摘 要：

文章選用４種制冷工質(zhì)，分析在不同的蒸發(fā)器出口空氣溫度、冷凝器出口空氣溫度下，節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)性能系數(shù)的影響規(guī)律，并以單位換熱面積的系統(tǒng)性能系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)平行流換熱器的總 換熱面積進(jìn)行優(yōu)化。研究結(jié)果表明：對(duì)于所選工質(zhì)，隨著節(jié)點(diǎn)溫差的增大，制冷系統(tǒng)性能系數(shù)降低，換熱器面積減小，而目標(biāo)函數(shù)值先升高后降低，即存在最優(yōu)節(jié)點(diǎn)溫差使得制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能最佳；在設(shè)定的工況條件下，R245fa、R1234ze、R134a、R123對(duì)應(yīng)的最佳冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差分別為4，4，6，4 ℃，最佳蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差分別 為22、20、20、24℃；采用 R134a制冷劑時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)器出口空氣溫度為15 ℃、冷凝器出口空氣溫度為45 ℃時(shí)， 單位換熱面積的系統(tǒng)性能系數(shù)最大。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，節(jié)約能源、減少能源消耗、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展變得尤為重要［１］。目前，國(guó)內(nèi)外還有很多汽車空調(diào)仍然采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 沒有從節(jié)能節(jié)材角度開展制冷系統(tǒng)的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)［２］。

節(jié)點(diǎn)分析法是在能源利用系統(tǒng)中對(duì)換熱器的 換熱效果和取得最大能量回收進(jìn)行綜合分析的一 種方 法，適 用 于 有 機(jī) 朗 肯 循 環(huán) （organicRankinecycle,ORC）系統(tǒng)的優(yōu)化以及制冷系統(tǒng)的優(yōu)化［３］。在蒸發(fā)器的空氣側(cè)，節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)濕空氣的凝結(jié)有 著重要影響，濕空氣首先與冷壁面接觸實(shí)現(xiàn)降溫， 當(dāng)溫度降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，壁面上水蒸氣開始 凝結(jié)［４］。文獻(xiàn)［５］發(fā)現(xiàn)冷壁面溫度是影響濕空氣 對(duì)流傳質(zhì)的決定性因素；文獻(xiàn)［６］通過(guò)熱濕交換的 數(shù)值模型及實(shí)驗(yàn)研究，得到濕空氣流速對(duì)凝結(jié)換 熱過(guò)程的影響規(guī)律；文獻(xiàn)［７］通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了 濕空氣流速對(duì)冷凝器冷凝傳熱規(guī)律的影響。

本文針對(duì)不同的制冷工質(zhì) R245fa、R1234ze、R134a、R123，采用節(jié)點(diǎn)分析法對(duì)汽車空調(diào)制冷系 統(tǒng)的冷凝器、蒸發(fā)器的傳熱面積進(jìn)行優(yōu)化，建立自 定義函數(shù)ｆ＝CCOP／Ａｔ，即單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)（COP）為 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，研究換熱器面積和制冷系統(tǒng)性能系數(shù) 的匹配關(guān)系，從而確定優(yōu)選工質(zhì)；分析優(yōu)選工質(zhì)在 不同的蒸發(fā)器出口空氣溫度、冷凝器出口空氣溫 度、蒸發(fā)器進(jìn)口空氣風(fēng)速等工況條件下，節(jié)點(diǎn)溫差 對(duì)系統(tǒng)換熱經(jīng)濟(jì)性能的影響。

1 平行流換熱器模型及性能分析 

１．１ 平行流換熱器結(jié)構(gòu)及制冷工質(zhì)的選擇

平行流換熱器百葉窗翅片結(jié)構(gòu)如圖１所 示， 制冷劑在多孔扁管內(nèi)流動(dòng)，通過(guò)集流管和隔板將 制冷劑側(cè)的流動(dòng)分成若干個(gè)流程，空氣側(cè)采用波 紋形百葉窗翅片。

圖１中：FP為 翅 片 間 距；LL 為 百 葉 窗 長(zhǎng) 度；FL 為翅片高 度；Fd 為 翅 片 寬 度；LP 為 百 葉 窗 間 距；θ為百葉窗角度。

制冷工質(zhì)的熱物性是影響制冷系統(tǒng)性能的關(guān) 鍵因素之一，綜合考慮其環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟(jì)性 等，選擇 R245fa、R1234ze、R134a、R123工質(zhì)為研 究對(duì)象。

４種工質(zhì)的熱物性參數(shù)見表１所列。本文采 用的各制冷劑物性數(shù)據(jù)來(lái)自 REFPROP數(shù)據(jù)庫(kù)。表１中：ODP為消耗臭氧潛能值；GWP為全球變暖潛能值。

１．２ 制冷系統(tǒng)的熱力分析

汽車空調(diào)制冷循環(huán)壓焓（ｐ－ｈ）曲線如圖2a所 示，溫熵（Ｔ-ｓ）曲線如圖2b所 示。圖2a中：１→２ 為壓縮過(guò)程；２→５為冷凝過(guò)程；５→６為節(jié)流過(guò)程；６→１為蒸 發(fā) 過(guò) 程。空 氣 溫 度 與 工 質(zhì) 溫 度 的 最 小 傳熱溫差即為節(jié)點(diǎn)溫差［８］。一般蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差 在空氣出口和制冷劑進(jìn) 口之間，用 Δｔep 表 示，Δｔep＝ｔa6－Ｔ６，冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差在ｔa3與 Ｔ３ 之間， 用 Δｔcp表 示，Δｔcp＝Ｔ３ －ｔa3。節(jié)點(diǎn)溫差不僅影響制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)，還會(huì)影響換熱器的換熱面積。以節(jié)點(diǎn)溫差為控制變量，調(diào)用工質(zhì)的熱物性參數(shù)，計(jì)算空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱面積。計(jì)算工況條件為：蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度ｔa1＝26 ℃；冷凝 器空氣進(jìn)口溫度ｔa5 ＝35 ℃；過(guò) 熱 度ｔsup＝10 ℃；過(guò)冷度ｔsub ＝5 ℃。通過(guò)改變工質(zhì)的節(jié)點(diǎn)溫差Δｔep、Δｔcp、蒸發(fā)器空氣出口溫度ｔa6、冷凝器空氣出口溫度ｔa3，研究熱力學(xué)參數(shù)隨蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律，優(yōu)化單位換熱器面積的性能系數(shù)，達(dá)到制冷系統(tǒng)的最佳性能匹配。

系統(tǒng)計(jì)算流程如圖３所示。

２ 計(jì)算結(jié)果及分析 

２．１ 制冷循環(huán)性能隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律

蒸發(fā)器空氣進(jìn)口溫度ｔa1＝２６℃、冷凝器空氣 進(jìn)口溫度ｔa5＝35 ℃時(shí)，４種工質(zhì)的制冷系統(tǒng)性能和換熱器面積以及自定義函數(shù)ｆ隨節(jié)點(diǎn)溫差的變化規(guī)律如圖４～圖６所示。

由圖４ａ可知：隨著 Δｔep從2 ℃增加到30℃，R245fa、R1234ze、R134a、R123的 COP值均逐漸 減小，且 R245fa和 R1234ze的 COP值大小變化 非常相近；隨著 Δｔep從０ ℃增加到16 ℃，對(duì)同一個(gè) Δｔep，COP值 的 大 小 依 次 為 R134a、R123、R1234ze、R245fa。由圖４ｂ可知：隨著 Δｔｃｐ從２℃ 增加到30 ℃，R245fa、R1234ze、R123的 COP 值 均逐漸減小，R134a的 COP值 先減小 后 增 大；對(duì) 同一個(gè) Δｔｃｐ，COP值的大小依次為 R134a、R123、R1234ze、R245fa；對(duì) 于 R134a，最 大 COP 值 比 最 小COP值 大４４％。從 COP 值可以看出，R134a工質(zhì)在汽車空調(diào)制冷循環(huán)中具有更好的熱力性能。

由圖５ａ可知：隨著 Δｔep從２ ℃增加到３０℃， R245fa、R1234ze、R123、R134a的 Ａｔ 值均呈現(xiàn)先 快速減小、后逐漸緩慢減小的變化趨勢(shì)；對(duì)同一個(gè)Δｔep，Ａｔ 值 的 大 小 依 次 為 R245fa、R123、R134a、R1234ze。由圖５ｂ可知：隨著 Δｔcp從２ ℃增加到 30 ℃， R245fa、R1234ze、R123、R134a的 Ａｔ 值均呈逐漸減小趨勢(shì)；對(duì) 同 一 個(gè) Δｔcp，Ａｔ 值 的 大 小 依 次 為 R245fa、R123、R134a、R1234ze，且 Δｔcp＝ ２ ℃、Δｔｃｐ ＝３０ ℃ 時(shí)，R245fa的 Ａｔ 比 R134a 的 Ａｔ 值分別多１７％、２８％。對(duì)于 R134a，最大Ａｔ 值 比最?。粒?nbsp;值大65％。因 為 換 熱 面 積 太 小，換 熱 效率會(huì)降低，換熱面積太大，換熱器耗材會(huì)增加，所以需要選擇適中的換熱面積。

由圖５還可以看出，相較于冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差， 蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)總換熱面積Ａｔ 值的影響更大。

由圖６ａ可知：隨著 Δｔep從２ ℃增加到３０℃，R245fa、R1234ze、R134a、R123的 ｆ 值 均 先 快 速 增大 后 緩 慢 減 小，但Δｔep＝３０ ℃ 時(shí) 的 ｆ 值 比Δｔep＝２ ℃時(shí)的ｆ 值大；R245fa在 Δｔep＝２２ ℃時(shí) 出現(xiàn)拐點(diǎn)，R1234ze、R134a在 Δｔep＝２０ ℃時(shí)出現(xiàn) 拐點(diǎn)，R123在 Δｔep＝２４ ℃出現(xiàn)拐點(diǎn)。由圖６ｂ可 知：隨 著 Δｔｃｐ 從 ２ ℃ 增 加 到 ３０ ℃，R245fa、R1234ze、R123的ｆ 值均先 增 大 后 減 小，R245fa、R123 在 Δｔｃｐ ＝４ ℃ 時(shí) 達(dá) 到 拐 點(diǎn)，R1234ze 在 Δｔｃｐ＝６ ℃時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)；R134a先 在 Δｔｃｐ＝４ ℃時(shí) 達(dá)到第１個(gè)拐點(diǎn)，逐漸上升在 Δｔｃｐ＝２２ ℃時(shí)達(dá)到 第２個(gè)拐點(diǎn)，之后ｆ值快速增加。

從圖６還可以看出，相較于冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差， 蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)ｆ值的影響更大。

綜合考慮制冷系統(tǒng) COP值、換熱總面積 Ａｔ、 自定義函數(shù)ｆ以及 R134a對(duì)環(huán)境友好等特性，選 用 R134a作為 汽 車 空 調(diào) 制 冷 劑 比 較 合 理。通 過(guò) 分析冷凝器 節(jié) 點(diǎn) 溫 差 和 蒸 發(fā) 器 節(jié) 點(diǎn) 溫 差 對(duì)COP值、Ａｔ、ｆ的影響可知，蒸 發(fā) 器 節(jié) 點(diǎn) 溫 差 產(chǎn) 生 的 影 響較大.

２．２ 節(jié)點(diǎn)溫差對(duì) Ｒ１３４ａ系統(tǒng)性能的影響 

２．２．１ 不同出口空氣溫度ｔａ６下的結(jié)果分析

工質(zhì) R134a在蒸發(fā)器不同空氣出口溫度ｔa6下，蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能 系數(shù)ｆ的影響如圖７所示。由圖７可知：ｔa6分別 為5、10、15、20 ℃時(shí)，隨著蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差 Δｔep從 ２ ℃增加到30℃，ｆ 值均呈先增大后22 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)；在 Δｔep＝２ ℃、ｔa6＝20 ℃時(shí)的ｆ值比ｔa6為5、10、15 ℃時(shí) 低；ｔa6從５ ℃增加到20 ℃，ｆ 值呈逐漸增大的趨 勢(shì)。在Δｔep為２～４ ℃時(shí)，達(dá)到同一個(gè)ｆ 值，ｔa6＝ 10℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最??；在 Δｔep為４～６ ℃時(shí)，ｔa6＝15 ℃ 需要的節(jié)點(diǎn)溫差最??；在 Δｔep為 2～ 8 ℃時(shí)，ｔa6＝20℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最大；在Δｔep為 6～22 ℃時(shí)，ｔa6 ＝20 ℃需要的節(jié)點(diǎn)溫差最小；在Δｔep為22～30 ℃時(shí)，ｔa6＝15 ℃時(shí) 的ｆ 值 遠(yuǎn) 大 于ｔa6為５、10 ℃的ｆ 值，這是由于 COP值的變化比換熱面積的變化快，COP 值增大，所需換熱面積減小，經(jīng)濟(jì)性能增加?？梢姡黾樱鬭6換熱溫差會(huì) 得到提高，進(jìn)而提高了蒸發(fā)器的換熱量。因此，蒸發(fā)器空氣出口溫度不易過(guò)高，ｔa6＝15 ℃時(shí)經(jīng)濟(jì)性 能比較好。

２．２．２ 不同空氣出口溫度ｔa3下的結(jié)果分析

工質(zhì) R134a在冷凝器不同空氣出口溫度ｔa3下，蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能 系數(shù)ｆ的影響如圖８所示。

由圖８可知：ｔa3分別為43、45、47、49℃時(shí)，隨 著蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差 Δｔep從２ ℃增加到30 ℃，ｆ 值 分別在 Δｔep為20、20、22、22 ℃時(shí)出 現(xiàn)拐點(diǎn)；ｔa3從 43 ℃增加到49 ℃，ｆ值呈逐漸減小的趨勢(shì)，并且 ｆ值的大小接近。對(duì)同一個(gè)ｆ值，ｔa3＝43 ℃時(shí)需 要的節(jié)點(diǎn)溫差最小，ｔa3＝49 ℃時(shí)需要的節(jié)點(diǎn)溫差 最大。因此冷凝器空氣出口溫度不易過(guò)高，選擇 比進(jìn)口溫度高10℃左右的出口溫度，換熱效果比較好。由圖８還可以看出，冷凝器不同空氣出口 溫度ｔa3對(duì)單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)ｆ值的 影響不明顯。

３ 結(jié)　　論

本文模擬了不同工質(zhì)、不同蒸發(fā)器出口空氣溫度、冷凝器出口空氣溫度下節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響，得出如下結(jié)論： 

（１）對(duì)于所選工質(zhì)，均存在一最佳節(jié)點(diǎn)溫差， 隨著節(jié)點(diǎn)溫差的增大，系統(tǒng)COP值降低，換熱器面積減小，而目標(biāo)函數(shù)值先升高后降低，即存在最 優(yōu)節(jié)點(diǎn)溫差使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能最佳。 

（２）R245fa、R1234ze、R134a、R123對(duì)應(yīng)的最 佳冷凝器節(jié)點(diǎn)溫差分別為4,4,6,4 ℃，最佳蒸發(fā) 器節(jié)點(diǎn)溫差分別為22、20、20、24 ℃。

（３）考慮熱力性和經(jīng)濟(jì)性，采用自定義函數(shù)， 即單位面積的制冷系統(tǒng)性能系數(shù)ｆ，ｆ 值越大，系 統(tǒng)綜合性能越佳，在設(shè)定的工況條件下，R134a性能最佳。在蒸發(fā)器出口空氣溫度為15℃、冷凝器 出口空氣溫度為45℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器節(jié)點(diǎn)溫差 為20 ℃。

課程介紹：

課程介紹：直冷仿真模型已經(jīng)能夠完整的分析制冷劑的蒸發(fā)沸騰過(guò)程，體現(xiàn)蒸發(fā)過(guò)程的干度、過(guò)熱度、蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力、焓差等參數(shù)，能夠模擬PID控制邏輯，實(shí)現(xiàn)與整車同步的仿真控制能力?？梢杂脕?lái)指導(dǎo)直冷板的方案設(shè)計(jì)，優(yōu)化直冷系統(tǒng)溫差等。

Starccm直冷仿真分析

幾何模型前處理:模型簡(jiǎn)化+干涉處理+二次裝配，依據(jù)仿真需求對(duì)電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，合理合適的簡(jiǎn)化。依據(jù)仿真條件增加合理的邊界條件，更加真實(shí)的模擬實(shí)際工況。

網(wǎng)格修復(fù)和網(wǎng)格尺寸劃分技巧：壓印+穿刺面處理+網(wǎng)格劃分，5分鐘解決大多數(shù)人頭疼的數(shù)以百計(jì)千計(jì)的破損面/自由邊/非流型邊問題?？焖俦憬莸膶?shí)現(xiàn)對(duì)幾何模型錯(cuò)誤的修正，提高star-ccm的容錯(cuò)度，提高直冷仿真的精確度；電池包網(wǎng)格劃分，講解基于直冷仿真中對(duì)制冷劑的網(wǎng)格尺寸的控制方法；

直冷仿真模型建立：通過(guò)講解直冷仿真模型的選擇技巧以及各類參數(shù)的具體應(yīng)用方式等講解，幫助大家理解直冷仿真中，如何將真實(shí)的物理現(xiàn)象有效的簡(jiǎn)化為仿真中可以實(shí)現(xiàn)的模型，通過(guò)仿真模型高效的進(jìn)行直冷系統(tǒng)的仿真評(píng)估；

直冷仿真參數(shù)解讀和優(yōu)化：基于仿真結(jié)果所表現(xiàn)的信息，解讀直冷仿真中應(yīng)用的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)反向推導(dǎo)優(yōu)化方向；

一維Amesim和starccm+聯(lián)合仿真

Amesim搭建一維直冷仿真模型：講解如何通過(guò)Amesim搭建放電、快充以及快充+靜置+放電等循環(huán)工況的工況模型，實(shí)現(xiàn)在Amesim中完成熱管理策略+工況切換的計(jì)算方式；

一維和三維耦合仿真結(jié)果數(shù)據(jù)解讀：直冷性能優(yōu)化，通過(guò)行車工況、充電工況、高溫、常溫、低溫等工況下的仿真結(jié)果分析，為大家解析直冷系統(tǒng)在不同工況下的表現(xiàn)以及針對(duì)不同結(jié)果所提出的優(yōu)化方案，最終達(dá)到最優(yōu)的溫差控制和溫度控制等目標(biāo)；