作。