汽车空调冷媒直冷 | 节点温差对汽车空调制冷系统性能影响

摘 要：

文章选用４种制冷工质，分析在不同的蒸发器出口空气温度、冷凝器出口空气温度下，节点温差对汽车空调制冷系统性能系数的影响规律，并以单位换热面积的系统性能系数为目标函数，对平行流换热器的总 换热面积进行优化。研究结果表明：对于所选工质，随着节点温差的增大，制冷系统性能系数降低，换热器面积减小，而目标函数值先升高后降低，即存在最优节点温差使得制冷系统经济性能最佳；在设定的工况条件下，R245fa、R1234ze、R134a、R123对应的最佳冷凝器节点温差分别为4，4，6，4 ℃，最佳蒸发器节点温差分别 为22、20、20、24℃；采用 R134a制冷剂时，当蒸发器出口空气温度为15 ℃、冷凝器出口空气温度为45 ℃时， 单位换热面积的系统性能系数最大。

随着社会经济的发展，节约能源、减少能源消耗、实现可持续发展变得尤为重要［１］。目前，国内外还有很多汽车空调仍然采用传统的设计方法， 没有从节能节材角度开展制冷系统的优化匹配设计［２］。

节点分析法是在能源利用系统中对换热器的 换热效果和取得最大能量回收进行综合分析的一 种方 法，适 用 于 有 机 朗 肯 循 环 （organicRankinecycle,ORC）系统的优化以及制冷系统的优化［３］。在蒸发器的空气侧，节点温差对湿空气的凝结有 着重要影响，湿空气首先与冷壁面接触实现降温， 当温度降到露点温度以下时，壁面上水蒸气开始 凝结［４］。文献［５］发现冷壁面温度是影响湿空气 对流传质的决定性因素；文献［６］通过热湿交换的 数值模型及实验研究，得到湿空气流速对凝结换 热过程的影响规律；文献［７］通过实验方法研究了 湿空气流速对冷凝器冷凝传热规律的影响。

本文针对不同的制冷工质 R245fa、R1234ze、R134a、R123，采用节点分析法对汽车空调制冷系 统的冷凝器、蒸发器的传热面积进行优化，建立自 定义函数ｆ＝CCOP／Ａｔ，即单位面积的制冷系统性能系数（COP）为 优化目标函数，研究换热器面积和制冷系统性能系数 的匹配关系，从而确定优选工质；分析优选工质在 不同的蒸发器出口空气温度、冷凝器出口空气温 度、蒸发器进口空气风速等工况条件下，节点温差 对系统换热经济性能的影响。

1 平行流换热器模型及性能分析 

１．１ 平行流换热器结构及制冷工质的选择

平行流换热器百叶窗翅片结构如图１所 示， 制冷剂在多孔扁管内流动，通过集流管和隔板将 制冷剂侧的流动分成若干个流程，空气侧采用波 纹形百叶窗翅片。

图１中：FP为 翅 片 间 距；LL 为 百 叶 窗 长 度；FL 为翅片高 度；Fd 为 翅 片 宽 度；LP 为 百 叶 窗 间 距；θ为百叶窗角度。

制冷工质的热物性是影响制冷系统性能的关 键因素之一，综合考虑其环保性、安全性、经济性 等，选择 R245fa、R1234ze、R134a、R123工质为研 究对象。

４种工质的热物性参数见表１所列。本文采 用的各制冷剂物性数据来自 REFPROP数据库。表１中：ODP为消耗臭氧潜能值；GWP为全球变暖潜能值。

１．２ 制冷系统的热力分析

汽车空调制冷循环压焓（ｐ－ｈ）曲线如图2a所 示，温熵（Ｔ-ｓ）曲线如图2b所 示。图2a中：１→２ 为压缩过程；２→５为冷凝过程；５→６为节流过程；６→１为蒸 发 过 程。空 气 温 度 与 工 质 温 度 的 最 小 传热温差即为节点温差［８］。一般蒸发器节点温差 在空气出口和制冷剂进 口之间，用 Δｔep 表 示，Δｔep＝ｔa6－Ｔ６，冷凝器节点温差在ｔa3与 Ｔ３ 之间， 用 Δｔcp表 示，Δｔcp＝Ｔ３ －ｔa3。节点温差不仅影响制冷系统的性能系数，还会影响换热器的换热面积。以节点温差为控制变量，调用工质的热物性参数，计算空气侧和制冷剂侧换热面积。计算工况条件为：蒸发器空气进口温度ｔa1＝26 ℃；冷凝 器空气进口温度ｔa5 ＝35 ℃；过 热 度ｔsup＝10 ℃；过冷度ｔsub ＝5 ℃。通过改变工质的节点温差Δｔep、Δｔcp、蒸发器空气出口温度ｔa6、冷凝器空气出口温度ｔa3，研究热力学参数随蒸发器节点温差的变化规律，优化单位换热器面积的性能系数，达到制冷系统的最佳性能匹配。

系统计算流程如图３所示。

２ 计算结果及分析 

２．１ 制冷循环性能随节点温差的变化规律

蒸发器空气进口温度ｔa1＝２６℃、冷凝器空气 进口温度ｔa5＝35 ℃时，４种工质的制冷系统性能和换热器面积以及自定义函数ｆ随节点温差的变化规律如图４～图６所示。

由图４ａ可知：随着 Δｔep从2 ℃增加到30℃，R245fa、R1234ze、R134a、R123的 COP值均逐渐 减小，且 R245fa和 R1234ze的 COP值大小变化 非常相近；随着 Δｔep从０ ℃增加到16 ℃，对同一个 Δｔep，COP值 的 大 小 依 次 为 R134a、R123、R1234ze、R245fa。由图４ｂ可知：随着 Δｔｃｐ从２℃ 增加到30 ℃，R245fa、R1234ze、R123的 COP 值 均逐渐减小，R134a的 COP值 先减小 后 增 大；对 同一个 Δｔｃｐ，COP值的大小依次为 R134a、R123、R1234ze、R245fa；对 于 R134a，最 大 COP 值 比 最 小COP值 大４４％。从 COP 值可以看出，R134a工质在汽车空调制冷循环中具有更好的热力性能。

由图５ａ可知：随着 Δｔep从２ ℃增加到３０℃， R245fa、R1234ze、R123、R134a的 Ａｔ 值均呈现先 快速减小、后逐渐缓慢减小的变化趋势；对同一个Δｔep，Ａｔ 值 的 大 小 依 次 为 R245fa、R123、R134a、R1234ze。由图５ｂ可知：随着 Δｔcp从２ ℃增加到 30 ℃， R245fa、R1234ze、R123、R134a的 Ａｔ 值均呈逐渐减小趋势；对 同 一 个 Δｔcp，Ａｔ 值 的 大 小 依 次 为 R245fa、R123、R134a、R1234ze，且 Δｔcp＝ ２ ℃、Δｔｃｐ ＝３０ ℃ 时，R245fa的 Ａｔ 比 R134a 的 Ａｔ 值分别多１７％、２８％。对于 R134a，最大Ａｔ 值 比最小Ａｔ 值大65％。因 为 换 热 面 积 太 小，换 热 效率会降低，换热面积太大，换热器耗材会增加，所以需要选择适中的换热面积。

由图５还可以看出，相较于冷凝器节点温差， 蒸发器节点温差对总换热面积Ａｔ 值的影响更大。

由图６ａ可知：随着 Δｔep从２ ℃增加到３０℃，R245fa、R1234ze、R134a、R123的 ｆ 值 均 先 快 速 增大 后 缓 慢 减 小，但Δｔep＝３０ ℃ 时 的 ｆ 值 比Δｔep＝２ ℃时的ｆ 值大；R245fa在 Δｔep＝２２ ℃时 出现拐点，R1234ze、R134a在 Δｔep＝２０ ℃时出现 拐点，R123在 Δｔep＝２４ ℃出现拐点。由图６ｂ可 知：随 着 Δｔｃｐ 从 ２ ℃ 增 加 到 ３０ ℃，R245fa、R1234ze、R123的ｆ 值均先 增 大 后 减 小，R245fa、R123 在 Δｔｃｐ ＝４ ℃ 时 达 到 拐 点，R1234ze 在 Δｔｃｐ＝６ ℃时达到拐点；R134a先 在 Δｔｃｐ＝４ ℃时 达到第１个拐点，逐渐上升在 Δｔｃｐ＝２２ ℃时达到 第２个拐点，之后ｆ值快速增加。

从图６还可以看出，相较于冷凝器节点温差， 蒸发器节点温差对ｆ值的影响更大。

综合考虑制冷系统 COP值、换热总面积 Ａｔ、 自定义函数ｆ以及 R134a对环境友好等特性，选 用 R134a作为 汽 车 空 调 制 冷 剂 比 较 合 理。通 过 分析冷凝器 节 点 温 差 和 蒸 发 器 节 点 温 差 对COP值、Ａｔ、ｆ的影响可知，蒸 发 器 节 点 温 差 产 生 的 影 响较大.

２．２ 节点温差对 Ｒ１３４ａ系统性能的影响 

２．２．１ 不同出口空气温度ｔａ６下的结果分析

工质 R134a在蒸发器不同空气出口温度ｔa6下，蒸发器节点温差对单位面积的制冷系统性能 系数ｆ的影响如图７所示。由图７可知：ｔa6分别 为5、10、15、20 ℃时，随着蒸发器节点温差 Δｔep从 ２ ℃增加到30℃，ｆ 值均呈先增大后22 ℃时出现拐点；在 Δｔep＝２ ℃、ｔa6＝20 ℃时的ｆ值比ｔa6为5、10、15 ℃时 低；ｔa6从５ ℃增加到20 ℃，ｆ 值呈逐渐增大的趋 势。在Δｔep为２～４ ℃时，达到同一个ｆ 值，ｔa6＝ 10℃需要的节点温差最小；在 Δｔep为４～６ ℃时，ｔa6＝15 ℃ 需要的节点温差最小；在 Δｔep为 2～ 8 ℃时，ｔa6＝20℃需要的节点温差最大；在Δｔep为 6～22 ℃时，ｔa6 ＝20 ℃需要的节点温差最小；在Δｔep为22～30 ℃时，ｔa6＝15 ℃时 的ｆ 值 远 大 于ｔa6为５、10 ℃的ｆ 值，这是由于 COP值的变化比换热面积的变化快，COP 值增大，所需换热面积减小，经济性能增加。可见，增加ｔa6换热温差会 得到提高，进而提高了蒸发器的换热量。因此，蒸发器空气出口温度不易过高，ｔa6＝15 ℃时经济性 能比较好。

２．２．２ 不同空气出口温度ｔa3下的结果分析

工质 R134a在冷凝器不同空气出口温度ｔa3下，蒸发器节点温差对单位面积的制冷系统性能 系数ｆ的影响如图８所示。

由图８可知：ｔa3分别为43、45、47、49℃时，随 着蒸发器节点温差 Δｔep从２ ℃增加到30 ℃，ｆ 值 分别在 Δｔep为20、20、22、22 ℃时出 现拐点；ｔa3从 43 ℃增加到49 ℃，ｆ值呈逐渐减小的趋势，并且 ｆ值的大小接近。对同一个ｆ值，ｔa3＝43 ℃时需 要的节点温差最小，ｔa3＝49 ℃时需要的节点温差 最大。因此冷凝器空气出口温度不易过高，选择 比进口温度高10℃左右的出口温度，换热效果比较好。由图８还可以看出，冷凝器不同空气出口 温度ｔa3对单位面积的制冷系统性能系数ｆ值的 影响不明显。

３ 结　　论

本文模拟了不同工质、不同蒸发器出口空气温度、冷凝器出口空气温度下节点温差对制冷系统性能的影响，得出如下结论： 

（１）对于所选工质，均存在一最佳节点温差， 随着节点温差的增大，系统COP值降低，换热器面积减小，而目标函数值先升高后降低，即存在最 优节点温差使系统的经济性能最佳。 

（２）R245fa、R1234ze、R134a、R123对应的最 佳冷凝器节点温差分别为4,4,6,4 ℃，最佳蒸发 器节点温差分别为22、20、20、24 ℃。

（３）考虑热力性和经济性，采用自定义函数， 即单位面积的制冷系统性能系数ｆ，ｆ 值越大，系 统综合性能越佳，在设定的工况条件下，R134a性能最佳。在蒸发器出口空气温度为15℃、冷凝器 出口空气温度为45℃时，对应的蒸发器节点温差 为20 ℃。

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