冷凝器的性能優化設計研究

徐智雄 張麗英

法雷奧發動機冷卻（佛山）有限公司研發部 廣東省佛山市 528137

1 引言

在目前市場上大部分乘用車空調系統中，對制冷系統起著關鍵決定作用的熱交換器就是風冷式冷凝器。風冷式冷凝器一般放置在汽車前端模塊的最前端，發動機散熱器的前面。其熱交換的性能直接影響到制冷系統的制冷能力，壓縮機的能耗以及整個空調的能效。冷凝器的作用就是對從汽車壓縮機排出的高溫高壓的氣態制冷劑進行散熱降溫，使之凝結成液態的高壓制冷劑排出。其中儲液干燥瓶使得進入干燥瓶的汽液兩相的制冷劑進行汽液分離和干燥過濾，再通過冷凝器的過冷區的散熱降溫進一步過冷，使制冷劑變成100%液體離開冷凝器。本研究主要是基于熱行為理論和流體力學的實驗數據為基礎，對冷凝器在不同流程設計（2流程和4流程）的對比，用Dymola仿真軟件模擬分析對散熱性能的影響，進行評估和分析各自的優缺點。還通過兩種流程設計的逆流式冷凝器樣品的實際實驗對比，得出在不同流程下對回油率和充注平臺的長度的最佳設計方案（所有實驗和模擬都是使用R-134a制冷劑進行）。

2 冷凝器的設計現狀

冷凝器主要分為三個區域，如下圖1所示，過熱區，冷凝區和過冷區。在目前的汽車行業，接頭在同側的情況中，流程設計主要分為2流程和4流程兩種。對于2流程的冷凝器，第一流程為過熱區和冷凝區，第二流程為過冷區。對于4流程的冷凝器，第一流程為過熱區，第二和第三流程為冷凝區，第四流程為過冷區。2流程和4流程的設計目的都是為了將進入前的冷媒進行充分換熱，從氣態變成汽液態，再經過干燥和汽液分離，最后在過冷區進一步散熱，從出口排出。

如下圖1的焓圖和冷凝器所示。

3 兩種流程設計的模擬對比實驗

針對冷凝器的2流程和4流程的設計，我們運用Dymola性能模擬軟件，對同樣的散熱面積 OA X LF的42排管，以定冷媒入口壓力溫度和定過冷度情況下，用最優的管子數量進行性能對比，如圖2。

（2流程：17/11/7/7 VS 4流程35/7）

從模擬結果得出結論是：

功率：中高風速下，兩種流程都很接近。

風阻：在換熱的情況下不同風速下，兩種流程風阻幾乎一樣。

圖1

出口溫度：4流程的在不同風速下，優于2流程。

冷媒流阻：2流程的在不同風速下，優于4流程

從以上結果來看，4流程的優勢是冷媒的出口溫度低。2流程的優勢是內阻壓降較小的。但是從系統上應該如何選擇呢？我們一起從空調系統的COP系數來對比一下。

4 流程設計對空調系統性能系數的影響

我們用上述的兩款冷凝器，用同樣的測試工況進行性能測試，并計算 2流程和4流程的COP性能系數。

（注：COP： 性能系數，用于評價系統的能效。Coefficient of performance，allows evaluating the system energy efficiency.）

2流程(2P)VS 4流程(4P)的COP測試結果如下圖3所示。

對于2流程和4流程冷凝器來說，兩者在同樣的工況下，功率都是相差無幾，而4流程的內部壓降明顯要大于2流程的1倍左右，但是對于整個冷卻系統來說，4流程的冷凝器有較低的出口溫度，換熱更加充分。所以4流程的COP性能系數明顯要比2流程的冷凝器要稍高。綜合來說4流程的冷凝器在空調系統性能表現方面更加出色。

圖2

圖3

5 流程和結構設計對充注平臺長度的影響

我們拿上述同樣的42排管的逆流式冷凝器作為研究對象，通過做實物樣品進行實際實驗對比。

要求是在過冷度區間8～12K下，達到135g的充注平臺長度（測試冷媒為R134a）測試工況如下：

冷凝器工況：TAKI =40℃；HAKI=0% r.H；MAKI ＞=2000kg/h

蒸發器工況TAEI =40℃；HAEI =40%r.H；MAEI ＞=540 kg/h

壓縮機工況：在充注平臺下，壓縮機最少流量達到170kg/h

初始設計方案是2流程：36排+6排過冷區

根據圖4的測試結果可知：

充注平臺長度：112，5[g]，過冷區間：9，5-10，5K對比要求結果135g，還需要增加22.5g。

由于有固定邊界的位置的限制，不能改變冷凝器的外形尺寸和干燥瓶的直徑。只能進行內部結構和流程的優化。

通過對比分析結果和設計經驗，增加過冷區的流程的數量更有利于提高過冷度和降低內阻。所以我們增加1排管作為過冷區，流程分布從36排管+6排管過冷區變為35排管+7排管過冷區。同時，為了進一步降低內阻，提高了冷凝器的冷媒的流量，我們在干燥瓶進口的設計上進行優化，把干燥瓶進口的孔的面積增加1倍，把圓孔的設計變成長橢圓孔。

而且我們知道干燥瓶的有效容積對于充注平臺的長度是一個重要的關鍵因數。影響干燥瓶容積的內部零部件有：干燥包，過濾網，密封堵頭和內跳管。我們可以在滿足吸濕性能的前提下適當減少干燥劑的總量，減少堵頭的體積可以增大干燥瓶有效容積。

最后優化完成后，我們再進行一次實際樣件測試。

測試結果如上圖5：

充注平臺長度：135[g]，過冷區間：11，5-12K

滿足要求的135g充注平臺長度，優化設計成功！

6 流程和結構設計對油殘留量的影響

我們上述同款的42排管的逆流式冷凝器作為研究對象，對比2流程冷凝器和4流程冷凝器對油殘留量的影響，我們通過做實物樣品進行實際實驗對比。如下圖6：

要求是在規定的工況下，冷凝器在最低的載荷點時，對比2流程和4流程的油殘留量。

在同樣的工況如下，固定測試樣品在空調回路中，-在下述工況下運行回路3小時，-關閉壓縮機同時關閉進出口接頭的閥體開關， 打開冷凝器的出口以每5秒1bar最大的速度緩慢釋放冷媒，至完全釋放。 從回路中拆下冷凝器，測量其最后的重量。

1＞測量工況先測試2流程冷凝器的油殘留量。

實驗結果顯示，2流道的油殘留量為94.5g。（殘留量比較大）

2＞我們再以同樣的工況測試4流程冷凝器的油殘留量。

實驗結果顯示，4流程的油殘留量為53.8g。對比2流程的94.5g，4流程明顯減少了40.7g（有43%的減少）。從實驗結果可見，4流程的逆流式冷凝器在回油率方面明顯優于2流程的逆流式冷凝器。原因為何？

如圖7熱成像圖可見在2流程的熱成像圖中，可見冷媒從進口進入冷凝器后，直接通過最上面的幾排管到達干燥瓶端的集液管后，再向下流。壓縮機油會在冷凝器最底部集聚最后形成堆積區，難以通過干燥瓶回到回路中。這就是2流程逆流式冷凝器回油率低的原因。

圖4

圖5

圖6

圖7

7 結語

對于2流程和4流程的冷凝器在同樣的工況下，功率都是不相伯仲，但是4流程的冷凝器冷媒的出口溫度更低，2流程的冷凝器部壓降更小。但是對于整個空調系統來說，4流程的冷凝器COP性能系數要比2流程的冷凝器要稍高。綜合來說4流程的冷凝器在空調系統中表現方面更加出色。

對于冷凝器的充注平臺長度來說，我們可以優化過冷區的管子數量和內部孔的設計來實現增加充注平臺長度。還可以在干燥瓶的內部結構設計上提高干燥瓶有效容積來實現。

對于增大冷凝器的回油率和減少內部油殘留，我們可以通過流程優化設計讓集聚在底部的壓縮機油和冷媒一起通過干燥瓶進去過冷區進行優化，實驗證明在逆流的冷凝器中，4流程的冷凝器回油率明顯由于2流程的冷凝器。