平行流蒸發器分流板分流特性對蒸發器性能和出風溫度的影響分析

郭盼盼，潘云仙，吉紅云，文校方，蘇明旭，

?

平行流蒸發器分流板分流特性對蒸發器性能和出風溫度的影響分析

郭盼盼*1，潘云仙1，吉紅云1，文校方1，蘇明旭2，

（1-上海馬勒熱系統有限公司，上海 201206；2-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

平行流蒸發器內氣液兩相在扁管中的流量特性對換熱性能有較大影響，實驗研究了汽車空調平行流蒸發器改變氣液兩相流量特性對性能和出風溫度的影響規律。結果表明：通過在蒸發器集液管中設置分流板，可以有效地改善制冷劑在內部流量分配特性，提高制冷性能和出風溫度場的均勻性；在一定范圍內通過增加分流板開孔數量和開孔面積優化流量特性，可以進一步提高制冷性能并降低制冷劑壓降，改善出風溫度的均勻性。在高風量工況下，制冷量最大可提高10%，表面溫差在2.6 ℃~4.6 ℃之間，實現汽車空調的高效、舒適運行。

平行流蒸發器；兩相流；散熱性能；溫度場

0 引言

隨著人們對乘車環境要求的提高，越來越多的汽車裝配有空調系統，同時也對汽車空調部件和系統提出了環保、節能、溫度舒適等更高的要求。蒸發器作為空調系統中關鍵而復雜的部件[1]，其結構緊湊，性能高效并影響系統出風口溫度變化。制冷劑以氣液兩相狀態在內部空間平行流動并完成蒸發制冷效果[2]，外部伴有凝結水生產和排出，蒸發器的換熱性能對空調系統的穩定運行[3]以及人體舒適度有決定性的作用。學者對蒸發器的理論研究主要集中在空氣冷卻過程冷凝水以及強化傳熱問題上[4-8]。制冷劑在微通道蒸發器內的流量分配均勻性直接影響著蒸發器的換熱性能，流量分配不均會導致某些扁管內的制冷劑提前全部轉變為氣態，出現“干蒸”現象，而另一些扁管內的制冷劑過量，來不及全部轉變為蒸汽，出現“供液過多”的現象，使得蒸發器的換熱面積不能有效利用，引起出風溫度場分布不均，從而換熱性能降低。李夔寧等[9]以空氣-水實驗研究了支管尺寸和流體的入口位置對流量分配的影響，認為增加管徑不能改善流量分配的均勻性，而流體的入口位置布置在集液管中間有利于液體流量在各支管內分配均勻；KIM等[10]研究了集液管幾何形狀和Reynolds數對流量分配的影響，發現矩形集液管的流量分配最均勻，且不受Reynolds數變化的影響；考慮到汽車空調系統對空間尺寸、風機壓降以及系統出風口溫度均勻性等要求，通過研究平行流蒸發器內部氣液兩相流量分配特性[11-12]對提高換熱性能以及空調系統出風口溫度分布均勻性有重要的應用意義，但目前關于此方面的實驗研究報道較少。因此本文通過改變蒸發器結構設計，實驗研究了汽車空調平行流蒸發器氣液兩相流量特性對換熱性能和出風口溫度場的影響,對提高空調制冷性能和人體舒適度提供了新的優化途徑。

1 實驗原理和裝置

1.1 平行流蒸發器結構和工作原理

汽車空調平行流蒸發器的結構原理如圖1所示，有集液管、扁管、百葉窗翅片、分流板、堵帽組成，其中扁管和百葉窗翅片組成了換熱基本單元。集液管和分流板的作用是對制冷劑進行匯集和分流，使各扁管內冷媒流量趨于均勻，實現換熱效率的提高和出風溫度的均勻。

平行流蒸發器由雙排扁管構成，根據制冷劑流程分為兩流程、四流程、六流程結構設計，本文選取四流程平行流蒸發器為研究對象，制冷劑在蒸發器內的流動如圖2所示。為了保護壓縮機不發生液擊，使系統穩定可靠持久運行，蒸發器出口一般具有3 ℃~5 ℃的過熱度，使出口為單向氣態。制冷劑在平行流蒸發器內蒸發制冷時表面溫度低于空氣露點溫度使空氣中的水冷凝，為使冷凝水及時排出以提高換熱性能，故平行流蒸發器均采用集液管上下水平放置，氣液兩相狀態的制冷劑在豎直扁管內上下流動。本文研究對象蒸發器的幾何結構參數如表1所示。

圖1 平行流蒸發器結構原理

圖2 平行流蒸發器制冷劑流向示意圖

表1 蒸發器幾何參數

蒸發器內制冷劑流量分配特性受制于分流板的結構特征，平行流蒸發器下集液管的第二和第四流程上升流進口設置了分流板，以實現對氣液兩相制冷劑流量的更均勻分配，達到換熱性能的提高和出風口溫度場分布更均勻，提高汽車空調系統的舒適度。

本文設置了3組實驗數據，通過調整分流板的參數驗證流量特性對蒸發器制冷性能和出風溫度場的影響。其中：第1組1#蒸發器2、4流程不設置分流板；第2組2#蒸發器在2、4流程各設置一塊9孔分流板；第3組3#蒸發器在2、4流程各設置一塊10孔分流板；為避免制冷劑通過分流板后直接對流進入扁管引起更大的流量不均勻，分流板上的孔均開設在相鄰扁管之間，相鄰兩孔間距為扁管間距的2倍，即=13.4 mm，其結構參數如表2所示。

表2 分流板結構

1.2 實驗裝置

平行流蒸發器性能實驗采用空氣焓差法在汽車空調系統性能實驗臺架上進行測試[13-14]，測試系統由蒸發器、冷凝器、壓縮機、電子膨脹閥以及輔助設備組成，制冷劑為R134a。實驗原理如圖3所示，其中蒸發器布置在蒸發器風洞中，達到設定工況要求的空氣經過蒸發器進行熱交換之后進入風道，然后通過整流板進入混合室充分混合，測量蒸發器出口溫度和濕度，然后進入噴嘴測量蒸發器前后空氣壓差，最后通過風機流出風洞，風洞示意圖如圖4所示。本文研究中的測試工況如表3所示。

圖3 汽車空調焓差性能實驗原理圖

圖4 蒸發器風洞示意圖

表3 性能實驗工況

2 實驗結果與分析

在汽車空調焓差性能實驗臺上對平行流蒸發器制冷量、制冷劑的流動壓降和表面溫度分布進行了測試。在蒸發器表面布置有16個溫度測點，表面溫差為16組溫度的最大與最小值的差值。實驗參數和精度見表4，蒸發器制冷量的相對誤差≤2.5%，具體計算方法見參考文獻[15]。

蒸發器制冷量的大小直接決定空調系統的性能，溫度分布的均勻性是駕駛室內人體舒適度的反應，因此本文主要從這兩方面進行衡量蒸發器的綜合性能。3種設計方案的性能測試結果如表5所示。

表4 實驗測量參數和精度

表5 實驗結果

從圖5可知，隨著風量的提高，制冷量提高；對比1#和2#、3#數據，在集液管的上升入口處設置分流板，通過對制冷劑的均流分配可有效地提高制冷量，在高風量時制冷量最大可提高10%；對比2#和3#數據，在一定條件下改變分流板的開孔數量和面積可以進一步提高蒸發器的制冷量；

圖6是蒸發器表面最大溫差隨風量的變化關系，從圖中可以看出1#方案沒有分流板時，表面溫差最大為12.9 ℃，是由于制冷劑在扁管內部分布極不均勻造成的，同時也使蒸發器的制冷量較低；蒸發器表面溫差大，一方面會使蒸發器出風溫度不均勻，降低駕駛室人體舒適度；另一方面蒸發器表面溫差較大，導致在系統運行過程中蒸發器結冰結霜的風險增加，使系統中壓縮機頻繁進行啟停，駕駛室溫度波動大，無法保持恒溫；再一方面，蒸發器表面溫差大易導致低溫積水表面產生冰球，嚴重時冰球將不斷膨脹并擠壓扁管，使蒸發器發生泄露，系統無法正常工作；2#和3#設置分流板后，表面最大溫度差值顯著降低，溫度分布更為均勻，說明制冷劑在蒸發器內部分流特性較為均勻；3#表面溫度分布相比2#更為均勻，表面溫差在1.6 ℃~2.8 ℃，說明通過改變分流板的開孔面積和孔數，進一步改善了分配特性并提高了系統的制冷性能和舒適性能。

圖7是蒸發器制冷劑壓降隨制冷劑流量的變化，相比1#方案，2#和3#方案設置分流板改變了制冷劑的流動，均使壓降增加；對比2#和3#可知，改變分流板的孔數和開孔面積，在一定范圍內降低壓降8.1%~18.4%，可作為以后優化壓降的一個方向。

圖5 蒸發器制冷量隨風量的變化

圖6 蒸發器表面最大溫差隨風量的變化

為了進一步分析分流板對汽車空調制冷性能的影響，對蒸發器出口表面溫度分布進行了實驗研究，圖8、圖9和圖10分別是不同樣件在400 kg/h風量下的表面溫度分布，從圖中可以看出，1#件的出風表面溫差較大，局部溫度呈現較高趨勢，反映了制冷劑在蒸發器內部分配非常不均勻，嚴重影響制冷性能；圖9和圖10表面溫度分布較為均勻，同時溫度相對圖8顯著降低；圖10的出風表面溫度更低，同時也更均勻；出風溫度分布均勻可以提高人體舒適度，是衡量汽車空調的一個重要指標；出風溫度場的分布也直接反映蒸發器內制冷劑的分配情況；通過改善和優化分流板的結構特征，可以有效改善蒸發器出風溫度場的均勻性，極大提高空調的舒適度，避免蒸發器表面結冰結霜以及壓縮機頻繁啟停等問題。

圖8 1#蒸發器表面溫度分布圖

圖9 2#蒸發器表面溫度分布圖

圖10 3#蒸發器表面溫度分布圖

3 結論

1）平行流蒸發器增加分流板，改善了內部制冷劑的分配均勻性，可以有效提高制冷性能，通過優化分流板開孔數和面積在一定范圍內可以改善制冷劑氣液兩相流量分配特性，高風量工況下制冷量最大可提高10%，實現制冷性能的優化。

2）分流板的設置通過內部分流的均勻性，有效改善了蒸發器表面溫度分布，使表面溫差在1.8 ℃~4.6 ℃之間，使系統運行更加平穩，不僅提高了系統的制冷性能，同時可以有效改善汽車空調系統的出風溫度舒適度，降低了系統運行過程中蒸發器結冰結霜的幾率，從而避免壓縮機頻繁啟停，降低汽車油耗和排放。

3）平行流蒸發器在下集液管設置分流板后增加了系統的壓降，使制冷性能和溫度分布均勻性提高；在滿足系統制冷性能的前提下，可以通過進一步優化分流板孔數和面積以降低壓降。

[1] 祁照崗. 汽車空調部件及系統性能優化研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2008.

[2] 丁國良, 張春路. 制冷空調裝置仿真與優化[M]. 北京: 科學出版社, 2002.

[3] 蔡操平, 郭文洋. 怠速狀態下汽車空調頻繁啟動的改進研究[J]. 制冷技術, 2013, 33(2): 30-32.

[4] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2007.

[5] 熊偉, 莊大偉, 胡海濤, 等. 濕工況下翅片管換熱器空氣側傳熱傳質動態模擬[J]. 制冷技術, 2013, 33(1): 1-5.

[6] 許偉. 幾種典型翅片傳熱及阻力特性的數值研究與分析[D]. 北京: 清華大學, 2005.

[7] 蘇建民, 王隨林, 李俊明. 微細通道蒸發器空氣側對流傳熱傳質研究[J]. 建筑節能, 2007, 9(35): 6-8.

[8] 蘇順玉, 黃素逸, 王曉墨. 環狀細通道流動沸騰換熱的實驗研究[J]. 工程熱物理學報, 2004, 25(1): 106-108.

[9] 李夔寧, 吳小波, 尹亞領. 平行流蒸發器內氣液兩相流分配均勻性實驗研究[J]. 熱能動力工程, 2009, 24(6): 759-765.

[10] KIM S, CHOI E, CHO Y I. The effect of header shapes on the flow distribution in a manifold for electronic packaging application[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 1995, 22(3): 329-341.

[11] 李峰, 徐博, 楊濤, 等. 家用空調微通道換熱器流量分配特性研究[J]. 制冷技術, 2012, 32(3): 13-17.

[12] PACIO J C, DORAO C A. A study of the effect of flow maldistribution on heat transfer performance in evaporators[J]. Nuclear Engineering and Design, 2010, 240: 3868-3877.

[13] SHI J Y, QU X H, QI Z G, et al. Investigating performance of microchannel evaporators with different manifold structures[J]. International Journal of Refrigeration, 2011, 34(1): 292-302.

[14] 彭明, 張雪平. 不同流程布置的平流式冷凝器試驗研究[J]. 制冷與空調, 2008, 22(2): 1-5.

[15] 張愷, 張小松, 陳向陽, 等. 空調器空氣焓差法性能測試不確定度分析[J]. 流體機械, 2006, 34(11): 72-75.

Effects of Deflector Flow Distribution Characteristic on Performance and Air Temperature Field of Parallel Flow Evaporator

GUO Panpan*1, PAN Yunxian1, JI Hongyun1, WEN Xiaofang1, SU Mingxu2

(1-Shanghai MAHLE Thermal Systems Co., Ltd, Shanghai 201206, China; 2-School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The distribution of the vapor-liquid two-phase flow in flat tubes of parallel flow evaporator has an important influence on heat transfer performance. Effects of vapor-liquid two phase flow on performance and air temperature field of evaporator were experimental investigated. The research results show that the deflector affects heat transfer performance and flow distribution characteristic of refrigerant in evaporator. An appropriate structure of deflector can improve the uniformity of flow distribution. The cooling performance, pressure drop and air temperature field can be improved by optimizing the open area and hole number of deflector. The cooling performance can be improved by 10% and the surface temperature deviation ranges from 2.6 ℃ to 4.6 ℃ at high air volume condition with deflector. The automobile air conditioning can realize effective and comfortable operation with appropriate deflect structure.

Parallel flow evaporator; Two phase flow; Heat transfer performance; Temperature field

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.204

*郭盼盼（1989-），男，汽車熱系統工程師，碩士研究生。研究方向：汽車熱管理系統。聯系地址：上海市浦東新區隴橋路355號，郵編：201206。聯系電話：021-38522450。E-mail：guopan1013@163.com。