冷藏/冷冻车辆用蒸发器空气侧传热及压降试验研究

时间：2024-07-28

王振环，崔然成，权宁哲

（1.滨州学院机电工程学院，山东滨州 256600；2.韩国制冷空调认证中心，韩国京畿道华城 18608；3.韩国鲜文大学机械ICT融合工程学院，韩国天安牙山 31460）

0 引言

目前，保持食品的新鲜配送是由冷藏/冷冻车辆进行的，在存储和运输过程中应将室内空间保持在适当温度，所以对制冷机组车辆室内空间中温度的控制至关重要［1-5］。随着制冷机组车辆的使用在全球范围内迅速增长，到2020年已超过700万辆。因为制冷机组车辆比常规车辆消耗更多的能源，所以需要持续的技术开发以通过降低燃料成本来减少能耗和二氧化碳排放量。所以研究不同参数下的蒸发器具有一定的意义。

钟天明等［6］总结了翅片管式换热器的强化方面的综合研究进展。刘梦悦等［7］针对家用空调翅片管式换热器，通过试验利用空气焓差法测试管排数对换热量的影响，并且通过模拟分析不同制冷剂质量流量变化时对不同管排数翅片管式换热器换热性能的影响。KIM等［8］研究了翅片概念条件下根据间距的特性，随着间距较小时，传热较大。曾小林等［9］翅片间距在10 mm以内时，随着翅片间距减小，翅片的表面换热系数组件降低。JUNG等［10］根据翅片形状分析了板翅式换热器的性能，并证实了偏移翅片的传热性能约为板翅片的2倍。陈彪等［11］对3种不同类型的翅片管式换热器（平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片）的流动传热性能进行了三维数值模拟计算。金妍等［12］研究了风速对微通道换热器性能的影响，并分析微通道换热器表面温度分布情况及进出口压力变。王强等［13］对3种常见风速分布形式下翅片管换热器性能进行仿真优化分析，并利用焓差室搭建试验台对仿真结果进行了试验验证。LEE等［14］翅片管换热器最佳回路数的推导方法进行了研究。秋雨豪［15］对百叶窗翅片管式换热器空气侧换热和压降特性的影响进行了试验研究。唐凌虹等［16］对大管径下3中不同的翅片管式换热器空气侧的传热及阻力性能进行了试验研究。屠琦琅等［17］对不同翅片间距和开缝高度的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟，并对数值模拟结果进行了模拟化试验验证。高晶丹等对空调用小管径翅片管蒸发器的翅片结构和制冷剂流路设计进行了研究［18-21］。HA等［22］研究了蒸发器的传热管的性能特征，并提出传热量随着传热管的浸入率的增加而降低。

综上所述，尽管对空调用热交换器已经进行了较多的研究，但是对用于车辆制冷机组的热交换器的研究较少。且其中大多数研究主要集中在使用简单方法或者单一的影响因素对热交换器进行试验和数值模拟研究。为了系统地研究蒸发器控制的制冷机组车辆室内温度环境的性能，以热交换器作为蒸发器，利用空气焓差法在4种翅片形状、5种翅片节距、4种管排数以及6种空气流量的试验条件下，对热交换器的空气侧换热和压降性能进行对比评估。

1 试验设备及方法

本试验室采用空气焓差法来测量蒸发器的各项性能参数，包括制冷能力、制热能力、风量、功耗等，可作为蒸发器检测和设计开发的重要手段。为了测试制冷机组蒸发器的传热和压降性能，在该试验中用于空气处理机组和所使用的制冷机组蒸发器性能测试的制冷系统试验设备［7］如图1所示，主要由空气处理机组、制冷系统、腔室（chamber）等组成。空气处理机组用于保持室内的恒温恒湿以及进气的温度和湿度恒定，制冷系统由制冷循环组成，可保持制冷剂的温度和流量恒定。将腔室的干球/露点温度控制在设定值的允许范围内（±0.3），并通过测量空气流量、进出口的干/湿球温度来计算焓值，以计算蒸发器的传热性能。在制冷剂方面，制冷系统中安装了质量流量计、RTD温度传感器和压力计，以分别测量制冷剂循环流量、温度和压力数据。测得的试验数据以2 s的间隔存储，对5 min的测量值进行平均，并测量7次以计算总平均值。本试验室可达到测试精度2%以内，重复性精度±1%以内。

图 1 试验装置示意Fig.1 Schematic drawing of the experimental setup

为了了解蒸发器的性能，根据式（1）～（3）计算出空气侧热量Qa、制冷侧热量Qr、平均热量Q。

式中，C，h——质量流量、比热、焓；

a，pa，oa，ia，r，or，ir——下标，空气、压力、空气侧出口、空气侧入口、制冷剂、制冷剂侧出口、制冷剂侧入口。

图2（a）（b）分别示出了试验研究用蒸发器的左侧和右侧的管道连接。分别对4种不同翅片形状的蒸发器（图3）进行了试验研究。制冷机组蒸发器的主要结构尺寸参数见表1，并且试验中的蒸发器的翅片厚度、路径、外径尺寸等参数均相同。本试验研究了翅片形状、翅片节距、管排数和空气流量的变化对蒸发器性能的影响。

图2 蒸发器路径示意Fig.2 Schematic diagram of the evaporator path

图3 蒸发器的翅片形状Fig.3 Fin shape of the evaporator

表1 蒸发器的结构尺寸参数Tab.1 Structural specifications of evaporator

蒸发器的试验条件见表2。空气侧试验条件设定为大气压，吸入温度为0 ℃，相对湿度为50%，空气流量为20～70 m3/min，间隔为10 m3/min。制冷剂侧试验条件设定为入口压力为300 kPa，循环流量为347 kg/h。通过使用变频器控制频率来改变空气流量。在空气侧和制冷剂侧同时测量蒸发器的性能，并且获得偏差小于±5%的数据。蒸发器在安装时上下左右尽可能地隔热，以确保在恒温恒湿箱中安装的数据测试仪的入口处测得的热量不会泄漏，从而可以保持恒温恒湿。在试验中，通过改变蒸发器的翅片形状、管排数、翅片节距和空气流量的同时试验每个蒸发器的制冷能力和压降，通过相对性能比较以选择最佳蒸发器以及不同参数对蒸发器性能的影响。

表2 蒸发器的试验条件Tab.2 Test inlet conditions of evaporator

2 试验结果与分析

2.1 翅片形状对制冷能力和压降的影响

翅片形状和空气流量（20，40，60 m3/min）对制冷机组蒸发器制冷能力及压降的影响如图4所示。由图4（a）可知，在空气流量20 m3/min时，以平板状翅片为基准，波纹状、条缝和百叶窗翅片的制冷能力分别增加了18%，34%，56%；在空气流量40 m3/min时，制冷能力分别增加了11.6%，16.3%，18.6%；在空气流量60 m3/min时，制冷能力分别增加了1.9%，2.9%，3.9%；在相同的试验条件下，百叶窗翅片与平板状、波纹状、条缝翅片相比具有最佳的传热能力。然而，随着空气流量增大，4种不同翅片形状的蒸发器制冷能力差异为1%，冷却能力反而大大降低。随着翅片形状变化，蒸发器的空气侧热流动过程变得活跃从而可以增加传热能力。然而，根据翅片形状，空气侧的压降有可能增加，因此本试验也研究了不同翅片的压降性能。

图4 翅片形状对蒸发器制冷能力和压降的影响Fig.4 Effect of fin type on cooling capacity and pressure drop

由图4（b）可知，在空气流量20 m3/min时，以平板状翅片为基准，波纹状、条缝和百叶窗翅片的空气侧压降分别增加了30.4%，140.2%，250.0%；在空气流量40 m3/min时，压降分别增加了40.0%，160.0%，340.0%；在空气流量60 m3/min时，压降分别增加了33.3%，116.7%，266.7%；在相同的试验条件下，百叶窗翅片与平板状、波纹状、条缝翅片相比，压降最大。随着空气流量增大，4种不同的翅片形状蒸发器的压降线性增大。综上所述，由图4（a）（b）可知，虽然百叶窗翅片的制冷能力最佳，但是相应的压降最大。平板状翅片与波纹状、条缝、百叶窗翅片相比，制冷能力对比压降降幅的增加比率分别为约3.4倍、9.1倍和16.9倍，其中波纹状翅片最低。因此，选用波纹状翅片蒸发器制冷机组。

2.2 翅片节距对制冷能力和压降的影响

空气流量为40 m3/min时，翅片节距对制冷机组蒸发器的制冷能力和压降的影响，如图5所示。

图5 翅片节距对蒸发器制冷能力和压降的影响Fig.5 Effect of fin pitch on cooling capacity and pressure drop

由图5（a）可知，随着波纹状翅片节距的增大，蒸发器的制冷能力逐渐变小。当节距从3 mm变化为4 mm时，蒸发器的制冷能力降低约2%；当节距从4 mm变为5 mm时，蒸发器的制冷能力降低约4%；当从5 mm变为6 mm以及从6 mm变为7 mm时，制冷能力降低约10%和16%。该结果表明，在本试验范围内，蒸发器的制冷能力在节距为5 mm以上时，制冷能力增幅不大，大于5 mm时制冷能力大大降低。由图5（b）可知，随着波纹状翅片节距的增大，蒸发器的压降逐渐变小。当节距从3 mm变化为4 mm时，蒸发器的空气侧压降降低约19.6%；当节距从4 mm变为5 mm时，蒸发器的压降降低约14.9%；当从5 mm变为6 mm以及从6 mm变为7 mm时，压降降低约12.1%和11.7%。综上所述，由图5可知，翅片节距5 mm以上时，蒸发器的制冷能力急剧减少，翅片节距5 mm以下时，蒸发器的压降大幅增加。因此在本试验范围内，翅片节距为5 mm最为合适。

2.3 管排数对制冷能力和压降的影响

管排数的变化对蒸发器制冷能力的影响，如图6（a）所示。单位管排数制冷能力是试验得到的制冷能力除以管排数计算出的单位制冷能力。由图6（a）可知，随着管排数的增加，制冷能力明显增加，但是在增加到6排之后，增加量略有放缓。当管排数从2变化为4时，蒸发器的制冷能力增加约78.9%；当从4变为6时蒸发器的制冷能力增加约35.3%；从6变为8时蒸发器的制冷能力增加约15.2%。管排数为2时单位制冷能力最大为1.9 kW，随着管排数的增加，单位制冷能力几乎呈线性下降。

管排数的变化对蒸发器压降的影响，如图6（b）所示。单位管排数压降是试验得到的压降除以管排数计算出的单位压降。由图6（b）可知，随着管排数的增加，空气侧压降明显增加，几乎呈线性增加。当管排数从2变化为4时，蒸发器的空气侧压降增加约84.2%；管排数从4变为6时，蒸发器的压降增加约41.6%；管排数从6变为8时，蒸发器的压降增加约29.4%；但当管排数从2变化为8时，蒸发器的空气侧压降因管排数变化而增加约237.6%。在另一方面，从单位压降来看，管排数为2时压降最大为6.7 Pa，随着管排数的增加，观察到单位压降呈逐渐下降趋势。综上所述，由图6可知，综合考虑管排数对单位制冷能力和压降的影响，管排数为6时性能最合适。

图6 管排数对蒸发器制冷能力和压降的影响Fig.6 Effect of tube row on cooling capacity and pressure drop

2.4 空气流量对制冷能力和压降的影响

空气流量对蒸发器的制冷能力及压降的影响，如图7所示。由图7（a）可知，随着空气流量的增大，空气流量在20～50 m3/min时，制冷能力明显增加，但是空气流量在50～70 m3/min时，制冷能力上升量略有放缓。因为随着空气流量的增加，翅片管中的对流传热增加，从而蒸发器的制冷能力接近最大制冷能力。对条缝和百叶窗翅片，在空气流量为30 m3/min以上时，制冷能力的增加趋势明显趋缓，而在40 m3/min以上时，制冷能力的增加已不足1 kW。对于波纹状翅片，在空气流量为50 m3/min以上时，制冷能力的增加明显降低。从该试验结果可发现，与平板状翅片相比，条缝、波纹状和百叶窗翅片，在较低的空气流量中显示出更优秀的制冷能力，随着空气流量的增加，翅片形状的影响逐渐减少，蒸发器的制冷能力显示出一定的性能极限。由图7（b）可知，随着空气流量的增大，空气侧的压降明显增加。对于百叶窗翅片，在空气流量为70 m3/min时，空气侧压降增加最大，达到306 Pa。相对于平板状翅片，波纹状翅片的压降增加了约38%，条缝翅片的压降增加了213%，百叶窗翅片的压降增加了约375%。4种不同的翅片形状压降性能比较顺序为平板状＜波纹状＜条缝＜百叶窗。综上所述，由图7可知，与平板状翅片不同，条缝、波纹状和百叶窗翅片的制冷能力在空气流量超过40 m3/min时增幅明显减少，由此刻判断出，空气流量在40 m3/min左右时制冷能力和压降最为合适。因此，在该试验中，可以判断出相比于百叶窗和条缝翅片，波纹状翅片更为合适。

图7 空气流量对蒸发器制冷能力和压降的影响Fig.7 Effect of air flow on cooling capacity and pressure drop