R134a-Fe₃O₄納米制冷劑汽車空調冷凝器傳熱數值模擬

龐秋杏 王惜慧 林裕旺 劉振洋

摘? 要：為提高汽車空調系統的換熱系數，降低能耗，結合格子Boltzmann方法和CFD仿真計算，從介觀和宏觀兩個角度對R134a-Fe3O4納米制冷劑在電動汽車空調冷凝器中應用效果進行研究。從兩種數值計算結果均發現，相比于純制冷劑，R134a-Fe3O4納米制冷劑應用在汽車空調冷凝器中，換熱量有大幅提高;且液態納米制冷劑換熱量高于氣態納米制冷劑，換熱量隨納米顆粒濃度的增加而增加。

關鍵詞：納米流體;納米制冷劑;汽車空調;冷凝器

中圖分類號：TB69? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0032-05

Abstract： In order to improve the heat transfer coefficient of automobile air conditioning system and reduce energy consumption， combined with lattice Boltzmann method and CFD simulation calculation， the application effect of R134a-Fe3O4 nano-refrigerants in electric vehicle air conditioning condenser was studied from mesoscopic and macroscopic point of view. From the two numerical results， it is found that compared with the pure refrigerants， the heat transfer of R134a-Fe3O4 nano-refrigerants used in automobile air-conditioning condensers is greatly improved. The heat transfer of liquid nano-refrigerants is higher than that of gaseous nano-refrigerants， and the heat transfer increases with the increase of nano-particle concentration.

Keywords： nanofluids; nanorefrigerants; automotive air conditioners; condensers

汽車空調系統是汽車大功耗部件之一，與傳統燃油車相比，其能耗對整車性能的影響更大。自1995年提出納米流體的概念后，這種新型換熱冷卻介質在傳熱領域開始了大量研究。隨著電動汽車的蓬勃發展，為提高空調系統的性能，降低電動汽車能耗，研究納米制冷劑在電動汽車空調冷凝器的應用也具有重大意義。

如今，單從傳統宏觀角度的CFD法已無法揭示納米粒子能量傳遞的規律，需要加以運用介觀層面的格子Boltzmann方法，才能進一步研究納米流體特性和描述納米粒子對制冷劑強化傳熱的影響。所以，本文通過CFD和格子Boltzmann方法兩種方法，對利用純R134a制冷劑和Fe3O4磁性納米粒子制備的R134a-Fe3O4磁性納米制冷劑在汽車空調系統上的冷凝器進行研究，為納米制冷劑在汽車空調系統上的強化傳熱方案提供參考依據。

1 納米流體熱物性模型

納米粒子的納米效應使納米粒子在流體中的相互作用機理不同于毫米和微米級粒子，所以納米流體的熱物性參數也不一樣，不適用傳統的毫米或微米級固液混合物的經驗公式，因此需要結合相關試驗研究計算納米流體的熱物性參數。

Hrihikesh的金屬氧化物納米流體導熱系數模型適用于納米粒子半徑為5～75nm，體積濃度為0.1～3%的納米流體[1]。本文采用這個納米流體導熱模型：

通過對比了多種懸浮液粘度模型后，決定采用Zuzovsky[2]懸浮液粘度模型：

（2）

比熱模型為：

密度模型為：

其中，k為導熱系數，？準為納米粒子濃度，dp是納米粒子的平均直徑，T為流體溫度。？滋為粘度，C為比熱，？籽為密度。下標eff、f和p分別代表懸浮液、基液和納米粒子。

2 傳熱微觀模擬

2.1 計算模型

在系統不受外力時，理想氣體模型中的Bolztmann氣動理論的基本方程為：

其中，f（r，c，t）為系統中，速度為c～c+dc且在r～r+dr的分子在t時刻的分布函數;c和? ?為分子的速度矢量和分子分布矢量函數;右邊項？贅為碰撞項。由于許多測量值受碰撞結果影響不大，在不影響求解結果前提下，通常將碰撞算子近似為簡單模型，所以Bhatnagar、Gross和Krook（BGK）引入一個碰撞算子模型：

結合實際情況和納米制冷劑在水平圓管的流動特性，對比不同的格子排列模型和邊界條件后，選用格子32方法D2Q9模型[4]（結構如圖1所示）和標準反彈格式[5]（如圖2所示）。

2.2 物理模型和邊界條件

如圖3所示，為模擬R134a-Fe3O4納米制冷劑在冷凝器管中的流動情況，物理模型選取一段長為L=7.5mm、管徑為H=2.5mm的流場，流場網格劃分為300×100。假設管壁面溫度為恒溫，上下邊界為無滑移固體邊界，左邊界條件為速度進口，右邊界為擴展邊界;R134a制冷劑為穩態流體，Fe3O4納米粒子均勻分布在R134a制冷劑中;計算收斂條件為誤差小于10-6。Fe3O4納米粒子直徑為20nm，納米流體的熱物性參數由公式（1）～（4）計算可得。

2.3 數值模擬過程及結果

首先模擬低雷諾數下納米流體的對流換熱，探究在換熱過程中納米顆粒的布朗運動對傳熱的影響。設定壁面溫度為293K，液態純R134a制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的初始溫度均為298K，分別模擬在Re=5的條件下在水平圓管內的流動情況，結果如圖4所示。可以看出，制冷劑的熱量迅速向壁面傳遞，與液態純R134a制冷劑相比，1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的擴散溫度梯度較大，溫度邊界層較明顯。在圓管出口中心線上，純R134a制冷劑為294K，1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑為294.5K，這說明液態制冷劑加入納米顆粒后，增加了對流體的擾動，提高了導熱能力。

由于R134a-Fe3O4納米制冷劑在汽車空調冷凝器中存在氣態和液態這兩種相，分別模擬了R134a-Fe3O4制冷劑氣態和液態時在雷諾數Re=800、1000、1200、1400、2000五種條件下與壁面的流動傳熱情況。結合某車空調系統冷凝器的實際情況和模型特征，設置制冷劑進口為速度進口，氣態時，流體進口溫度為293K，壁面溫度為343K;液態時，流體進口溫度為298K，壁面溫度為293K。模擬結果如圖5、圖6所示。

從圖5中可以看到，無論是氣態還是液態的R134a-Fe3O4納米制冷劑，同一濃度的納米制冷劑與壁面的換熱量隨雷諾數的增加而加大，原因在于納米制冷劑的質量流量隨雷諾數的增加而增大，納米顆粒數量的增加提高了制冷劑的導熱能力;同一雷諾數下，納米制冷劑的換熱量隨納米顆粒濃度的增加而加大，也說明了添加磁性納米顆粒后制冷劑得到了明顯的強化傳熱效果。從圖6可以看出，相比純制冷劑，液態納米制冷劑的換熱量提高17.17%～39.89%，氣態納米制冷劑換熱量提高1.71%～5.83%。

3 納米制冷劑CFD模擬

運用Boltzmann方程從微觀層面表明了在單根冷凝器圓管中流動的制冷劑添加不同濃度的納米顆粒后，對管內換熱起到了不同程度的強化傳熱效果，但單根管道模擬仍不足以體現納米制冷劑在汽車空調冷凝器的傳熱效果，為驗證微觀模擬仿真的正確性，進一步研究納米制冷劑在汽車空調系統中的制冷情況，需運用CFD法探究R134a-Fe3O4納米制冷劑在汽車空調冷凝器的換熱情況。

3.1 幾何模型和初始條件

選取某款汽車空調冷凝器為研究對象，為簡化計算，取圖7中框內結構為計算域。為提高仿真計算的準確度，除制冷劑流場外，添加了空氣流場，形成制冷劑和空氣為交叉流，具體結構如圖8所示。幾何模型建立后，對其進行網格劃分。由于需重點分析空氣側和制冷劑側的換熱情況，兩處位置采用六面體網格劃分并作網格加密處理，其他區域采用四面體網格。

選取該汽車空調冷凝器的某一工況為初始條件：空氣進口溫度293K，氣態制冷劑進口溫度343K，液態制冷劑進口溫度323K，制冷劑進口速度均為0.26m/s。

3.2 CFD模擬結果及分析

氣態純R134a制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑在某車空調冷凝器中換熱的仿真結果如圖9所示。從圖9可看出，制冷劑流經冷凝器后溫度逐漸降低，其中進口處制冷劑溫度最高，彎管處溫度最低，出口的制冷劑溫度會稍有回升，這是因為冷凝器散熱結構屬于U型結構，出口處制冷劑溫度會受進口處溫度較高的制冷劑的傳熱影響。同時，可以發現，采用氣態純R134a制冷劑的冷凝器從進口溫度307.6K降到出口溫度303.1K，降低了1.46%溫度;采用氣態1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的冷凝器從進口溫度312.2K降到出口溫度307.05K，降低了1.65%的溫度。這說明與氣態純R134a制冷劑相比，采用氣態1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑的換熱器溫度較高，這是由于添加Fe3O4納米粒子后，加劇了R134a制冷劑分子間的布朗運動，增加了分子與換熱器的碰撞次數，提高了換熱效率。其它濃度下的溫度云圖大致相同，但最高溫度和最低溫度有較大差別，具體數值分別如表1所示。

從表1可以看出，制冷劑側的進出口溫度隨Fe3O4納米粒子濃度增大而減小，而空氣側進出口溫差隨納米粒子濃度增大而增大，這表明制冷劑的熱量經冷凝器后被空氣帶走，換熱量隨Fe3O4納米粒子濃度增加而增大，同時說明制冷劑添加了磁性Fe3O4納米顆粒后換熱性能增加，并隨Fe3O4納米顆粒的濃度增加換熱性能加大。但隨著Fe3O4粒子濃度增加，制冷劑進出口壓差也增大，說明隨著Fe3O4納米粒子的加入，制冷劑的運動粘度逐漸增大，反應出過高的納米粒子濃度會導致納米粒子聚集和沉降問題，傳熱效果反而降低，所以制冷劑中并不是納米粒子濃度越高換熱效果越好。分析表1數據得到圖10，可以看出在相同的工況條件下，與同狀態的純制冷劑相比，氣態納米制冷劑的換熱量提高2.11%至6.22%，液態納米制冷劑的換熱量有48.4%至149.7%的提高。這說明液態納米制冷劑的換熱能力比氣態納米制冷劑強，在冷凝器換熱過程中，應盡量增加液態納米制冷劑的換熱階段，從而提高冷凝器的換熱能力。

4 結論

（1）配制純制冷劑和濃度分別為1%、2%、3%、5%的

R134a-Fe3O4納米制冷劑，運用格子Boltzmann方法，分別對其液體和氣體狀態下在一段汽車空調系統冷凝管內傳熱和流動進行計算分析。結果表明在相同流動條件下，與同狀態的純制冷劑相比，氣態納米制冷劑的換熱量提升1.71%～5.83%，液態納米制冷劑的換熱量提升17.17%～39.89%。

（2）采用CFD仿真模擬方法，模擬了純制冷劑和1%濃度R134a-Fe3O4納米制冷劑在一款汽車空調冷凝器局部的流動傳熱情況。在相同的工況條件下，與同狀態的純制冷劑相比，氣態納米制冷劑的換熱量提升2.11%～6.22%，液態納米制冷劑的換熱量提升48.4%～149.7%。

（3）格子Boltzmann方法是從介觀層面對管內流場進行二維計算，而CFD模擬仿真是從宏觀角度出發對局部冷凝器進行流場的三維模擬仿真，兩者雖然分析角度不同、模型不同、邊界條件不一致，但仍可以得出共同的結論：汽車空調中R134a制冷劑添加磁性Fe3O4納米顆粒后換熱能力明顯提升，且在一定濃度范圍內，納米顆粒濃度越高，強化傳熱效果越好，同時液態制冷劑添加納米顆粒后換熱能力較氣態制冷劑的提升幅度大。說明在汽車空調冷凝器中運用R134a-Fe3O4納米制冷劑強化傳熱是可行的，且應盡量延長制冷劑液態時的換熱過程，從而提高冷凝器的整體換熱能力。

參考文獻：

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