目前我国已经成为全世界汽车产业最重要的市场,数据^[1]显示从2009—2014年,我国汽车产销量已连续多年世界第一,成为了名副其实的汽车生产大国和消费大国.汽车空调作为提高乘坐舒适性的重要装置,被广大汽车制造商和消费者认可,在激烈的汽车市场竞争中地位日趋突出.

微通道冷凝器在汽车空调行业已经使用多年,它是一种高效紧凑式微通道热交换器.现阶段汽车空调行业的快速发展势必为微通道换热器行业提供巨大的市场.目前微通道换热器生产制造商较多,但产品性能和科研制造水平差距较大.一些企业根据自身生产实际情况和产品需要,将已有的多种零部件独立测试试验台合建成为综合性测试试验台.尽管这在很大程度上节省了场地空间和资金投入,但往往使整个测试系统过于复杂,对试验操作人员的技术要求较高^[2-3],因此,研制冷凝器单体性能测试试验台即主机及风洞系统试验台,对微通道冷凝器产品的研发、检测和规范化都具有极其重要的意义.

1 试验系统

本试验系统根据上海某企业的技术要求,参照GB/T 23130—2008《房间空调器用热交换器》^[4]和JB/T 7659.5—1995《氟利昂制冷装置用翅片式换热器》^[5],针对微通道换热器用作汽车空调冷凝器的特点,研制了一套冷凝器单体性能测试试验台,即汽车空调试验台总成.根据设计要求,所研制的主机及风洞系统在名义工况下能够测试的冷凝器额定换热量为3~30 kW,冷凝器最大安装尺寸为1 200 mm×800 mm,循环风量设计为600~9 000 m³·h^-1,可测最大尺寸冷凝器最大迎面风速为2.6 m·s^-1.选取R134a作为制冷剂,冷凝器入口制冷剂温度取90 ℃.该试验台可测试不同工况的冷凝器换热性能,并可采集计算所需的性能试验数据.汽车空调试验台总成原理图如图 1所示.

1.1 主机系统

主机系统的主要功能为控制制冷剂参数,包括冷凝器进口温度、进口压力和出口过冷度等.另外,主机系统还需要恒温水箱维持蒸发环境的稳定.

主机系统使用了两个电加热器.一个电加热器用于调节冷凝器入口制冷剂的温度,另一个电加热器用于调节恒温水箱温度,对冲蒸发器制冷量.为了精确调节制冷剂流量并控制过冷度,主机系统采用双电子膨胀阀并联的方式进行控制,分为主节流机构和辅助节流机构.

主机系统的制冷剂热量不断通过所测试的冷凝器被空气带走,因此,在蒸发器处就产生了低温区,需要热源补充.主机系统蒸发器所需热量由循环水系统提供.循环水系统包括冷却水系统和恒温水箱系统.冷却水系统一方面根据系统工况要求引入恒温水箱,另一方面考虑到冷凝器样件测试完成后,需要回收其内部的制冷剂,所以利用其冷却冷凝回收压缩机的排气,以便将回收的制冷剂存储在储液罐中.恒温水箱系统主要由水箱、水泵、电加热器和温度传感器等组成.为防止循环水在蒸发器内冻结,除了利用温度传感器检测进、出口温度外,还对循环水进行了处理,在恒温水箱中加入一定质量的氯化钙,以大大降低循环水的冰点.

1.2 风洞系统

该风洞系统为设计成半开放式的开度可调的环路风洞系统,用于放置测试样件.除了需要对循环空气流量进行控制和测量外,还需要对冷凝器进风温度进行控制和测量.

系统循环空气流量的控制主要由循环风机、可调电压系统和流量计完成.风洞系统的前段具有足够长的整流段,可使循环空气的流场和温度场分布均匀,将体积流量计安装在直管中测量循环空气的体积流量.此外,系统采用两条途径对冷凝器进风干球温度T_ai进行控制:一条途径是利用PID(比例积分微分)技术调节电加热器功率;另一条途径是通过调节电动执行机构控制回风风门开度,进而调节环境空气与循环空气的混合,实现对循环空气升温和降温的控制.两条途径共同作用实现对冷凝器进风干球温度T_ai的精确控制.

由于空气在流过冷凝器后被加热,不像蒸发器处有水凝结析出,因此无需测量冷凝器出风湿球温度.但为满足特殊测试需求,在风洞系统内安装了加湿装置,用于调节冷凝器迎面空气含湿量.

2 试验测试及结果分析

为验证试验台的稳定性和准确性,利用该试验台对所选取的两款微通道换热器进行性能试验.所选用的换热器用作冷凝器.所选1号冷凝器为某款汽车空调用已量产的微通道换热器,2号冷凝器较1号冷凝器尺寸小,片距大.冷凝器结构参数如表 1所示.

2.1 测试要求

冷凝器的参数设定值需由测试要求给出,其中空气侧包括冷凝器进风干球温度(特殊情况包含湿球温度)、迎面风速等;制冷剂侧包括冷凝器进口制冷剂温度(或过热度)、进口压力、出口制冷剂温度(或者过冷度)等.基于满足测试要求的设定值进行试验所得的结果才具有评估价值^[6].

根据测试要求,1号、2号冷凝器的测试条件如表 2所示,要求测试冷凝器在不同迎面风速下的性能.与1号冷凝器测试要求不同,为验证试验台加湿系统的可靠性,在对2号冷凝器进行性能试验时运行了加湿系统,对空气侧进风湿球温度作了设定,在给定环境工况下测试了2号冷凝器在不同迎面风速下的性能.

3 测试结果分析

迎面风速对冷凝器性能的影响极为显著,分析风速对冷凝器换热量、空气压降及制冷剂压降的影响,对判断冷凝器性能好坏非常重要^[7-9].

3.1 风速对换热量的影响

对1号冷凝器和2号冷凝器的性能试验结果进行分析,在其他试验参数不变的前提下,按照测试要求,研究迎面风速对微通道冷凝器换热量的影响.

图 2为1号冷凝器和2号冷凝器迎面风速对换热量的影响.换热量分为空气侧测试的换热量和制冷剂侧测试的换热量,两者偏差均在5%以内.1号冷凝器为第1组试验,空气侧和制冷剂侧换热量偏差极小;2号冷凝器空气侧和制冷剂侧偏差相对大一些.由于制冷剂侧换热量在计算时忽略了润滑油的影响,但润滑油稀释在制冷剂中,参与循环流动且自身不发生相变.循环制冷剂中润滑油含量越多,对制冷剂循环流量和换热量的影响越大,因此润滑油造成的误差总是存在.所以,可以判定1号冷凝器循环制冷剂含油量相对较低.通常为提高制冷剂侧换热量测试结果的准确性,在压缩机排气管上安装高效油分离器.

此外,从图 2可以看出,冷凝器的换热量随着迎面风速的提高显著增加,但迎面风速提高到一定值后,再继续提高迎面风速对换热器的换热量影响不大.由此可知,对于给定冷凝器,迎面风速存在一个最佳值,可使冷凝器综合性能最优.同时也可以认为,随着迎面风速的继续增大,微通道冷凝器的换热量将趋向于某个特定值.

3.2 风速对空气压降的影响

与家用空调不同,汽车空调冷凝器迎面风速变化范围较大,对空调整体性能会产生一定的影响,因此分析迎面风速对冷凝器空气压降的影响显得比较重要.针对1号冷凝器和2号冷凝器的试验结果,在其他条件不变的前提下,仅改变冷凝器迎面风速,分析迎面风速对空气压降的影响.

从图 3可以看出,1号冷凝器迎面风速在1~2 m·s^-1时,空气压降增速缓慢,但随着迎面风速增加,空气压降增速增大;2号冷凝器迎面风速在1~3 m·s^-1时,空气压降增速也很缓慢,随着迎面风速增加,空气压降增速随之增大.由此可见,微通道冷凝器在迎面风速相对较低时,空气压降增速缓慢;随着迎面风速增加,空气压降增速变大.对于依靠电机强制对流换热的家用空调或者依靠汽车车速换热的汽车空调而言,这是不经济的.因此,在利用增大迎面风速增加换热量时,需要综合考虑空气压降,选择一个最佳迎面风速.

3.3 风速对制冷剂压降的影响

冷凝器制冷剂侧的进出口压降对压缩机功耗有着重要影响.当其他结构参数一定时,压降小,压缩机功耗减小,压降大,则压缩机功耗增加.图 4为迎面风速对制冷剂压降的影响.

从图 4可以看出,当冷凝器入口制冷剂压力、过热度和出口过冷度及进风温度一定时,随着迎面风速的增大,冷凝器进出口制冷剂压降增大.当迎面风速继续提高,制冷剂压降显著增大,亦即制冷剂在微通道内的流阻大幅增加.这也是由于冷凝器迎面风速的增大,将使换热量增加,但进口制冷剂参数不变,导致出口温度和压力下降,使得进出口压降变大.

此外,微通道冷凝器的制冷剂压降与流程数、各流程扁管数以及扁管孔数、孔径、孔形有密切关系^[10-12].因此,合理设计微通道冷凝器流程数和各流程的扁管数,选择适当的扁管孔数和孔径、孔形,可使冷凝器制冷剂侧换热面积得到充分利用,使换热量增加而制冷剂压降减小.这对微通道冷凝器优化设计具有重要意义.

4 结论

本文研制的汽车空调性能试验台总成——主机及风洞系统,以空气侧换热量作为主测,制冷剂侧换热量作为辅测,并选取两款微通道冷凝器作了性能测试,验证了该试验台的准确性和稳定性.根据实验数据得到了冷凝器迎面风速对换热量、空气压降和制冷剂压降的影响规律,为微通道换热器的优化设计及企业的相关研究提供参考.