汽车研发：空调冷凝器结构及原理解析！

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空调冷凝器结构及原理解析

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前言

冷凝器是空调系统四大部件之一，其换热性能优劣直接影响系统的性能，本文对比分析三种汽车空调冷凝器的结构特点，尤其是目前应用的最广泛的平行流冷凝器式，最后通过数学模型的建立，得出换热效率相关影响因素。

一、冷凝器工作原理

冷凝器是一种将从经由压缩机后高温高压的气体工质冷凝成中温高压的液体的热交换器。是制冷循环中的四大件之一。

冷凝器具体换热过程为：冷凝器扁管内的高温高压气态制冷剂通过管壁和翅片放出热量给周围空气，从而冷凝成液体，是放热过程，而通过冷凝器的空气则被加热升温，是吸热过程。壁面换热过程总是两种热交换流体之间存在温差，通过一定的传热面积，以一定的传热效率将热量交换。

二、不同形式冷凝器特点比较

由于汽车空调的工作环境相对来说比较恶劣，为了追求更高的换热性能，汽车空调冷凝器采用强制对流空气冷却，依次经历了管片式、管带式、多元平行流式等结构形式。

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管片式

管片式冷凝器是较早采用的换热器形式，属常规换热器，一般由圆管和各种型式的翅片构成，片与传热管之间通过胀管联结。管片式冷凝器热效率较差，但结构简单、加工成本低，因而目前在大、中型汽车空调中仍有采用。

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管带式

管带式冷凝器的结构特点是采用多孔扁管和波纹型翅片扩展表面，单位体积的换热面积大，属于紧凑式换热器。管带式冷凝器传热面积大，换热系数高，热阻小，但同时流动阻力较管片式大得多。

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平行流冷凝器

平流式冷凝器结构与管带式非常类似，也是一种紧凑式换热器，由管带式冷凝器发展演变而来，由多孔扁管和波纹型百叶窗翅片组成。因为平流式冷凝器的扁管是每根截断的，两端有集流管，依据集流管是否分段，又可分为多元平流式和单元平流式。平流式冷凝器换热性能得到进一步提高，并具有换热系数高、质量轻、结构紧凑、制冷剂充灌量少等优点。

1） 结构紧凑

与管带式冷凝器相比，平流式冷凝器减薄了管子厚度。制冷剂在两相区的后半段和过冷液体区有较高的流速和换热系数，这种变流程设计也使平行流式冷凝器的容积得到有效利用。

2） 空气侧阻力减少

加管内侧换热强度；减小扁管宽度尺寸，使空气侧阻力减小。

3） 制冷剂侧阻力减少

多元平流式冷凝器集流管中有隔片打断，每段管子数不同，进入冷凝器时，制冷剂呈气态，比容最大，管子数也最多，随着制冷剂逐渐冷凝成液体，其比容减小，管子数也相应减小。因此平流式冷凝器制冷剂侧流动阻力与管带式相比大大降低，仅为其20%～30%。 

4） 换热系数增大

百叶窗式翅片在空气流动方向有竖直的间断，形成了流体的剥离，增加了空气扰动，使空气侧换热系数增大；采用较密的翅片排列，以增加空气侧换热面积。同时变流程设计制冷剂的流动和换热情况更加合理，总换热能力与管带式相比可提高30%以上。

平行流冷凝器是目前应用最广泛的汽车冷凝器。

三、平流式冷凝器换热效率计算

平流式冷凝器属于换热器的一种，通过制冷剂与空气间的热量交换实现能量转移。传热公式可表达如下：

式中：Q——换热量；F——换热面积；——换热温差；K——传热系数。

从公式可见，提高传热系数、加大换热面积和换热温差都可提高换热量。该公式是换热器换热量计算通式，平流式冷凝器传热量计算需要确定翅片面积、扁管外壁面积、扁管内壁面积、管外总换热面积、空气侧换热系数、管内制冷剂换热系数，才能正确计算换热量。计算公式如下： 

式中：S_f——翅片面积；B₁——翅片宽度；h——翅片高度，L——扁管长度；p——翅片间距。

 

式中：S₀——管外壁面积；δ_t——翅片厚度。 

式中：S_i——管内壁面积；n——扁管孔数；a——扁管孔宽度；b——扁管孔高度。

 

式中：St——管外总换热面积。 

式中：a——空气侧换热系数；N_u——努谢尔特数；λ——热导率；l——特征尺寸。

 

式中：a_i——管内侧冷凝器换热系数；D_c——当量直径。 

式中：k_o——总传热系数；r_i，r_o——内、外取污垢系数，（m2·K）/W。

由公式可知平流式冷凝器提高传热系数，增加换热效率，即减小热阻、增大换热面积或增大换热平均温差都可以提高换热量。

通过平流式冷凝器分析计算可见，在满足制冷要求的前提下，冷凝器的尺寸不宜过大，尺寸过大不但安装不便，更主要的是会降低换热效率。从实例分析结果得出，随着冷凝器换热面积的增加，换热量的增长越来越平缓，这样就造成了材料的浪费，因此在满足性能要求的情况下，换热面积不宜过大。

结语

若想要提高冷凝器换热量，单纯的提高换热面积并不可行，因此系统结构参数分析与优化设计就格外重要，在此后的冷凝器系列中，将会逐一对扁管尺寸、翅片微观结构和集流管等变化时部件性能的变化进行分析，为汽车空调平行流式冷凝器的性能改良提供参考。

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