變工況條件下微通道蒸發器換熱特性實驗研究

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

變工況條件下微通道蒸發器換熱特性實驗研究

周國梁 蘇 林 吳龍兵 黃俊鋒

(上海理工大學能源與動力工程學院上海200093)

微通道蒸發器由于緊湊、換熱效果好等優點越來越多應用于汽車空調當中，但存在制冷劑分配不均導致換熱效果衰減等問題而限制了大量推廣，因此研究微通道蒸發器換熱特性及如何改善其制冷劑分布均勻性顯得重要。本文搭建了以R134a為制冷劑的汽車空調實驗測試臺，分析了雙排四流程微通道蒸發器的換熱量及損，利用紅外熱像儀拍攝蒸發器表面得到表面溫度分布圖像。隨著蒸發器進風溫度由21 ℃升高到42 ℃，制冷量由2.37 kW增加到4.19 kW，而蒸發器損先增加后減小，并在進風溫度為27 ℃與進風溫度為42 ℃時達到最大值與最小值，分別為0.21 kW與0.16 kW。表征蒸發器表面溫度分布均勻性的σ值隨進風溫度先由2.5增至19.5然后降至1.8，即蒸發器表面溫度在進風溫度為27 ℃時分布最不均勻，而在進風溫度為42 ℃時分布最均勻。結果表明：較高的蒸發器進風溫度能有效改善蒸發器換熱性能，損及σ值可分別減小26.1%與91.0%。通過實驗發現，適當提高壓縮機轉速能有效改善蒸發器表面溫度分布的均勻性。

汽車空調；微通道蒸發器；溫度場；換熱特性

微通道換熱器由于體積小、重量輕、換熱效果好、制冷劑側壓降低等優點得到廣泛應用[1]，但用作蒸發器時，由于其結構特性及進入的制冷劑為氣液兩相狀態而存在氣液兩相分配不均導致換熱效果衰減的問題[2]，許多模擬及實驗結果表明由于微通道蒸發器內制冷劑分配不均導致的換熱效果衰減可達5%～23%[3-5]。影響微通道蒸發器換熱特性的因素可以歸結為兩類：結構因素和運行工況[6]。大量學者對結構因素影響微通道蒸發器換熱特性進行了研究。

嚴瑞東等[7]研究了R22為制冷劑的家用空調中三種不同流程微通道換熱器作為蒸發器及冷凝器的換熱特性，發現四流程的微通道蒸發器較二、三流程的蒸發器制冷劑分配更均勻，且溫度分布不均對系統的制冷性能影響可達3.5%。王穎等[8]將微通道蒸發器引入3 HP柜式家用空調，并對系統性能和充注量等進行了對比研究。實驗結果表明：將原管翅片蒸發器替換為微通道蒸發器后，當微通道換熱器翅片間距為1.4 mm時，系統性能達到最優，與原機相比，系統充注量降低15.9%，制冷量基本相當，制冷EER提高2.2%。趙宇等[9]對R134a為制冷劑不同流程的微通道平行流蒸發器進行了仿真與實驗研究，結果表明二流程設計比四流程設計具有更好的傳熱與壓降特性。J. Y. Shi等[10]研究了使用R134a作為制冷劑的汽車空調中不同集液管結構的兩流程微通道蒸發器表面溫度的分布，并得出合理的集液管結構可以在最低出風溫度下得到最佳制冷量的結論。H. F. Tuo 等[11]進行了單流程微通道蒸發器的換熱特性實驗與模擬研究，結果表明增大蒸發出口集液管的尺寸、增加蒸發器微通道扁管長度與寬度的比值可以減少制冷劑的壓降，提高蒸發器換熱效率。

從蒸發器結構方面研究蒸發器換熱特性的文章較多，但是從運行工況方面研究制冷劑為R134a的微通道蒸發器換熱特性的文章相對較少。為此本文搭建了使用微通道蒸發器的電動汽車空調實驗系統，對不同蒸發器進風溫度下蒸發器的損進行分析，利用高分辨率紅外攝像儀拍攝蒸發器表面得到其表面溫度分布研究換熱特性，并提出改善蒸發器表面溫度分布均勻性的方法。

1 實驗裝置和方法

1.1實驗裝置

如圖1所示，實驗在空調焓差實驗臺進行，實驗臺包含室內和室外側兩個環境室，并通過單獨的制冷系統和加熱加濕系統控制環境狀態。

圖1 實驗裝置及測試系統原理Fig.1 The principle of the test facility

在汽車空調系統各個測點布置鉑電阻與壓力傳感器來測量制冷劑側的溫度和壓力，科式質量流量計用來測量制冷劑流量，功率計測量消耗的功率，電壓表與電流表測量壓縮機的運行電壓與電流，各測量精度如表1所示，通過計算機軟件進行數據采集和處理。使用的紅外熱像儀型號為FLIR A615，分辨率為640×480像素，熱靈敏度<50 mK，精度為±2 ℃。

表1 實驗臺主要參數測量精度Tab.1 Measured parameters and the precision

實驗中使用的壓縮機為車用電動渦旋式壓縮機，供電電壓為直流380 V，轉速調節范圍為1 000～4 000 r/min,使用自帶的24 V低壓直流控制器進行轉速的調節。

冷凝器為單排兩流程微通道平行流冷凝器，外形尺寸為：240 mm(W)×350 mm(H)×20 mm(D)，節流閥為車用H型膨脹閥，制冷劑為R134a。蒸發器為車用雙排四流程微通道蒸發器，外形尺寸為：270 mm(W)×140 mm(H)×40 mm(D)，每排微通道扁管數為42，流程布置為18-24-18-24，如圖2 所示。

1.2實驗方法

為了方便排除蒸發器表面的冷凝水，將蒸發器的集液管水平放置，制冷劑為上進上出。實驗時保持壓縮機轉速為2 500 r/min且不改變其他條件，只改變蒸發器進風溫度，研究蒸發器進風溫度對蒸發器表面溫度分布的影響。實驗工況參考QC/T 657—2000《汽車空調制冷裝置試驗方法》[12]及GB/T 21361—2008 《汽車用空調器》[13]，如表2所示。

圖2 微通道蒸發器實物圖及示意圖Fig.2 Physical and schematic diagram of microchannel evaporator

表2 實驗工況Tab.2 Test conditions

根據圖1，系統制冷劑側的制冷量可按公式(1)計算：

Qref=mref(h5-h4)

(1)

系統的EER則按公式(2)計算：

(2)

(3)

式中：mref為制冷劑的質量流量，kg/h；h為制冷劑不同狀態點的焓值，kJ/kg；S為制冷劑不同狀態點的熵值，kJ/(kg·K)；T0為環境溫度，℃；Tout為蒸發器出風溫度,℃；Wcomp為壓縮機功率，kW。

定義表示換熱器表面溫度分布均勻程度的參數σ[7], 計算方法為將蒸發器表面溫度分布圖進行網格劃分，得到每個網格內的平均溫度，將得到的所有網格內的平均溫度求方差，得到的值即為σ，計算公式為：

(4)

式中：n為網格劃分個數；Tn為每個網格內的平均溫度，℃；Tavg為T1,T2,…Tn的平均值。σ值越小表示溫度分布越均勻。

2 實驗結果及分析

2.1蒸發器進風溫度對系統性能的影響

蒸發器進風溫度為27 ℃時系統實際循環的壓-焓圖如圖3所示。

圖3 蒸發器進風溫度為27 ℃時系統循環的壓-焓圖Fig.3 The system p-h diagram at inlet air 27 ℃

該工況條件下，壓縮機吸排氣壓力分別為0.23 MPa與0.87 MPa, 吸排氣溫度分別為12.5 ℃與66.3 ℃，制冷劑質量流量為56.9 kg/h,蒸發器平均出風溫度為14.0 ℃，系統循環各點的參數(焓值、熵值、干度等)從壓-焓圖中得到，其他工況的壓-焓圖根據實驗數據與圖3類似。

蒸發器進風溫度對系統的制冷量、壓縮機功耗及EER的影響如圖4所示。隨著蒸發器進風溫度的升高，制冷量與壓縮機功耗都相應增加。蒸發器進風溫度為42 ℃時的制冷量與壓縮機功耗比蒸發器進風溫度為27 ℃時的分別高43.3%與22.4%。這是由于蒸發器進風溫度升高，相應的熱負荷增加，蒸發溫度和蒸發壓力升高，系統產生更多的制冷量與功耗。而系統的EER隨著蒸發器的進風溫度升高也提高，蒸發器進風溫度為42 ℃時的EER較蒸發器進風溫度為27 ℃時提高了26.9%，這是因為制冷量的增加率高于壓縮機功耗增加率。

圖4 制冷量、壓縮機功耗及EER隨蒸發器進風溫度的變化Fig.4 Variations in cooling capacity, compressor work and EER with inlet air temperature

2.2蒸發器進風溫度對蒸發器損的影響

圖5 蒸發器損及其與制冷量的占比隨著蒸發器進風溫度的變化Fig.5 The rate of exergy destruction and exergy destruction per unit capacity by evaporator as a function of inlet air temperature

2.3蒸發器進風溫度對蒸發器表面溫度分布的影響

由于雙排蒸發器實驗中有一排置于風洞中無法直接拍攝，為此只能得到其朝外一排蒸發器的表面溫度分布，但是每排的流程布置相同，因此每排蒸發器表面溫度分布情況相似，其中一排的表面溫度分布仍然可以反映該蒸發器的整體表面溫度分布情況。本文將得到蒸發器表面溫度分布圖像劃分為6×6的網格，不同蒸發器送風溫度(Tin)下的蒸發器表面溫度分布如圖6所示。

從圖中可以看出，蒸發器表面中間區域出現明顯的亮條(溫度較高區域)，說明該區域液態制冷劑較少，存在大量氣態制冷劑，該區域幾乎沒有制冷效果。蒸發器送風溫度從21 ℃升到42 ℃，蒸發器表面出現亮條的區域先是擴大然后減小，在進風溫度為42 ℃時亮條區域面積最小，各個蒸發器送風溫度對應的σ值如圖7所示。

在進風溫度為21、39、42 ℃時的σ值分別為2.5、3.0、1.8，而其他進風溫度對應的σ值都超過了10.0，蒸發器內存在嚴重的制冷劑分配不均問題，該蒸發器只有在較低進風溫度和較高進風溫度時的表面溫度較均勻。為了解釋這些現象，將蒸發器內制冷劑的分布如圖8所示。

圖6 蒸發器表面溫度分布隨蒸發器進風溫度變化關系Fig.6 Variations in the temperature distribution of the evaporator surface with inlet air temperature

圖7 σ值隨蒸發器進風溫度的變化Fig.7 Variations in the parameter σ with inlet air temperature

圖8 蒸發器內制冷劑分布Fig.8 The refrigerant distribution in evaporator

制冷劑經過膨脹閥節流后成為氣液兩相流體，與液態制冷劑相比，氣態制冷劑擁有更小的密度及更快的流動速度，當氣液兩相制冷劑從上方進入蒸發器的水平集液管，由于重力的原因，液態制冷劑密度大更容易進入靠近進口處的垂直扁管且使得氣液態制冷劑進行分層，導致蒸發器表面溫度分布不均，第一流程氣態制冷劑主要集中在后排扁管中。制冷劑進入下方水平集液管后，制冷劑為分層流，液體在下氣體在上，由于慣性力的作用使得液態制冷劑向前沖，由于氣態制冷劑密度小更容易上升進入垂直扁管，在第二流程氣態制冷劑則主要集中在靠近擋板的前排垂直扁管中，導致蒸發器表面中間區域垂直扁管存在大量氣態制冷劑，使得該區域幾乎沒有液態制冷劑蒸發吸熱，因此在紅外圖像上該區域顯示為亮條。蒸發器內制冷劑分配不均主要受兩種類型制冷劑壓降影響：1)微通道扁管內制冷劑的壓降；2)集液管內制冷劑壓降。這兩種類型的制冷劑壓降皆與氣液態制冷劑在蒸發器內的摩擦阻力、加速阻力有關，因此影響蒸發器表面溫度分布的主要因素有兩個，一為進入各微通道扁管內制冷劑的干度，二為制冷劑質量流量。進入微通道內扁管的液態制冷劑占比越大，蒸發器表面溫度分布越均勻，制冷劑質量流量越大，制冷劑流速越高，液態制冷劑慣性力越大，氣態制冷劑摩擦阻力越大，使得氣液態制冷劑更不易分離，也使得蒸發器表面溫度分布越均勻。該實驗系統蒸發器進口制冷劑的干度及氣液體的質量流量隨蒸發器進風溫度變化如圖9所示。

圖9 蒸發器進口制冷劑的干度及氣液體的質量流量隨進風溫度變化關系Fig.9 Variations in inlet quality and the mass flow of gas and liquid refrigerant with inlet air temperature

從圖中可以看出，隨著蒸發器進風溫度的升高，蒸發器進口制冷劑干度雖然逐漸減小，氣態制冷劑和液態制冷劑流量逐漸增加，但是各微通道扁管內的制冷劑干度變化卻不同[15-17]。蒸發器進風溫度從21 ℃增加到27 ℃，制冷劑質量流量變化不大，集液管的壓降變大使得更多制冷劑液體進入離入口較近的微通道扁管中，蒸發器表面亮條區域變大，σ值變大。而蒸發器進風溫度從27 ℃增加到42 ℃，制冷劑質量流量增加較多，制冷劑的流速得到提升，此時雖然集液管壓降增加，但是氣液態制冷劑更不易分離，各微通道扁管內的制冷劑質量流量分布較均勻，蒸發器表面的亮條區域逐漸減小，σ值相應變小。因此，蒸發器進風溫度對蒸發器的表面溫度分布存在影響，間接導致蒸發器的出風溫度的不均勻，這也解釋了蒸發器在不同進風溫度時損變化的特性。鑒于該微通道蒸發器存在嚴重制冷劑分配不均的問題，而蒸發器進風溫度較高時損及σ值都較小，那么可以通過調節汽車空調蒸發器的新風與回風的比例，適當提高蒸發器進風溫度來改善微通道蒸發器的換熱效果。

2.4改善蒸發器表面溫度分布均勻性的方法

適當增加流經蒸發器的制冷劑質量流量，從而提高制冷劑的流速，氣液態制冷劑更不容易分離，制冷劑能夠更好的分配到各個微通道扁管，使得微通道扁管內制冷劑分配更加均勻，從而改善微通道蒸發器表面溫度分布的均勻性。而本文中，蒸發器進風溫度為27 ℃時，蒸發器表面溫度分布最不均勻，為此在該工況條件下保持其他條件不變，通過適當提高壓縮機轉速來提高流經蒸發器的制冷劑質量流量。將壓縮機轉速由原來的2 500 r/min分別提高到3 250 r/min與4 000 r/min進行了實驗，制冷劑質量流量由56.9 kg/h提高到67.6 kg/h與84.5 kg/h，對應的蒸發器表面溫度分布如圖10所示。

圖10 蒸發器表面溫度分布隨壓縮機轉速的變化關系Fig.10 Variations in the temperature distribution of the evaporator surface with compressor speed

從圖中可以看出，隨著壓縮機轉速的提高，σ值由原來的19.5減小為15.2以及3.6，在壓縮機轉速為3 250 r/min與4 000 r/min時，σ值分別減小了22.1%與81.5%，蒸發器表面紅色亮條區域大幅度減少，整體表面溫度分布較為均勻。結果表明，適當提高壓縮機的轉速能有效改善蒸發器表面溫度分布均勻性。

3 結論

本文通過R134a為制冷劑的汽車空調實驗測試臺研究了雙排四流程微通道蒸發器的換熱特性。對蒸發器損進行分析并利用紅外熱像儀拍攝得到蒸發器表面溫度分布圖像，研究了蒸發器進風溫度對微通道蒸發器換熱性能的影響，并提出了相應改善蒸發器表面分布均勻性的方法，得到如下結論：

1)與本文類似的雙排四流程微通道蒸發器由于氣態和液態制冷劑不同的密度及重力的影響，使得制冷劑在微通道扁管內分配不均，蒸發器中間部分區域微通道扁管內缺少液態制冷劑，該區域幾乎沒有制冷效果，在紅外圖像中呈現為亮條。

2)壓縮機轉速保持2 500 r/min不變，隨著蒸發器進風溫度由21 ℃升高到42 ℃，蒸發器制冷量由2.37 kW增加到4.19 kW，系統EER由 3.82增加到 5.33，而蒸發器的損與表征蒸發器表面溫度分布均勻性參數σ值則是先增大后減小，并在蒸發器進風溫度為27 ℃與進風溫度為42 ℃時達到最大與最小值，分別為0.21 kW與0.16 kW以及19.5與1.8。較高的蒸發器進風溫度可以分別減少蒸發器26.07%與87.16%的損和σ值，說明蒸發器進風溫度對蒸發器換熱性能存在較大影響。

3)適當提高壓縮機轉速能有效改善蒸發器表面溫度分布的均勻性。本文中，蒸發器進風溫度為27 ℃時，壓縮機轉速由2 500 r/min提高到3 250 r/min與4 000 r/min,σ值分別減小了22.1%與81.5%。

本文受上海市重點學科建設項目(S30503)資助。(The project was supported by Shanghai Municipal Key Discipline Project (No. S30503).)

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Aboutthecorrespondingauthor

Su Lin, male, professor, Ph.D. adviser, School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, +86 13656552001,E-mail:linsu@usst.edu.cn. Research fields:automotive thermal management, vehicle air-conditioning and heat pump technologies, and vehicle heat exchangers.

ExperimentalResearchonHeatTransferCharacteristicsofMicrochannelEvaporatorunderVariableConditions

Zhou Guoliang Su Lin Wu Longbing Huang Junfeng

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

In automotive air conditioning applications, parallel flow microchannel evaporators have become increasingly attractive owing to their compactness and high thermal performance per unit weight. However, a misdistribution of the refrigerant among the parallel microchannel tubes deteriorates the heat transfer performance of a microchannel evaporator and limites extensive promotion. Therefore, it is important to study the heat transfer characteristics of microchannel evaporator and how to improve the uniformity of refrigerant distribution. In this paper, an automotive air-conditioning test bench with R134a as refrigerant was set up. First, the heat transfer and exergy loss of the double-row and four-pass microchannel evaporator were analyzed. Then the surface of the evaporator is photographed by infrared camera Distribution image. As the evaporator inlet temperature increased from 21 ℃ to 42 ℃, the cooling capacity increased from 2.37 kW to 4.19 kW, while the evaporator exergy loss increased first and then decreased. And the exergy loss of the evaporator first increases and reaches a peak of 0.21 kW as the inlet air reaches 27 ℃, then decreases to a minimum value of 0.16 kW as the inlet air reaches 42 ℃. Theσvalue which represents the surface temperature distribution uniformity of the evaporator increases from 2.5 to 19.5 as the inlet air increases from 21 ℃ to 27 ℃. When the inlet air is 42 ℃, the value ofσdecreases to 1.8. The surface temperature of the evaporator is the most uneven when the inlet air temperature is 27 ℃, and is most uniform when the inlet air temperature is 42 ℃. Therefore, the performance of the evaporator can be improved effectively at a relatively high air inlet temperature, and the rate of exergy loss and the value ofσdecrease by 26.1% and 91.0%, respectively. Moreover, properly increase the compressor speed can effectively improve the surface temperature distribution uniformity of the evaporator.

automotive air-conditioning; microchannel evaporator; temperature field; heat transfer characteristics

0253- 4339(2017) 04- 0087- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.04.087

2016年10月18日

TB657.5;TB61+1

： A

蘇林,男，教授，博士生導師，上海理工大學能源與動力工程學院，13656552001，E-mail:linsu@usst.edu.cn。研究方向：汽車熱管理，車用空調與熱泵技術， 車用熱交換器。