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空調(diào)冷凝器結(jié)構(gòu)及原理解析
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前言
冷凝器是空調(diào)系統(tǒng)四大部件之一，其換熱性能優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的性能，本文對比分析三種汽車空調(diào)冷凝器的結(jié)構(gòu)特點，尤其是目前應(yīng)用的最廣泛的平行流冷凝器式，最后通過數(shù)學(xué)模型的建立，得出換熱效率相關(guān)影響因素。
一、冷凝器工作原理
冷凝器是一種將從經(jīng)由壓縮機后高溫高壓的氣體工質(zhì)冷凝成中溫高壓的液體的熱交換器。是制冷循環(huán)中的四大件之一。
冷凝器具體換熱過程為：冷凝器扁管內(nèi)的高溫高壓氣態(tài)制冷劑通過管壁和翅片放出熱量給周圍空氣，從而冷凝成液體，是放熱過程，而通過冷凝器的空氣則被加熱升溫，是吸熱過程。壁面換熱過程總是兩種熱交換流體之間存在溫差，通過一定的傳熱面積，以一定的傳熱效率將熱量交換。
二、不同形式冷凝器特點比較
由于汽車空調(diào)的工作環(huán)境相對來說比較惡劣，為了追求更高的換熱性能，汽車空調(diào)冷凝器采用強制對流空氣冷卻，依次經(jīng)歷了管片式、管帶式、多元平行流式等結(jié)構(gòu)形式。
管片式冷凝器是較早采用的換熱器形式，屬常規(guī)換熱器，一般由圓管和各種型式的翅片構(gòu)成，片與傳熱管之間通過脹管聯(lián)結(jié)。管片式冷凝器熱效率較差，但結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低，因而目前在大、中型汽車空調(diào)中仍有采用。
管帶式冷凝器的結(jié)構(gòu)特點是采用多孔扁管和波紋型翅片擴展表面，單位體積的換熱面積大，屬于緊湊式換熱器。管帶式冷凝器傳熱面積大，換熱系數(shù)高，熱阻小，但同時流動阻力較管片式大得多。
平流式冷凝器結(jié)構(gòu)與管帶式非常類似，也是一種緊湊式換熱器，由管帶式冷凝器發(fā)展演變而來，由多孔扁管和波紋型百葉窗翅片組成。因為平流式冷凝器的扁管是每根截斷的，兩端有集流管，依據(jù)集流管是否分段，又可分為多元平流式和單元平流式。平流式冷凝器換熱性能得到進(jìn)一步提高，并具有換熱系數(shù)高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、制冷劑充灌量少等優(yōu)點。
1）?結(jié)構(gòu)緊湊
與管帶式冷凝器相比，平流式冷凝器減薄了管子厚度。制冷劑在兩相區(qū)的后半段和過冷液體區(qū)有較高的流速和換熱系數(shù)，這種變流程設(shè)計也使平行流式冷凝器的容積得到有效利用。
2）?空氣側(cè)阻力減少
加管內(nèi)側(cè)換熱強度；減小扁管寬度尺寸，使空氣側(cè)阻力減小。
3）?制冷劑側(cè)阻力減少
多元平流式冷凝器集流管中有隔片打斷，每段管子數(shù)不同，進(jìn)入冷凝器時，制冷劑呈氣態(tài)，比容最大，管子數(shù)也最多，隨著制冷劑逐漸冷凝成液體，其比容減小，管子數(shù)也相應(yīng)減小。因此平流式冷凝器制冷劑側(cè)流動阻力與管帶式相比大大降低，僅為其20%～30%。?
4）?換熱系數(shù)增大
百葉窗式翅片在空氣流動方向有豎直的間斷，形成了流體的剝離，增加了空氣擾動，使空氣側(cè)換熱系數(shù)增大；采用較密的翅片排列，以增加空氣側(cè)換熱面積。同時變流程設(shè)計制冷劑的流動和換熱情況更加合理，總換熱能力與管帶式相比可提高30%以上。
平行流冷凝器是目前應(yīng)用最廣泛的汽車?yán)淠鳌?/span>
三、平流式冷凝器換熱效率計算
平流式冷凝器屬于換熱器的一種，通過制冷劑與空氣間的熱量交換實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。傳熱公式可表達(dá)如下：
式中：Q——換熱量；F——換熱面積；——換熱溫差；K——傳熱系數(shù)。
從公式可見，提高傳熱系數(shù)、加大換熱面積和換熱溫差都可提高換熱量。該公式是換熱器換熱量計算通式，平流式冷凝器傳熱量計算需要確定翅片面積、扁管外壁面積、扁管內(nèi)壁面積、管外總換熱面積、空氣側(cè)換熱系數(shù)、管內(nèi)制冷劑換熱系數(shù)，才能正確計算換熱量。計算公式如下：?
式中：Sf——翅片面積；B1——翅片寬度；h——翅片高度，L——扁管長度；p——翅片間距。
?
式中：S0——管外壁面積；δt——翅片厚度。?
式中：Si——管內(nèi)壁面積；n——扁管孔數(shù)；a——扁管孔寬度；b——扁管孔高度。
?
式中：St——管外總換熱面積。?
式中：a——空氣側(cè)換熱系數(shù)；Nu——努謝爾特數(shù)；λ——熱導(dǎo)率；l——特征尺寸。
?
式中：ai——管內(nèi)側(cè)冷凝器換熱系數(shù)；Dc——當(dāng)量直徑。?
式中：ko——總傳熱系數(shù)；ri，ro——內(nèi)、外取污垢系數(shù)，（m2·K）/W。
由公式可知平流式冷凝器提高傳熱系數(shù)，增加換熱效率，即減小熱阻、增大換熱面積或增大換熱平均溫差都可以提高換熱量。
通過平流式冷凝器分析計算可見，在滿足制冷要求的前提下，冷凝器的尺寸不宜過大，尺寸過大不但安裝不便，更主要的是會降低換熱效率。從實例分析結(jié)果得出，隨著冷凝器換熱面積的增加，換熱量的增長越來越平緩，這樣就造成了材料的浪費，因此在滿足性能要求的情況下，換熱面積不宜過大。
結(jié)語
若想要提高冷凝器換熱量，單純的提高換熱面積并不可行，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化設(shè)計就格外重要，在此后的冷凝器系列中，將會逐一對扁管尺寸、翅片微觀結(jié)構(gòu)和集流管等變化時部件性能的變化進(jìn)行分析，為汽車空調(diào)平行流式冷凝器的性能改良提供參考。
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