羅軼陽

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

目前，隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長與便捷交通的發(fā)展，人們對(duì)于車輛的需求不斷增加，據(jù)近幾年乘用車銷售量的統(tǒng)計(jì)[2]，全國乘用車保有量在2018年便達(dá)到了2.4億輛，幾乎每臺(tái)正在使用的汽車上都裝有空調(diào)。天氣炎熱時(shí)，汽車空調(diào)開啟后會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加、溫度升高，同時(shí)使冷卻液溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)無法在最佳溫度范圍內(nèi)工作，汽車的油耗便會(huì)增加。基于中國巨大的汽車保有量，增加的燃油總消耗量十分巨大。

1 項(xiàng)目背景及意義

通過查閱資料，了解到了冷卻水溫與燃油消耗率的大致關(guān)系[3]。在夏天行駛時(shí)開啟空調(diào)，會(huì)導(dǎo)致冷卻水溫上升[4]，超過最佳溫度。通過計(jì)算可以得出，當(dāng)冷卻水溫超出其最佳溫度后，如果能使冷卻液溫度降低1℃，就能提高2.27%的燃油效率，所以對(duì)冷卻水降溫是十分必要的。針對(duì)此問題提出一種基于高速氣流霧化車載空調(diào)冷凝水冷卻散熱器的裝置。

2 裝置原理及可行性分析

利用合理的管道設(shè)計(jì)將車載空調(diào)冷凝水引導(dǎo)至散熱器前通過高速氣流霧化，霧化后的水滴作用于散熱器表面持續(xù)蒸發(fā)吸熱，保證空調(diào)制冷量并更好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度。

霧化網(wǎng)是霧化裝置的核心部件。該霧化器利用汽車行駛時(shí)通過格柵的高速氣流[6]將霧化網(wǎng)上冷凝水形成的水膜吹散，從而達(dá)到細(xì)化水珠的效果。主儲(chǔ)水裝置中的冷凝水經(jīng)由滴水管滴管下落至霧化網(wǎng)上，使霧化網(wǎng)被水膜覆蓋，易于被氣流所破碎，達(dá)到霧化效果。網(wǎng)孔的大小影響水膜的成型，網(wǎng)孔過大，成膜率相對(duì)較低，不能達(dá)到有效的霧化效果；網(wǎng)孔過小增加了水膜粘結(jié)力，對(duì)風(fēng)阻影響相對(duì)增大。因此，需要制訂合理的網(wǎng)孔尺寸，既達(dá)到良好的霧化效果，又最小限度地增加風(fēng)阻。霧化裝置如圖1和圖2所示。

圖1 霧化網(wǎng)的布置示意圖

圖2 霧化網(wǎng)網(wǎng)孔示意圖

本裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)思路與方案

3.1 設(shè)計(jì)思路

本作品采用模塊化設(shè)計(jì)，分為前置儲(chǔ)水裝置、主儲(chǔ)水裝置和霧化裝置。各部分之間采用水管、卡扣連接。針對(duì)不同車型的不同需要，可提供兩種模式進(jìn)行改裝。

模式一（如圖3所示）：針對(duì)客車及部分可改裝空調(diào)冷凝系統(tǒng)的轎車，由于冷凝水出水口高于霧化裝置作用位置，所以，可選用主儲(chǔ)水裝置和霧化裝置組合。冷凝水產(chǎn)生后收集于主儲(chǔ)水裝置中，達(dá)到水量下限以及合適的工作條件后電控閥門打開，為霧化裝置供水。霧化裝置位于散熱器右下角進(jìn)水口處，受到供水后通過多排出水管向霧化網(wǎng)供水，使冷凝水在霧化網(wǎng)表面形成水膜。霧化裝置利用汽車行駛時(shí)的高速氣流將霧化網(wǎng)上的水膜破碎形成水霧，輔助散熱器。

模式二（如圖4所示）：針對(duì)空調(diào)冷凝水出口低于霧化裝置作用位置且不便改裝空調(diào)冷凝系統(tǒng)的轎車，可選用前置儲(chǔ)水裝置、主儲(chǔ)水裝置和霧化裝置的組合。冷凝水產(chǎn)生后先收集于前置儲(chǔ)水裝置中，達(dá)到一定的水位后接通電源驅(qū)動(dòng)水泵工作，將水提升至主儲(chǔ)水裝置中，達(dá)到水量下限以及合適的工作條件后電控閥門打開，為霧化裝置供水。

3.2 前端儲(chǔ)水裝置設(shè)計(jì)

前置儲(chǔ)水裝置主要由罐體、頂蓋、浮桿、導(dǎo)桿、檢測(cè)桿、彈簧、磁保持繼電器和水泵組成（如圖5所示）。冷凝水產(chǎn)生后通過管道流入罐體中，浮桿底部的浮子受到浮力后帶動(dòng)檢測(cè)桿沿軌道移動(dòng)，軌道上下端均有磁保持繼電器，當(dāng)檢測(cè)桿運(yùn)動(dòng)到水位上限對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，磁保持繼電器觸發(fā)水泵工作；當(dāng)檢測(cè)桿運(yùn)動(dòng)到水位下限對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，磁保持繼電器停止水泵工作。

圖3 模式一

圖4 模式二

圖5 前置儲(chǔ)水裝置組成示意圖

考慮到車輛行駛時(shí)的顛簸情況，做出以下設(shè)計(jì)避免誤觸發(fā)：浮桿和導(dǎo)桿均采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，當(dāng)水位由于顛簸發(fā)生改變時(shí)，由于左右水位不同導(dǎo)致浮桿受到的浮力不同，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使導(dǎo)桿與罐體產(chǎn)生摩擦，阻止檢測(cè)桿上升。同時(shí)導(dǎo)桿軌道內(nèi)有一彈簧，在輔助檢測(cè)桿歸位的同時(shí)起到一定的防誤觸發(fā)作用。

3.3 主儲(chǔ)水裝置設(shè)計(jì)

主儲(chǔ)水裝置由罐體和電控閥門組成，罐體設(shè)計(jì)成弧形有利于貼合發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)形狀，罐體左上方與右下方設(shè)有接口，可通過水管與前置儲(chǔ)水裝置或冷凝水出水口和霧化裝置相連（如圖6所示）。罐體右上方設(shè)有泄壓孔兼排水孔，當(dāng)冷凝水流入時(shí)起平衡氣壓的作用，方便冷凝水順利進(jìn)入主儲(chǔ)水罐。當(dāng)水量超出主儲(chǔ)水罐容積時(shí)，多余的冷凝水可從排水孔流出。當(dāng)滿足工作條件時(shí)，電控閥門打開，向霧化裝置供水。

圖6 主儲(chǔ)水裝置示意圖

3.4 霧化網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算

氣流進(jìn)入格柵時(shí)，由于氣流的粘滯性和慣性以及格柵對(duì)氣流的阻滯、擾動(dòng)作用而形成的通風(fēng)阻力，是造成氣流能量損失的主要原因；又由于水膜的作用，使通過霧化網(wǎng)的氣流發(fā)生變化，但由于變化微小，可近似認(rèn)為經(jīng)過格柵的風(fēng)速就是經(jīng)過霧化網(wǎng)的風(fēng)速，其局部阻力計(jì)算式為[5]：

式（1）（2）（3）中：h為局部通風(fēng)阻力，Pa；S1為霧化網(wǎng)有效通過面積，m2；S2為霧化網(wǎng)總面積，m2；v為氣流通過霧化網(wǎng)的風(fēng)速，m/s；ρm為空氣平均密度，kg/m3；v2為氣流通過霧化網(wǎng)后的風(fēng)速，m/s；x為霧化網(wǎng)寬度，m；y為霧化網(wǎng)長度，m；d為霧化網(wǎng)孔徑，m；dL為霧化網(wǎng)線寬，m。

則：

式（4）（5）（6）中：F為霧化網(wǎng)對(duì)水膜的臨界表面張力，N；Fσ為水膜表面張力，N；σ為水的表面張力系數(shù)，N/m。

聯(lián)立上述方程可尋得最優(yōu)解。為了更加準(zhǔn)確快捷，建立了數(shù)學(xué)模型并將最初設(shè)定的霧化網(wǎng)尺寸代入，最后得出最優(yōu)孔徑尺寸。取x=0.5 m，y=0.3 m，dL=0.001 m，ρm=1.293 kg/m3，v=10 m/s，σ=7.28×10-2N/m，計(jì)算得出最佳的網(wǎng)格孔徑大約為3.56 mm。

4 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 三維模型的建立

通過查閱論文中得知散熱器溫度最高的部位集中在靠近入水口的第一、二排管[7]，且散熱器四周的散熱效果最好[8]。同時(shí)，由于裝置所能提供的水量和噴灑面積無法達(dá)到對(duì)整個(gè)散熱器的全覆蓋，所以最終建立了24 cm×8 cm的局部模型，如圖7所示。

圖7 簡(jiǎn)化模型示意圖

4.2 散熱效果仿真分析

對(duì)散熱器的傳導(dǎo)情況進(jìn)行有限元熱流耦合仿真分析，模擬傳熱散熱系統(tǒng)下的穩(wěn)態(tài)環(huán)境，各域的屬性參數(shù)設(shè)置如表2所示。

穩(wěn)態(tài)分析后溫度結(jié)果如圖8、圖9所示，其中圖8為純風(fēng)冷情況下的冷卻液溫度分布圖，圖9為風(fēng)冷加水冷情況下的冷卻液溫度分布圖?？梢钥闯?，整體達(dá)到穩(wěn)態(tài)以后，增加了水冷之后冷卻液的溫度要比純風(fēng)冷情況下的溫度低10℃左右。但由于分析用的是簡(jiǎn)化模型，冷卻液未充分換熱就流出了散熱器，所以實(shí)際情況純風(fēng)冷條件下散熱效果應(yīng)該優(yōu)于仿真中得到的結(jié)果。

表2 仿真分析參數(shù)設(shè)定

圖8 純風(fēng)冷情況下的冷卻液溫度分布

圖9 風(fēng)冷加水冷情況下的冷卻液溫度分布

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模擬霧化網(wǎng)利用高速風(fēng)霧化的情形，測(cè)量不同網(wǎng)孔直徑的金屬網(wǎng)在進(jìn)行霧化的過程中空氣濕度的變化來進(jìn)行分析。加工了4塊金屬網(wǎng)孔徑分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的金屬網(wǎng)，利用吹風(fēng)機(jī)獲得較大風(fēng)力進(jìn)行高速風(fēng)的模擬。利用滴管供水，在金屬網(wǎng)上形成水膜，用高速風(fēng)吹破形成水霧。整個(gè)過程中用濕度計(jì)測(cè)量環(huán)境濕度的變化，對(duì)4個(gè)金屬網(wǎng)分組進(jìn)行比較。

在測(cè)量濕度的過程中先測(cè)出周圍環(huán)境的相對(duì)濕度為59%，實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)速穩(wěn)定在（10±0.5）m/s，并且之后每組進(jìn)行試驗(yàn)后都要等到濕度計(jì)數(shù)值恢復(fù)到59%之后在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最后測(cè)得數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以看出，霧化網(wǎng)孔直徑在3～4 mm時(shí)效果最佳。

6 總結(jié)與展望

本裝置將平時(shí)浪費(fèi)的車載空調(diào)冷凝水合理利用，用來控制散熱器的溫度，實(shí)現(xiàn)在保證制冷效果的同時(shí)，降低了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗。其可以廣泛用于各種車型，比如私家車、貨車、公共交通車輛等，均可在炎熱天氣的車載空調(diào)工作中發(fā)揮可觀的節(jié)能減排效益。

本裝置具有的成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，這將使本裝置在當(dāng)前綠色環(huán)保領(lǐng)域中占據(jù)一席之地，發(fā)揮出重要的作用。