汽车空调暖风系统平行流换热器换热性能研究

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1、汽车空调暖风系统平行流换热器换热性能研究　　摘要：平行流换热器以其结构紧凑、换热效率高的特点已广泛应用于汽车空调中.简要介绍了汽车空调暖风系统平行流换热器结构，采用计算流体力学（CFD）数值模拟方法对平行流换热器的换热性能进行了分析，比较了空气侧风速和水流量对其换热量和流动阻力的影响.模拟结果表明：在增加相同百分比的情况下，增加空气侧风速比增加水流量对换热器换热量的影响大16%左右，但增加空气侧风速和水流量对换热器换热能力的影响均有限；随着风速的提高，换热量增加率逐渐减小，而空气侧阻力增加率越来越大；随着水流量增加，水侧压降增大非常明显；但两者增加对空气侧出口温度影响均不

2、明显.　　关键词：　　平行流换热器；换热性能；风速；水流量　　中图分类号：TB657.5文献标志码：A　　目前有关汽车空调的研究主要集中在制冷系统的仿真与实验，而关于暖风系统的研究很少，特别是关于非独立的暖水式换热性能研究更不多.陈江平等[1]从使用新工质及采用新技术等方面介绍了国内外汽车空调系统发展趋势；周益民等[2]建立三维数值模型，研究了百叶窗翅片开窗角度和换向区长度对平行流换热器换热性能的影响，可为其优化设计提供依据；董军启等[3]通过试验比较了翅片间距和高度对平行流换热器表面换热和阻力性能的影响，通过分析试验数据获得了j因子和f因子试验关联式；国内外对平行流换热

3、器在微通道内的流动、压降及传热系数进行了大量研究[4].关于暖风系统的平行流换热器的研究主要集中在百叶窗翅片角度、间距、高度和扁管等对其换热和流动性能的影响，然而工质的工况对其性能也有重要影响.所以本文主要分析空气侧风速和水流量对其换热和流动性能的影响并将两者进行比较.　　1平行流换热器结构与特性　　1.1平行流换热器结构　　平行流换热器（PFC）是一种新型的换热器[5]，多用于汽车空调，主要由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片构成.暖风系统平行流换热器结构如图1所示，图中：Fh为翅片高度；Ld为百叶窗宽度；Lh为百叶窗高度；Lp为百叶窗间距；α为百叶窗角度；Fp为翅片间距.平行

4、流换热器结构参数如表1所示，其中Ft为翅片厚度.工质水在多孔扁管中流动，空气垂直流过波纹翅片并与水进行换热.平行流换热器的主要特点是比表面积大，换热效率高，结构紧凑，空气侧压降较小，水侧换热性能增加时阻力减小，扁管和翅片的接触热阻较小，纯铝制品有利于回收等.本文主要介绍一种应用于汽车空调暖风系统的平行流换热器的换热性能，在不同水流量和空气侧风速下通过模拟仿真对其换热性能进行分析.而目前国内对平行流换热器的研究还比较少，本文旨在为国内平行流换热器设计提供参考.　　1.2水暖式汽车暖风装置　　汽车暖风装置是汽车冬季运行时供车内取暖的设备总称，其种类较多.按其所用热源可分为余热

5、式采暖系统和独立式采暖系统，其中余热式采暖系统又分为水暖式和汽暖式两种.水暖式采暖系统主要是以发动机冷却水的余热为热源，将热水引入换热器，由风扇将车内或车外空气吹过换热器使之升温[6].　　与气暖式系统相比，水暖式发动机的冷却液温度比较适宜且散热均匀，不会出现局部温度过高而烫伤乘客，亦不会出现因排气中的SO2等杂质长时间腐蚀换热器管壁造成因泄漏废气而中毒的现象，水暖式发动机在国内外生产的轿车、大型货车、采暖要求不高的大客?中已得到采用；与独立式采暖系统相比，水暖式发动机不需另外的燃料及相关设备，易获取热源，设备简单，节能环保，运行经济.　　2计算流体力学（CFD）模型　　

6、在流动换热过程中，空气从换热器一侧流入，然后与扁管和翅片相互作用进行对流换热，通过增加空气侧风速，能够增强空气流动的扰动，增强换热；增加工质水流量，可以增强换热器的换热性能.　　在开发汽车空调系统时，需要掌握的换热器性能数据可以通过实验获得，但在实验前进行数值模拟分析，可以大大缩短开发周期和降低成本.目前模拟时大多采用二维数值模型，其结果有待进一步考证.本文通过对百叶窗翅片进行三维数值模拟，进一步考察数值模拟的准确性以揭示百叶窗翅片的强化传热与流动机理[7].为简化模型，首先对模型作以下假设：①换热过程为三维稳态换热；②空气、工质水均为理想的不可压缩流体，各点参数不随时间

7、变化；③空气在整个迎风向上均匀分布；④扁管、百叶窗肋片表面具有相同的粗糙度，肋片和扁管焊接良好，连接光滑，不考虑加工因素的影响.　　式中：Gk为由层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；G1s、G2s、G3s均为常量；σk、σε分别为k方程和ε方程的普朗特数；μt为湍流涡黏性系数；k为湍流动能；ε为耗散率.　　2.2边界条件　　由于流动处于湍流状态，经对比分析选择了标准的k-ε模型.该模型是目前应用较广、受检验最多、数值求解技术最成熟的湍流模型，且对于平行流换热器的模拟有较高的稳定性.　　定义工质水入口处为流量