摘 要

本文首先分析了汽车空调的发展历史及应用现状，并且通过比较汽车空调和房间空调应用场景的不同，在介绍制冷剂发展历史的基础之上，对比分析使用于两者的制冷剂也有所不同，针对车用制冷剂R134a和R1234yf从物性参数到实验数据，做出细致的分析与比较，所得出的结论对于R1234yf能否取代R134a而广泛运用于车载空调之中具有重大的指导意义。然后文章通过比较冷凝器结构的不同，根据经验公式，计算出两种不同结构的冷凝器在同一负荷之下的最小传热面积及管长，并且分析比较两种结构下设计的区别。这一计算能给我们平时在选择冷凝器设计结构之时，针对自己所需的性能要求提供一定的参考意见。最后，文章就设计的两种类型的冷凝器结构，建出基本模型，并且取出单个扁管，在fluent之下模拟仿真实际运行的情况，并得出在设计工况之下的各种数据云图。

关键词：汽车空调；冷凝器；R1234yf；R134a；平行流

ABSTRACT

This article first analyzes the development history and application status of automobile air conditioning, and through comparing the different application scenarios of automotive air conditioning and room air conditioning, based on the introduction to the historical development of refrigerants, we can find out that the two kinds of air conditioning use different refrigerants. By listing up the physical parameters and the result of designed experiment, we can make a close comparison. The conclusion we draw from the article have a significance guiding about whether we can widely replace R134a by R1234yf in automotive air conditioning. Then the article calculates the minimum heat transfer area and tube length of the two kinds of condenser under the same condition, and analyzes and compares the differences between the designs of the two kinds of condenser structures by comparing the different condenser structures and according to the empirical formula. This calculation can provide some reference for us while we are choosing the condenser design structure. Finally, the basic model is built for the two types of condenser structures designed in this paper, and a single flat tube is taken out to simulate the actual operation under fluent, and various data cloud charts under the design conditions are obtained.

Key words: automotive air condition; condenser; R1234yf; R134a; parallel flow

目录

第一章 绪论 1

1.1 论文选题的目的和意义 1

1.2 国内外关于该论题的研究现状 1

1.3 论文主要研究内容 3

1.3.1 基本内容与目标 3

1.3.2 拟采用的技术方案及措施 3

第二章 冷凝器基本原理 4

2.1 换热器简介 4

2.2 换热器的分类 4

2.3 换热器设计概述 5

2.4 冷凝器的热力学原理 5

第三章 制冷剂 7

3.1 制冷剂简介 7

3.2 目前常用的制冷剂及其对比 7

3.2.1 R1234yf的物理性质 8

3.2.2 R1234yf与R134a的比较 10

第四章 冷凝器设计 13

4.1 确定基本工况参数 13

4.2 确定冷凝器热负荷及空气流量 13

4.3 管翅式冷凝器具体设计 13

4.3.1 几何参数的计算 14

4.3.2 计算空气侧换热系数以及翅片效率 15

4.3.3 计算管内侧冷凝换热系数h_i 16

4.3.4 计算传热系数和传热面积 18

4.4 平行流式冷凝器具体设计 18

4.4.1 几何参数的计算 19

4.4.2 计算空气侧换热系数h_a 20

4.4.3 计算制冷剂侧换热系数h_r 20

4.4.4平均表面换热系数及总换热面积的计算 21

4.5 两种类别冷凝器比较分析 22

第五章 建模及仿真分析 23

5.1 冷凝器三维模型的建立 23

5.2 关于制冷剂管道截面形状对传热的影响探讨 24

5.2.1 两种管道模型的建立 24

5.2.2 仿真参数的选取及设定 25

5.2.3 仿真结果及分析 26

总结与展望 28

1 总结 28

2 展望 28

参考文献 30

致谢 32

第一章 绪论

1.1 论文选题的目的和意义

早在1886年，德国人卡尔·本茨为其研制的三轮汽车提出了专利申请，并且通过了德国曼海姆专利局的批准。世界上第一辆三轮汽车诞生以来，汽车行业已经跨过了两个世纪，走过了上百年，经过了长时间的高速发展，人们一直在对其进行创新改良，不同时期人类的最新科技发展结晶都在汽车上得以应用，可以说汽车的发展反应了人类科技的进步^[1]，特别是汽车空调，从刚开始的单一制冷或者单一制热，到如今自动化控制、微机控制，车载空调已然成为衡量一辆现代汽车性能的重要参考依据。

不仅仅是科技的进步显而易见，与此同时，每个家庭的生活也因此变得更加时尚便捷。但是汽车的发展之路远未结束，特别是自上世纪末以来，随着经济全球化的风潮，世界范围内的汽车需求量大大提升，汽车及其相关产业在全球范围内迅速扩张，一大批汽车公司，尤其如大众、通用、丰田、现代、福特、奔驰这些大型跨国企业迅速发展壮大起来^[2]。

汽车的发展仍然在快速推进，但是随着人们认识的提高和科学技术的进步，人们也越来越认识到依照现在的发展，传统的不可再生化石能源终有消耗殆尽的一天，而且传统汽车行业的高速发展已然破坏了人类的生产生活环境^[3]，并造成了难以挽回的后果，故而积极开发利用新能源的汽车基本上成为了全球大型汽车公司的共同选择。因此，作为现代汽车不可或缺的同时又是耗能主要部分之一的空调系统，也随着汽车发展方向的更新而出现了新的要求，所以作为空调主要部件之一的冷凝器也不可避免的迎来了新的发展动力和方向。

1.2 国内外关于该论题的研究现状

自汽车空调诞生以来，汽车空调在实际运用之中得到了不断地改良和发展，回顾其发展历程，我们大致可以划分出五个阶段。始于1927年的单一供暖的空调，整个汽车空调仅仅包含有加热器、通风器和空气过滤器三个装置，适用于寒冷的北欧等地区。12年后，美国汽车公司开始在轿车上装配机械制冷降温空调，从此空调具备制冷的功能。又15年后，轿车上面开始装配冷暖型一体化空调器，在加热、制冷的基础功能之上，进一步增加了降燥、通风、过滤、除霜等功能，极大优化了驾乘环境。在上世纪的后半叶，汽车空调逐步进入自控装置和电脑控制阶段，各种传感器的精确信息反馈更加完善了空调调节的效果，电脑控制则是车载器件自动化程度的提升伴随而来，降低人为操作的要求。

汽车新能源的开发，是当今世界范围内号召节能减排、保护环境的必然要求，也是车辆以及动力发展的趋势。作为车辆辅助系统，同时又是耗能主要部分之一的空调系统，也应从新能源汽车的需要和自身降低能耗的角度进行改进。本设计基于此目的，针对新能源轿车应用所需，对空调冷凝器进行探讨性设计。

空调冷凝器中最重要的无非是冷却介质即制冷剂，从最初的19世纪早期制冷剂到20世纪的CFC和HCFC，再到如今所提出的绿色环保制冷剂^[4]，也是许多人研究的重要方向之一。余鹏飞等人^[5]就对R1234yf在传统汽车制冷系统中代替R134a进行了研究，并且通过具体的实验设计在不同的工况之下比较两种制冷剂的性能，并且得到在实验范围（冷凝温度50℃，蒸发温度0~18℃）之内，R1234yf作为制冷剂相对于R134a，COP要低5%左右，而压气机的功率要高5%左右。上海交通大学的孟照峰等人^[6]就对使用R1234yf和R134a 的混合物在汽车空调中替代原来仅有的R134a进行了探讨性研究实验，实验发现通过添加质量分数11%的R134a，不仅仅可以使制冷剂不可燃，而且可以在一定的程度上面降低压气机的排气温度，提高了压气机的容积效率，对于提高整个制冷系统的性能都有十分显著的意义。更重要的是，R1234yf和R134a的混合物可以降低单一使用R134a的高GWP值，没有臭氧消耗潜力，符合现代汽车空调标准的要求。在几乎不改变原汽车空调系统的情况下，R1234yf和R134a的混合物可用作R134a的环保替代品。这无疑对环境保护做出了极大贡献。

除了在制冷剂上面寻找突破口之外，更多的研究人员将目光放到了冷凝器的设计及其优化上面，如法雷奥发动机冷却（佛山）有限公司研发部的徐智雄等人^[7]，对冷凝器的优化进行考虑，在同等的散热面积的情况下，利用Dymola性能模拟软件对不同 流程分布的冷凝器进行模拟计算和样件实际实验结果的数据对比，得出最佳的流程选择和结构设计,达到提高冷凝器的散热性能，增加充注平台的长度和增加冷凝器的回油率（减少冷凝器的油残留量）。杨润泽等人^[8]则通过对汽车空调冷凝器内部结构更加细致的设计并且通过模拟计算，在CFD仿真结果和试验结果的验证之下，证明的实验模型之中研究翅片间距、高度、宽度，百叶窗长度、间距、角度等结构参数对冷凝器换热和流动的影响是可行的。韩光杰^[9]等人则根据实际应用的实验设计，对平行流冷凝器进行了一次具体的设计计算，探讨最后的实际所需传热面积。

除此之外，还有浙江大学的过海等人^[10]着眼于车用空调冷凝器性能的优化，在实验之中验证发现采用MOGA能够解决车用空调平行流冷凝器性能优化问题，特别是相对双目标优化能够达到更好的优化效果，通过对优化点进行分析，可以获得具体情况之下所需要的最优点。姚登银^[11]对新能源汽车空调控制系统展开研究。张驰^[12]等人对汽车空调平行流冷凝器进行仿真研究，以实际数据验证了仿真结果的合理性。S.P. Datta^[13]等人对冷凝器之中气体的不均匀流动做出了一系列研究。

1.3 论文主要研究内容

1.3.1 基本内容与目标

（1）查阅关于新能源轿车冷凝器所设计方面的文献资料，了解新能源轿车中冷凝器设计的关键技术。

（2）查阅国内应用ANSYS、fluent、SolidWorks等仿真软件的资料，了解并熟悉软件的应用情况。

（3）查阅相关文献，了解目前研究之中对冷凝器的关键技术改进的措施。

（4）学习汽车空调冷凝器的结构和工作原理，通过实际计算，分析制冷负荷，建立冷凝器模型并进行仿真实验，并对此进行分析。

1.3.2 拟采用的技术方案及措施

（1）查阅关于新能源轿车及车载空调冷凝器方面的文献资料，了解轿车新能源的利用情况及车载冷凝器的工作原理，了解新能源汽车应用现状和发展前景，了解新能源轿车空调冷凝器的关键技术。

（2）阅读文献学习了解目前他人对冷凝器设计的优化方向以及仿真技术的运用。

（3）通过阅读相关书籍和观看视频，认真学习ANSYS/FLUENT软件，练习相关例子熟悉FLUENT相关的操作，通过软件模拟结构的优化设计及冷凝器的工作环境。

（4）对已有做过的某型冷凝器结构做出部分改动，得出符合条件的冷凝器，在Icepak和fluent的运用下不同截面的冷凝器传热过程中的参数变化。

第二章 冷凝器基本原理

2.1 换热器简介

换热器，又称为热交换器，是一种非常重要的换热设备，其具体功能是将热量从一种流体转移到另外一种流体，以使整个设备系统能够达到功用。换热器在交通运输、石油开采、能源储备及开发、食品制造及其他许多工业生产中占有重要地位。而近年以来，由于高新技术的快速发展和新能源技术的空前开发，以及如今对环境保护的高要求，改进原有换热器的性能，研制出新型高效、更加紧凑的换热器已然成为许多行业的当务之急。

2.2 换热器的分类

由于不同的换热器所应用的场合、其工作原理、机构以及流体种类、数量等都各有差别，所以换热器的分类也有很多不同的标准，例如按照传热过程特点分类，可以分为直接接触式、间壁式、周期流动式和流动耦合式，按照传热表面的结构特点又可以分为管式、板式、拓展平面式和蓄热式等等。

当然，冷凝器也作为一种热交换器，在制冷循环之中发挥着重要作用。我们一般常见的是冷却介质或冷却方式分为水冷、空冷和空气冷却三种，在结构发展上面，也可以按立式管壳式冷凝器、卧式管壳式冷凝器、套管式冷凝器以及最近研究兴起平行流冷凝器。本次毕设后面将讨论同一个负荷工况之下，传统管翅式冷凝器和平行流冷凝器的具体设计，并进行一定的比较。下面分别举例示意两种典型的冷凝器结构：

图2.1 管翅式冷凝器 图2.2 平行流式冷凝器

2.3 换热器设计概述

换热器在其应用领域发挥着举足轻重的作用，特别是在越来越多人认识到能源并不是取之不尽用之不竭的资源的今天，如何提升换热器的工作性能，改进能源消耗，影响着装置乃至整个系统的综合性能好坏，因此，换热器的合理设计极为重要。

一个设计合理的换热器一般应满足一下的条件：

• 在给定的工作环境或条件之下，如一定的流体流量或者进出口温度要求，其设备能够达到要求所需的传热量。
• 应当尽量减少流体在设备流程之中压降，以此减少运行过程之中的能量耗散。
• 满足布置位置所限制的外形尺寸和重量要求。
• 设备及工作流程安全可靠，满足最高工作压力、工作温度的要求，减少意外事故的发生，并做好防腐、防漏的设备保障，。
• 制造工艺要切实可行，能较为容易的获得所需的材料或零部件。
• 安装、运输以及维修方便。

换热器的设计涉及各种相关数据分析和经验公式， 所以每一种结构都有其适用的计算方法，包括一些新型结构的设计，许多都是在已有结构的基础之上，进行改进和优化以此达到新的性能要求。

2.4 冷凝器的热力学原理

冷凝器一般用于制冷装置之中，而制冷装置运行的目的就是从冷库不断地把热量传输到环境介质，以维持冷库内低温。制冷循环一般可以分为压缩式制冷循环、吸收式制冷循环、吸附式制冷循环、蒸汽喷射制冷循环和半导体制冷等等，其中压缩式制冷循环最为常见，在我们的设计之中，采用的是压缩蒸汽制冷循环，整个流程的器件有压气机、冷凝器、节流阀和冷库（蒸发器）。其压缩蒸汽制冷循环的T-s图和装置流程图如下所示：

图2.3 压缩蒸汽制冷循环T-s图 图2.4 压缩蒸汽制冷装置流程图

从冷库定压汽化吸热后，状态为图中所示1点处（干度为1，属于干饱和蒸汽），或者在1点左侧（干度较大，近似为1，近似为干饱和蒸汽），随后制冷剂进入压气机，在绝热定熵状态下压缩，升温升压到状态2，再进入冷凝器向环境介质等压散热，在冷凝器内过热的制冷剂蒸汽先等压降温到对应于压力p₂的饱和温度T₃（即p₂的等压线与制冷剂的饱和蒸汽线的交点处），然后继续等压（根据湿蒸汽的性质，此时等压即是等温）冷凝成饱和状态4（如果条件允许，还可进一步过冷），之后进入节流阀，绝热节流降温降压至对应于p₁的湿饱和蒸汽状态5，再进入冷库等压气化吸热完成循环。

冷凝器在这整个循环装置之中的作用就是将从压气机中出来的高温高压蒸汽（状态2）冷凝为液体（状态4），将管子之内制冷剂中的热量，以高效快速的方式传递到附近的空气之中，以达成降温冷凝的目的，使得制冷剂能再次进入循环之中重复工作。结合传热的基本原理，在冷凝器中，制冷剂蒸气要向周围环境散发热量，必须满足制冷剂蒸气冷凝时的温度一定要高于周围介质的温度，也就是只有温差存在，才能保证传热过程的正常进行。除此之外，为了保证整个循环可以往复进行，根据压气机送入冷凝器的蒸汽量的多少，冷凝器要有足够的管长和面积，以保证制冷剂蒸汽能在冷凝器中充分冷凝。

工质从冷库中吸收的热量为：