二氧化碳车用空调系统气冷器关键技术研究

摘要

能源紧缺与环境恶化长久以来都是世界尤其是中国面临的重大问题。近年来在全国大部分地区尤其是北方地区频繁出现的雾霾天气让感触颇深，也使认识到了保护环境迫切性。大量使用氟利昂和有氯元素的氢氟烃类制冷剂是引起臭氧层空洞和温室效应的主要原因，因此研发并使用节能环保的制冷工质尤其是天然工质是大势所趋。二氧化碳在环境友好性、安全性和单位体积制冷量等方面具有较大优势，成为首选的天然制冷工质，尤其在汽车空调领域。 本文采用理论分析、数值模拟和实验研究的方法，研究了多种因素对超临界二氧化碳在三叶管内流动与换热特性的影响；提出了一种新型梭形翅片，并对错列梭形翅片流道的流动与换热特性进行了研究；开发了采用新型梭形翅片的微通道气冷器，并采用响应面分析法对其结构尺寸进行了优化；分析了不同因素对平行流气冷器的流量分配的影响，在此基础上提出了能够提高气冷器流量分配性能的变组合深度集流管和内插分流片集流管。本文主要研究内容和结论如下： 1、分析了超临界二氧化碳的物性变化规律，研究了进口雷诺数、壁面热流密度、换热管管径、冷却压力和流动方向等因素对其在细三叶管和微通道三叶管等不同类型管道内的流动与换热特性。结果表明，超临界二氧化碳在三叶管内的局部对流换热系数沿换热管轴向变化明显，且在流体主流温度达到临界点温度时出现最大值。拟合了超临界二氧化碳在微通道三叶管内的换热关联式，新的换热关联式具有较高的精度和可靠度。 2、提出了一种新型的梭形翅片，采用ANSYS Fluent对比分析了梭形翅片和平直翅片的流动与换热特性，研究了梭形翅片宽度方向的一半a和高度方向的一半b等结构参数对梭形翅片流道流动与换热的影响，利用综合能效因子比较了不同参数构成的梭形翅片流道的综合性能。在本文的计算范围内，梭形翅片综合能效比同雷诺数下的平直翅片提高约41%~62%。 3、基于响应面分析，对采用错列梭形翅片的气冷器空气侧结构进行了优化研究，构建了具有较高质量的换热系数、压降、换热量的响应面，并分析了各输入参数对输出参数的影响。采用抽样筛选法和MISQP法相结合的方法，对优化目标最大换热系数、最小压降和最大单位压降换热系数进行了单目标优化。采用MOGA法同时对三个优化目标进行了多目标优化，得到了包含251个非劣的第一Pareto前沿样本点。将三个优化目标分成两组，设置不同的优化权重，分别得到了20个候选样本点。 4、研究了扁管进出口与集流管组合深度、扁管微通道孔径、扁管长度、扁管间距、集流管进口雷诺数等因素对D型集流管微通道平行流气冷器的流量分配的影响。从换热的角度出发，在火积和火积耗散的基础上推导出了能够用于评价流体分配均匀程度的扁管火积耗散不均匀度和气冷器总火积耗散不均匀度，为评价流体分配均匀程度提供了新方法。结果表明，在本文计算范围内，扁管微通道孔径、扁管进出口与集流管组合深度和集流管进口雷诺数对气冷器流量总分配不均匀度和总火积耗散不均匀度的影响较大，扁管长度和扁管间距对其的影响相对较小。对于本文研究的气冷器，建议微通道孔径不宜小于0.7mm，扁管与集流管组合深度应取T=0，其余参数可根据设计需要进行选取。 5、提出了变组合深度集流管和内插分流片集流管，并采用数值模拟方法研究了两种形式集流管对气冷器总流量分配不均匀度的影响。结果表明，通过改变扁管和集流管的组合深度以及集流管内插分流片可以提高气冷器流量分配性能。同时改变三组扁管组合深度能够达到比改变单组和两组更小的气冷器流量分配不均匀度；采用两个分流片比采用一个分流片，可以使气冷器获得更好的流量分配性能；两种新的结构可使气冷器总流量分配不均匀度最小值比所有扁管组合深度T=0时降低30%~50%。 6、设计、制作了一套采用激光多普勒测速仪测试梭形翅片流道内流体流动的冷模试验装置。使用该实验装置测量了梭形翅片流道内关键位置的速度分量，最后分析了产生实验误差的可能原因。结果表明，数值模拟的结果与实验值相对误差不超过25%，说明采用的数值模拟方法和结果准确可靠。研究数据为错列梭形翅片的应用提供了支持。

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