HVAC蒸發器芯體流動均勻性及空調流道設計的研究

許振華　祖潤青　吳遠培　馬建文（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北　保定　071000）

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HVAC蒸發器芯體流動均勻性及空調流道設計的研究

許振華祖潤青吳遠培馬建文
（長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

摘要：隨著汽車舒適性的提高和節能減排的需要，蒸發器表面風速均勻性已成為提高空調制冷效率的重要因素。本論文對蒸發器風速均勻性提出了判定方法和指標建議，同時根據以往經驗對前期流道設計提出建議，為今后的空調設計提供參考。

關鍵詞：空調系統；蒸發器；流動均勻性；流道優化

制冷系統發展到現在，從冷凍冷藏和家用空調的降溫與保溫到汽車的制冷制熱的需求，制冷技術越來越成為人們生活中不可或缺的一部分。而對于汽車空調來說，空調控制系統的精確和制冷系統的持久與穩定是目前的研究重點。蒸發器是汽車空調中十分重要部件，低溫的冷媒經過蒸發器與外界進行熱交換，汽化吸熱，達到制冷的效果。由于汽車空調的放置空間緊湊，目前蒸發器主要以微通道換熱器為主，它具有結構緊湊、傳熱系數高、質量輕、制冷劑充注量少、制冷劑側和空氣流動阻力小、便于安裝、堅固耐用、運行可靠等特點，但平行流蒸發器的緊湊結構如果設計過程中沒有充分考慮其流動性，就會影響其工作效率。空調系統在進行換熱過程中，影響流動性能的因素主要有濾芯的布置位置、蝸殼與蒸發器前殼體連接方式、蒸發器前殼體外形、風機與蒸發器芯體的相對位置等，本文對這四個因素進行一些前期的設計建議，避免因為前期設計的考慮不足，影響蒸發器的換熱效率，減少汽車空調整體的使用壽命。

1 流動均勻性的研究

Gamma值法

研究HVAC蒸發器芯體流動均勻性，必須要對流動均勻性有一個系統的評判標準，以便可以通過數值的、直觀的對比，篩選出最合理的設計方案。本文采用的是Gamma值法，通過均勻性指數來判定流體的均勻程度，均勻性指數的公式為：

其中，γ為均勻性指數，變化值在0 與1之間，1表示理想狀態下的均勻性，0表示只通過單個通道；

Wi是節點單元的速度；

Wmean是平均速度

指定面上的單元節點數目；

Ai為單元網格面積，A為有效面積。

顯然，這里用均方差定義的均勻性指數能夠更加全面、合理地反映整個載體截面的流動分布特性。

圖1　空調箱1（兩箱空調 為0.85）

圖2　空調箱2（兩箱空調 為0.86）

圖3　空調箱3（兩箱空調 為0.76）

圖4　空調箱4（中置空調為0.95）

圖5　空調箱5（中置空調 為0.92）

圖6　空調箱6（中置空調 為0.90）

圖7

圖8

圖9

圖10

2 通過幾組HVAC總成 CFD分析數據進行Gamma值分析（圖1~圖6）

從目前的設計經驗來看，通常情況下，空調箱蒸發器芯體的Gamma值在0.76 ～0.95。濾芯布置在蒸發器芯體與風機之間時，蒸發器芯體表面的流動均勻性相對更高一些，如空調箱4、5。

3 提升蒸發器芯體流動均勻性的常用方法

3.1 在空間允許的情況下，將濾芯盡量布置在蝸殼出口與蒸發器芯體之間。因為濾芯本身具有一定的整流作用，可使氣流在濾芯的作用下達到均勻流動的目的。如圖7所示布置。

3.2 在空間、結構等允許的前提下，蝸殼與蒸發器前殼體的位置關系盡量如圖中虛線所示，這樣的布置關系，可以有利于風機出來的氣體更好的散開，從而使得流到蒸發器表面的氣流更加均勻。

3.3 蒸發器芯體前殼體外形可盡量做成階梯狀，通過階梯形狀的組合，使得風機吹出的氣流在到達蒸發器芯體前局部區域減速，從而提高蒸發器芯體的流動均勻性。

3.4 在空間允許的情況下，盡量將風機和芯體放置在同一水平線上，避免風機與蒸發器芯體的相對位置之間存在扭轉關系。

4 流道設計的常用方法

HVAC過渡流道的設計需要考慮：

（a）過渡流道與HVAC殼體的匹配連接，從而使HVAC殼體流出的氣流盡量少的在過渡流道內形成漩渦，造成過大的壓損；

（b）在空間允許的情況下，與風管、HVAC的連接關系中，盡可能不要出現扭曲造型；

（c）結合HVAC內部氣流的流動、后段風管及流量分配要求對過渡風管的管徑、管型等進行合理設計。

具體設計方式如下：

4.1 根據流量分配要求，在過渡流道中可設置一些隔板，通過隔板的分布來滿足流量分配要求。隔板的分布可大致按照流量分配比例，兩側可在流量分配比例基礎上再放大一些；

4.2 在空間、結構等允許的前提下，盡量避免流道拐彎，增大過渡圓角（如圖10所示）等，可以有利于減小系統的壓損；

4.3 考慮HVAC本體與過渡流道連接處的結構，盡量使得HVAC與過渡流道之間的連接更為流暢，從而減小低速區的產生，使得整個HVAC的壓損更小。

結論與展望

利用CFD分析對蒸發器風速均勻性的分析為，蒸發器性能充分發揮和提高性能，提供有效的解決方案，通過對現有空調箱分析，我們今后在設計空調箱時，要考慮蒸發器均勻性指標，建議指標對于兩箱或三箱空調r值要大于0.85，對于中置式空調r值要大于9.0。

參考文獻

[1]帥石金，王建昕，莊人雋.車用催化轉化器內氣體的流動均勻性[M].清華大學學報（自然科學版），2000，40（05）.

[2]李坦，靳世平，黃素逸，劉偉.流場速度分布均勻性評價指標比較與應用研究[J].熱力發電，2013.

中圖分類號：TK121

文獻標識碼：A