换热器的技术改进在实际生产中的应用

2022-11-07

车用空调换热器的结构型式、材料性能和制造工艺不仅直接影响汽车的有效空间利用, 而且直接影响系统的制冷性能、散热和吸热效果。因此, 车用空调换热器主要是朝着如何强化传热、降低热阻、提高换热效率以及减轻质量、缩小体积、提高单位体积的传热面积的方向发展。

换热器材料和结构的研究改进, 在实际的汽车空调设计中是具有实际意义的。一方面可以使整车的降温效果提高, 提高乘客的舒适度;另一方, 在同等制冷效果的要求下, 可以减少零件材料成本, 降低油耗, 提高经济效益。

1 换热器材料的改进

在汽车空调系统中, 制造冷凝器和蒸发器的材料基本相同, 汽车空调换热器的材料起先以铜为主, 后来发展成铜管铝片, 现在大多数的汽车空调蒸发器和冷凝器都全铝化了。近年来, 铝合金的技术得到不断发展, 不同的铝合金材料制作的换热器, 其换热效率, 耐冲击性等各不相同。另外, 也可以通过改进铝板或者铝管的结构, 也可以提高换热效率, 降低风阻和流阻。

2 换热器结构型式的改进

换热器过去的主要结构型式有管片式和管带式, 随着技术的不断发展, 冷凝器和蒸发器分别产生了一些新的结构形式。

2.1 冷凝器

随着HFC-134a系统的使用, 冷凝器结构采用了过冷平行流式。目前的研究主要是改进平行流冷凝器的扁管和翅片的结构使其换热效率提高。例如, 使用冲缝百叶窗翅片, 可以使表面传热系数比未开翅片的提高3倍以上。扁管使用多孔矩形扁管, 扁管内带有内齿, 可以增加制冷剂侧传热面积, 提高冷凝器的传热系数。改变扁管内孔的数目, 也对冷凝器的传热系数有影响。

2.2 蒸发器

蒸发器目前大多采用层叠式的结构层叠式蒸发器是目前使用的传热效率较高, 结构比较紧凑的方式。但也有一些厂家开始研究使用平行流结构的蒸发器, 可以减少使用的材料, 节省空间。

3 实际生产中的案例

在实际汽车空调系统设计中, 综合考虑原车的情况, 对换热器的材料或结构进行改进, 可以使整个系统在制冷性能上得到提高, 或者没有改变制冷性能的情况下, 减少零件成本, 也可能在性能提高的同时减少整个空调系统的成本, 下面将通过两个案例说明材料改进和结构改进的实际作用。

3.1 车型1

车型1原配置情况为:冷凝器为过冷平行流式冷凝器, 扁管规格为2×20mm;前蒸发器为层叠式蒸发器, 芯体尺寸为50×205×235mm;后蒸发器为管片式蒸发器, 材料为铜管铝片, 铝片上未开天窗。

改进后的配置情况为:冷凝器为过冷平行流式冷凝器, 扁管规格为2×16mm, 翅片的开窗数目和流道设计进行了优化;前蒸发器为层叠式蒸发器, 芯体尺寸更改为38×205×235mm;后蒸发器更改为平行流式冷凝器, 全铝材料, 翅片上开天窗。

经过改进后, 冷凝器、前蒸发器和后蒸发器的材料用量都减少了, 降低了零件成本。且由于各换热器工作效率的提高, 空调系统的制冷剂充注量减少了120g, 降低了充注的成本。车型1的空调系统经过改进后, 整车成本可以减少10元左右。

3.2 车型2

车型2原配置情况为:冷凝器为过冷平行流式冷凝器, 扁管规格为2×16mm, 扁管材料为1050A;空调箱内的蒸发器芯体为层叠式结构, 厚度为74mm。

改进后的配置情况为:冷凝器为过冷平行流式冷凝器, 扁管规格为2×12mm, 扁管材料为3012;空调箱内的蒸发器芯体为层叠式结构, 厚度为60mm。

铝合金1050A与3012的性能对比情况如表1所示。

2×16mm与2×12mm扁管规格的冷凝器台架试验对比情况如表2所示。

厚度为74mm与厚度为60mm的蒸发器台架试验对比情况如表3所示。

对整个系统作环境模拟试验, 车内平均温度对比情况如下:

改进后的冷凝器在换热量比原来的小了一些, 但是风阻和冷媒的流阻都减小了, 提高了冷凝器的工作效率。且由于材料性能的提高, 减薄扁管不会对冷凝器的机械性能有影响。蒸发器的更改使换热量提高了10%, 风阻减小, 流阻相当。通过整车的空调试验可以发现, 整个空调系统的降温速度快了, 各个工况的车内平均温度也比原系统要低。

经过改进, 冷凝器和蒸发器的材料用量都减小了, 减少了零件的成本, 且由于工作效率的提高, 整个空调系统的制冷剂使用量减少了80g, 降低了充注的成本, 车型2的空调系统经过改进后, 整车成本可以减少8元左右, 且整个空调系统的制冷性能得到了提高。