關于城市軌道交通車輛空調機組熱交換器型式淺析

摘要：隨著我國城市化水平不斷提高，人們對空調的需求越來越大，社會也對空調使用予以極大關注?？照{機組是城市軌道交通車輛的重要組成部分，在保證列車舒適性方面至關重要。本文將對空調機組熱交換器的型式進行分析，針對目前空調機組的實際使用狀況，提出制冷空調專業的改革新舉措，進而促進空調工程領域的發展。

關鍵詞：城市軌道交通;空調;車輛;熱交換器

0 ?引言

目前城市軌道交通車輛空調機組熱交換器大多采用的是銅管鋁翅片的形式，設計使用壽命是15年，每五年進行一次架修，10年進行一次大修。空調機組熱交換器主要包括蒸發器和冷凝器，冷凝器裸露在外，蒸發器在室內腔，另一方面在空調制冷工況下冷凝表面溫度過高，在架修過程中發現冷凝器表面親水膜已經有不同程度的破損，而蒸發器狀態較好。下面將對不同材質的熱交換器研究，分析優劣。

1 ?空調機組熱交換器的作用

空調機組熱交換器主要作用是實現空氣和空調系統管路內冷媒之間的熱量交換，從而實現室內空氣降溫或升溫。熱交換器的組成主要有銅管和翅片。熱交換器，是蒸發器和冷凝器的統稱，蒸發器的作用是使制冷劑液體氣化蒸發，從外界吸收熱量;而冷凝器是向外界散熱，使制冷劑氣體降溫液化。

2 ?空調機組熱交換器的材料分析

2.1 空調行業現狀

熱交換器作為空調機組的關鍵部件，目前城市軌道交通車輛空調機組合同中多數采用銅管鋁翅片熱交換器，但近幾年來，行業中有人提出使用銅翅片的方式。

2.2 銅、鋁翅片導熱的對比

把純銅和純鋁這兩種材料的一些物理特性作了個簡單對比，如表1所示。

從表1中大家都會覺得銅的導熱能力強，就是因為銅的導熱系數比鋁的要高不少（此處指純銅和純鋁），這個也確實是。但是一個散熱器散熱能力的好壞不僅僅只考慮材料的導熱系數有關，還和散熱面積、散熱器的形狀、空氣流動等狀況有關。

再看后兩個參數，光看比熱容這個數字，銅的比熱容更小，就應該是它的溫度升的更快，更容易散熱（熱力學定律，溫度梯度越大，傳熱越快），似乎是沒錯，但是……還要看看它們的密度。銅的密度是鋁的3.3倍，散熱器是一個講尺寸的產品，不能無限做大，那同樣體積大小下，到底是銅的熱容小還是鋁的熱容小呢？不妨簡單計算下。

假設都是一立方厘米大小的材料，銅的重量為8.9克，讓它上升1K，需要3.4kJ的熱量，此大小下鋁的重量為2.7克，讓它上升1K，需要的熱量是2.4kJ，也就是說，單位體積下，鋁的熱容量只有銅的70%，它的散熱更快。

所以說，銅的導熱系數雖然比鋁的高，熱量從翅片到環境間的傳遞阻力小，但是，同體積下它的熱容量更大些，溫度上升慢，這樣溫度梯度小，綜合傳熱能力并不見得比鋁的好多少。

在熱力學中，傳熱速率方程式為：Q=KAΔt

其中Q為傳遞的熱量，K為材料的導熱系數，A為傳熱面積，Δt為溫度差，在同樣體積下，假設A是一樣的，Q主要就由材料導熱系數與熱量傳遞介質間的溫度差決定了。以冷凝器為例，散熱其實是兩個過程，一個是吸收冷媒的熱量到散熱器，另一個是從散熱器到環境（空氣）。

對于純銅散熱器，熱量從銅管到散熱器，因為K更大，Δt也大（散熱器與銅管間的溫度差，因為同體積下銅的升溫慢），這個過程中的傳熱速率是明顯好過純鋁散熱器的，但是到了第二個階段，熱量從散熱器傳到空氣時，K是一樣的（都是空氣），Δt則是純銅散熱器更小（這兒是散熱器與空氣的溫度差），在這個過程，純銅散熱器的效率是低于鋁質散熱器的。一直有個說法，銅吸熱快，鋁散熱快，還是很有道理的。

為了弄清這個問題，查找相關實驗數據，之前有人對電腦CPU散熱器的材質做過一個實驗。同樣的兩個電腦，分別安裝純銅散熱器和鋁制散熱器U120E，在電腦空閑狀態下，兩種CPU散熱器的溫度均為44℃，在電腦工作狀態下，鋁制散熱器U120E的溫度為71℃，而銅制散熱器的溫度為67℃。如圖1所示。

參照相關實驗結果，在這樣的高成本、大重量的前提下，純銅散熱器帶來的性能收益其實是非常低的，也僅僅比普通的U120E低了4度而已。

總的來說：純銅散熱器成本高，壽命長、耐腐蝕、效果相對較好。加工更難，性價比低，鋁質散熱器價格便宜、密度低、容易加工成形，硬度好。壽命較短、不耐蝕、散熱器的散熱性能比銅較差。

2.3 列車實際情況

根據空調機組實際使用情況分析，蒸發器處于室內腔，冷凝器裸露在外，使用環境不同。

蒸發器降溫除濕過程中翅片上會產生凝結水，為了防止凝結的水滴不被送風帶入車內，翅片上需增加親水膜，親水膜可“抓”住水滴使其不被風吹走并順著翅片向下流入水盤，然后集中排至車外。

銅翅片無親水型式，如采用銅翅片，存在較大的送風帶水風險，由此可能將冷凝水吹入車內，因此，蒸發器較少使用銅翅片。

蒸發器處于室內腔，不接觸紫外線及雨水，親水膜鋁翅片可滿足防腐要求。

冷凝器直接與外界進行接觸，在架修過程中發現親水膜已經存在不同程度的破損。

3 ?空調機組熱交換器結構分析

根據權威機構的測試，圖3結構尺寸為6排、有效高度為600、有效長度為610、片距2.0mm條縫鋁翅片的橢圓管換熱器與圓管換熱器在相同工況與2.5m/s風速下。

橢圓管與圓管對比，氣流更均勻，管后換熱不充分面積小，從測試結果對比中可以看出，橢圓管換熱器;風側阻力比圓管換熱器低50%，供冷量比圓管換熱器高12%，冷風比提高14%。

4 ?關于空調機組熱交換器選型建議

①在成本允許的情況下，蒸發器使用鋁翅片親水膜型式，冷凝器使用紫銅型式，或者研究銅鋁合金材料等。②廠家改變親水膜的工藝，提高抗紫外線、耐腐蝕度能力。避免親水膜在長時間使用后的破損。③通過改變銅管結構（如橢圓狀），提高制冷效果。④熱交換器與空調機組水盤的配合精度需要考慮，配合縫隙不宜過大。

5 ?結束語

不同翅片型式的換熱器，其空氣側換熱系數及阻力特性均有所差異，大量的實驗發現：在獲得好的熱交換器特性的同時，不可避免的造成成本、重量、體積等的增加。其次，空調工程中所使用的大部分換熱器都是干、濕工況交替運行的，而不同翅片換熱器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比，有很大差異。

另外，提高換熱器銅管單位質量的換熱效率，是提高空調銅管使用性價比的主要思想，如對銅管內部溝槽的高度、數量及角度進行優化，同時也可對室內熱交換器進行優化，在鋁片的表面加工出凹凸狀，擴大表面積，提高換熱效率。銅管的數量也是影響散熱量的重要參數，適當的增加銅管也可提高換熱效率，但并不是越多越好。因此，如何正確選用翅片型式，對熱交換器實際工作特性的影響不容忽視，最好的是在換熱與成本、體積之間找到一種折中的方案。

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作者簡介：劉少波（1988-），男，陜西咸陽人，工程師，本科，2012年畢業于蘭州交通大學車輛工程（電力機車方向）專業，獲得工學學士學位，現在西安地鐵從事地鐵車輛架、大修、故障分析等技術管理工作。