回熱器在R1234yf汽車空調系統中的應用與優化

張耘，張科，官郭沁，顧屹，戚東緯，陳江平?，李宴輝

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-上海加冷松芝汽車空調股份有限公司，上海 201108）

0 引言

汽車空調系統是整個汽車中重要的組成部分，綜合性能優異的汽車空調系統不但可以提升駕乘的舒適感，還能大幅減少汽車的排放和能耗。這主要是由于在一般的汽車空調中，壓縮機直接由發動機帶動，空調的運行會增加發動機的工作載荷，從而增加汽車的油耗。所以提高汽車空調系統的性能是未來汽車發展的一個重要方向，尋找更合適高效的制冷劑就是一大突破口。

人們習慣用臭氧破壞指數（ODP）和溫室效應指數（GWP）描述制冷劑的環境可接受性[1]。目前在汽車空調上廣泛使用的是HFC類制冷劑R134a[2]，其GWP值為1,420。2006年，歐盟通過了溫室氣體排放法案，規定從 2011年開始，所有新開發平臺的汽車空調系統中將不能再使用 GWP大于 150的制冷劑，并且從2017年1月1日起，在歐洲境內生產和銷售的所有汽車，將禁止使用GWP大于150的制冷劑[3]。因此需要尋找一種可替代 R134a的新型汽車空調制冷劑。

目前可考慮的替代 R134a制冷劑主要為R1234yf[4]。R1234yf的物理性質與R134a相近，將它應用到汽車空調系統上時，不需要對現有的系統作較大的改動，其ODP為0、GWP為4，具備良好的環保性，能滿足歐盟的法案要求[5]。綜合來看，目前R1234yf對R134a具有良好的替代可行性。

中間換熱器（Internal Heat Exchanger，IHX）又稱回熱器。其主要作用是在制冷循環中將冷凝器出口的高溫高壓液體與蒸發器出口的低溫低壓蒸汽再進行一次熱量交換，可以同時增大冷凝器出口過冷度與蒸發器進出口的焓值差，以達到改善系統性能的目的[6]。

用 R1234yf直接替代，系統性能稍差于原R134a系統，理論上加入IHX可以彌補此缺陷。然而實際測試時，加入IHX的直接替代系統換熱性能往往會下降[7]。因此設計符合R1234yf直接替代系統特性的IHX是系統優化的重點。

目前，對于 R1234yf的基本物理研究，國內外研究者已經開展了大量工作，覆蓋了大多數應用領域[8]。國外研究者 TANAKA 等[9]和 NICOLA 等[10]最早開始對 R1234yf的物理性質進行實驗研究，得到了一些關于 R1234yf臨界壓力、臨界溫度、臨界密度以及一定范圍內飽和壓力的實驗數據。PERKINS等[11]對R1234yf的導熱系數也進行了實驗測定。

根據這些實驗數據，可以驗證幾個常用的物理性質狀態方程對制冷劑的適用性比如 Peng-Robinson方程、Martin-Hou方程和Patel-Teja方程[12]等。LECK[13]選用了Martin-Hou方程來計算R1234yf的物理性質，并分析了在典型工況時的理論制冷循環性能。BROWN等[14]選用Peng-Robinson方程計算R1234yf的物理性質。AKASAKA等[15]采用的是Patel-Teja方程和它的擴展狀態方程（ECS）來計算R1234yf的物理性質，得到R1234yf的壓焓圖和溫熵圖。

現有的對 IHX的研究主要集中在 CO2跨臨界循環上。KIM等[16]分析了CO2系統中IHX的換熱性能，認為管長、管數、質量流量、運行工況和結構形式是影響性能的主要因素。KWO等[17]在同樣的實驗條件下發現，回熱器高溫側的壓降小于低溫側。BOEWE等[18]提出一種新型微通道回熱器，可以在節省50%材料的同時提高10%的效率。鄧建強等[19]未采用傳統的套管式和微通道管式回熱器，而是提出了新型的板翅式結構 IHX并分析了其安全性。

目前很多公司的專利中有新型IHX結構，其中德國Behr公司[20]和日本 Denso公司[21-22]提出了幾種新型IHX的結構形式。

R1234yf作為車用空調R134a的主要替代環保制冷劑，可直接灌注替代原有車用空調中的 R134a[23]。若直接將R1234yf灌注于R134a系統中則會造成一定程度的系統性能下降。目前國內外研究者已經進行了一系列實驗。

LEE等[24]做了直接替代的臺架實驗，發現在夏季和冬季工況時的性能系數（COP）比原系統降低了 0.8%～2.7%，制冷量比原系統降低了 4%，排氣溫度低 6.4 ℃～6.7 ℃。JARALL[25]對直接替代做了理論分析和直接替代實驗，理論分析的結論是COP與原系統接近，制冷量比原系統下降 5%，排氣溫度比原系統低6 ℃。直接替代實驗的結果是制冷量比原系統降低 3.4%～13.7%，COP比原系統下降0.35%～11.88%，排氣溫度比原系統下降6 ℃～15 ℃。

根據以上研究可以得出，引入 IHX是優化R1234yf汽車空調系統綜合性能的一個有效手段。而不同型號參數的回熱器對R1234yf系統的綜合影響好壞不一。CHO等[26]的實驗結果表明，采用了IHX的 R1234yf系統的 COP比 R134a系統低1.8%～2.9%，而同樣實驗條件下，不加 IHX的R1234yf系統的COP比R134a系統要低4.5%～7%。MATHUR[27]在 R1234yf系統中加入了一種螺旋槽結構的中間換熱器，COP提高 8%～9%。因此本文設計并優化符合R1234yf直接替代系統特性的IHX，以達到提升系統綜合制冷性能的目的。

1 IHX原理分析與影響參數

1.1 IHX的原理作用分析

在制冷循環中，IHX的主要作用是將冷凝器出口的高溫高壓液體與蒸發器出口的低溫低壓蒸汽進行再一次熱量交換。既可以增大冷凝器出口過冷度，又能增大蒸發器進出口的焓值差，以達到改善系統性能的目的。此外，引入IHX會導致壓縮機吸氣過程的過熱度顯著增加，使壓縮機排氣溫度上升[28]。

圖1中，循環1-2-3-4是無IHX系統的理論制冷循環，循環中的蒸發器和冷凝器中壓降為 0，但冷凝器出口的過冷度和蒸發器出口的過熱度都很有限。循環1’-2’-3’-4’是引入了IHX系統的理論制冷循環。3’-3代表了IHX提供的過冷度所致的焓增，這部分焓增能夠增加相同質流量下的制冷量。因此，吸氣處蒸汽的焓也上升了 h1’-h1=h3’-h3的量。這部分吸氣處增加的熱量會提升壓縮機進口處的溫度。此外，IHX內的壓降會導致吸入蒸汽的密度和壓力下降，進而導致制冷劑質流量、制冷量、冷凝器壓力和壓縮機扭矩下降[29]。

圖1 有無IHX 系統的制冷循環

1.2 IHX部件參數對系統性能的影響

同軸管式IHX的主要尺寸參數有長度、外徑、內徑、外管半徑、通道（肋片）數。圖2為典型同軸管IHX截面圖。同軸管式IHX由內外管構成。一般而言，同軸管式IHX多為對流式換熱器，即內外管中流體流動方向相反。兩相分布有兩種，內液外氣較為常見——內管流通面積大，通低溫流體；外管通高溫流體，與內管流向相反。外管道被肋片分為多個通道，其目的是促進湍流產生，提高換熱效率。通道數常取值3至8。肋片這一設計同時也減少了熱量從高溫發動機艙向吸入管路中制冷劑的傳遞。

圖2 典型同軸管IHX 截面圖（HP高壓側；LP低壓側）

根據以上分析可以看出，在模擬汽車運行工況時：

1）外管分多個通道能夠加強內外管間的熱傳遞，且在一定范圍內，通道數越多，熱傳遞效果越好；但當通道數大于6時，對熱傳遞的影響已經不再明顯；

2）熱傳遞能力在IHX長度900 mm左右達到飽和點；當IHX長度不大于600 mm時，傳熱效率會隨著IHX的長度增加而持續地增長；當IHX的長度超過600 mm，再增加其長度所帶來的收益會有所下降；

3）由于汽車內安裝空間有限，且具體安裝環境較為復雜，IHX不可避免地會存在彎曲的部分，在選擇IHX時，應充分結合實際環境進行合理的外形匹配，在保證系統性能的同時，兼顧安裝等實際問題；此外，同軸管的彎曲半徑應不小于50 mm，以保證內外管不發生失圓現象，使彎曲部分的壓降與直管部分類似。本文著重研究IHX的不同長度、不同肋片數量、不同加工方式以及不同的氣液兩相分配帶來的性能影響。

2 R1234yf系統中IHX部件開發

2.1 IHX單體性能仿真平臺

在EES軟件中編程建立仿真計算界面式模型。計算從蒸發器出口狀態開始，到閥后狀態結束。首先輸入蒸發溫度，結合蒸發器出口的干度假設值和制冷劑物理性質計算蒸發器出口的壓力、焓值和熵值；根據冷凝溫度的輸入值計算冷凝壓力，利用理想狀態下壓縮機的等熵過程計算得到壓縮機排氣口的焓值，再利用等熵效率計算得到實際的壓縮機排氣口焓值，繼而得到壓縮機的排氣溫度和單位耗功。之后，根據節流等焓方程、IHX中的能量守恒方程等基本原理，以IHX幾何參數等作為邊界條件，可求解出 IHX高低壓側出口狀態，進而求得 IHX單位換熱量和單位制冷量，完成整個求解過程；最終用以仿真R1234yf汽車空調系統中各結構類型的IHX的換熱性能。

2.2 系統性能仿真

本文主要使用KULI軟件搭建系統仿真平臺，通過ESS軟件完成IHX單體參數的調整與計算后，將結果參數設置在IHX的KULI仿真模型中，之后在R1234yf系統仿真模型中對系統優化效果進行測試。

KULI仿真系統中主要包括制冷劑側的內循環和空氣側的外循環兩個回路。系統各部件參數按照實際實驗中所用的部件參數設置。將各部件按照蒸發器（EVP）、氣液分離器（STO）、IHX 低壓側（ACPFC）、壓縮機（COM）、冷凝器（CND）、IHX高壓側（ACPFC）、膨脹閥（EXV）的順序進行連接，搭建形成制冷劑側內循環，如圖3所示。

圖3 R1234yf系統KULI仿真模型空氣側循環

2.3 IHX實驗結果與仿真結果對比

在使用仿真系統研究 IHX結構參數對系統性能影響之前，首先要保證仿真軟件的可靠性。因此在完成R1234yf系統的KULI仿真計算模型搭建之后，將計算結果與實測數據進行對比與校正。

R1234yf系統回熱器單體實驗于汽車空調綜合性能實驗臺上完成。該實驗系統主要包含了室內側和室外側兩個房間，各環境室內均有獨立控制工作的環境控制設備（包含有制冷機組、加熱和加濕設備）。環境室內的參數可控，各項熱力學參數均可由配套的實驗儀器測出。圖4為汽車空調綜合性能實驗臺。

圖4 汽車空調綜合性能試驗臺

實驗使用的系統部件主要為車用微通道蒸發器、車用平行流微通道冷凝器、電子膨脹閥和車用渦旋式壓縮機。相應實驗結果可通過標準焓差臺測定得出。實驗所采用的系統部件參數如表1。

表1 R1234yf系統主要部件參數

本文將 IHX單體性能的實驗研究結果作為參照，將實驗工況作為仿真系統工況輸入，分析仿真結果的準確性。表2為實驗工況，同時也作為仿真工況輸入。

表2 實驗工況表

2.4 IHX各參數的優化

依據上述的實驗工況進行測試，并將實驗測得的R1234yf系統的制冷量和COP與仿真結果進行對比。仿真計算所得結果如圖6所示，制冷量和COP的仿真值都與實驗結果的變化趨勢相吻合。就制冷量而言，工況1時的仿真值和實驗值最為接近，相差1.9%，工況3時的仿真值和實驗值偏差最大，相差9.8%；COP也呈現相似趨勢，工況1時的仿真值比實驗值僅相差2.0%，工況3時則相差14%。隨著系統低壓下降，過熱度增加，制冷劑流量變大，仿真模型計算結果偏差變大，但是最大偏差能夠控制15%以下，故仿真模型在實驗工況范圍內可靠性良好。

確保了仿真系統可靠性后，本文通過仿真系統探究IHX的各個參數對系統的影響。

圖6 實驗工況時的仿真結果與實驗值對比圖

2.4.1 肋片數量對換熱性能的影響

在液體側入口溫度50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側入口溫度15 ℃、壓力350 kPa，質量流量設為106 kg/h時，通過對IHX換熱量與肋片數的仿真結果分析可得出以下結論：

1）兩相分布不同的兩種IHX的換熱量，均會隨著肋片數量增加而上升；

2）IHX采用液內氣外（液體在內管、氣體在外管）分布方式時，對肋片數量變化的響應比采用液外氣內分布方式時更為劇烈；

3）當肋片數為3時，液外氣內（液體在外管、氣體在內管）分布方式的IHX換熱性能更好，而液內氣外分布方式受肋片數影響更明顯，適用于多肋片結構的IHX；

4）從圖7可以看出，液外氣內分布方式的換熱量呈線性增長，因此再增加肋片數還存在提升換熱量的可能，而液內氣外分布方式的增長速度有一個明顯的下降，再增加肋片數量對換熱量提升的貢獻并不大甚至可能會有反作用，這說明肋片數并不是越多越好，對于特定IHX的肋片數存在最適值。

圖7 IHX換熱量與肋片數關系的仿真結果

2.4.2 管長對換熱性能的影響

在液體側入口溫度 50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側入口溫度15 ℃、壓力350kPa，質量流量設為106 kg/h時，通過對IHX換熱量與其長度的仿真結果（圖8）分析可得出以下結論：

1）隨著 IHX長度的增加，兩種結構IHX的換熱量均有增加，并且呈現線性趨勢，增長速度無明顯衰減；

2）液外氣內結構的換熱量平均增加55.6%；液內氣外結構的換熱量平均增加58.8%。因此采用液內氣外結構的IHX換熱性能略優于液外氣內結構。

2.4.3 兩相分布對換熱性能的影響

在液體側入口溫度50 ℃、壓力1,300 kPa，氣體側入口溫度15 ℃、壓力350 kPa，質量流量設定在75 kg/h至110 kg/h時，通過對IHX換熱量與其兩相分布形式的仿真結果（圖9）分析可得出以下結論：

1）采用液外氣內結構分布方式的IHX兩相分布的換熱量優于液內氣外結構；

2）在體積比相同的情況下，采用液內氣外分布的IHX有更大的換熱面積；而采用液內氣外分布的IHX受肋片數的影響并不明顯。

利用田口方法分析直肋片式IHX各參數對其換熱性能的影響效果，可以得到以下結論：分配方式、肋片數量和IHX長度對直肋片式IHX換熱性能的影響程度依次增大；且有最優組合，即管長為600 mm，肋片數為6，采取液外氣內分配方式。

圖8 I HX換熱量與其長度關系的仿真結果

圖9 I HX換熱量與其兩相分布的仿真結果

2.5 R1234yf的系統性能優化結果

根據最終設計方案，求出最優參數組合的IHX的效率，并作為部件參數設置在IHX的KULI仿真模型中，在R1234yf系統仿真模型中對系統優化效果進行測試，結果如圖10和圖11所示。經過IHX結構設計優化的R1234yf系統（R1234yf+ IHX）的制冷量比同工況R1234yf直接替代系統（R1234yf）提升15.7%，COP提升10.0%；與R134a系統（R134a）相比，制冷量提升 3.2%，COP提升2.7%。

圖10 IHX結構優化與系統優化前后系統的制冷量

3 結論

在R1234yf系統加入IHX能有效提升系統的制冷量與COP。分析直肋片式IHX各結構參數的影響后發現，分配方式、肋片數量和IHX長度對直肋片式IHX換熱性能的影響程度依次增大，當IHX參數管長為600 mm、肋片數為6、分配方式采取液外氣內時，IHX的性能達到最優。

經過IHX結構設計優化的R1234yf系統的制冷量比同工況R1234yf直接替代系統提升15.7%，COP提升10.0%；與R134a系統相比，制冷量提升3.2%，COP提升2.7%。