第1页共6页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页共6页二氧化碳汽车空调气体冷却器的数值仿真苏州大学魏琪江苏大学刘伟摘要：本文建立了跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器数值模型,对管内CO2和空气侧的流动和换热进行了数值仿真。并运用该模型分析了各种参数下的气体冷却器的性能,以指导跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器的优化设计。关键词：跨临界CO2制冷系统；汽车空调；气体冷却器1引言近年来世界上研究跨临界CO2制冷系统的很多研究机构都对其在汽车空调上的应用进行了研究。图1为二氧化碳汽车空调制冷剂流程图，其中的构件分别为：1、压缩机；2、气体冷却器；3、吸气热交换器；4、膨胀阀；5、蒸发器；6、低压储液器。CO2在汽车空调中的循环过程就是1～6的流动过程。图1二氧化碳汽车空调制冷剂流程图CO2在气体冷却器中压力可达10MPa以上,处于超临界状态,常规尺寸的换热器设计因耐压需要显得非常厚重,紧凑式换热器体现出高效轻便的优点。由于CO2单位容积制冷量大,流动和传热性能好,使得设计紧凑式换热器更加现实。为了保证换热器有足够的耐压能力和较好的换热性能,气体冷却器一般采用微通道管形式[1]。由于超临界CO2在气体冷却器内冷却时,热物性随温度变化剧烈,尤其是在伪临界区域内，换热器中空气和制冷剂都存在很大的温度滑移,空气和制冷剂沿各自流动方向的温度分布都会对换热产生相当大的影响。本文拟建立跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器数值模型,对管内CO2和空气侧的流动和换热进行数值仿真。并运用该模型分析各种参数下的气体冷却器的性能,以指导跨临界CO2制冷系统中微通道气体冷却器的优化设计。2模型和仿真本模型采用有限单元的方法,在分布参数模型中将气体冷却器沿制冷剂和空气流动方向的划分为二维网格计算；在空气流动的方向,将气体冷却器按微通道划分单元格,单元格的数目与微通道的数目相同；在制冷剂流动的方向,将扁平管按长度等分划分为单元格。将每一个微通道管沿管长方向平均第2页共6页第1页共6页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第2页共6页划分为10个计算单元(如图2),每个单元被看成是一个小的叉流式换热器(如图3)。图2微通道长度方向的单元划分图3单个单元的计算方法在这个单元内，假定壁温恒定，制冷剂、空气定性温度采用平均温度，这样能有效地减小由于变物性所带来的计算误差。本模型还假定，制冷剂从积液管平均分流到每一个微通道管内，且微通道管之间以及沿轴线方向没有热传导,忽略管壁热阻。因此，对于每个流程中给定的第j段，可以根据能量平衡，得到以下关系式：空气侧：Qj=macpa(Tae,j−Tai)（1）制冷剂侧：Qj=mr[ere,j(T,p)−eri,j(T,p)]（2）空气与管壁之间的对流换热：Qj=haηaAa,j(Tae,j−Taj)/ln(Tw,j−Tae,jTw,j−Ta,j)（3）制冷剂与管壁之间的对流换热：Qj=hrηr,jAr,j(Tr,j−1−Tr,j)/ln(Tre,j−Tw,jTri,j−Tw,j)（4）式中ηa=0.9，ηr=1.0，每个单元内制冷剂、空气定性温度Tb=(Ti+Te)/2；且每一个单元制冷剂入口参数等于前一单元出口参数，即有Tri,j=Tre,j−1，eri,j=ere,j−1。对于超临界CO2，本文采用Gnielinski[2]传热系数关系式：Nub=(f/8)(Reb−1000)Prb1+12.7(f/8)1/2(Prb2/3−1)（5）第3页共6页第2页共6页编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第3页共6页Pettersen等[3]推荐，Re在2300～5.0×106范围内的微通道管中，式(5)的计算结果与实验数据有较好的一致性。本文的计算条件以及引用的实验条件[4]均满足此要求，故采用该式能保证计算的准确度。3仿真结果分析应用本模型,对微通道管气体冷却器的性能进行比较与分析,以得到优化的结构参数。计算选用的参数为:空气进口温度35℃,空气质量流量500g⋅s−1,制冷剂进口温度110℃,制冷剂压力9.0MPa,制冷剂质量流量30g⋅s−1；气体冷却器结构参数见表1。在跨临界制冷循环中,气体冷却器进出口的焓差是衡量其换热能力的主要标志,而出口焓值对整个系统的能效比有重要的影响。所以通过改变部分参数,比较并分析了进出口焓差Δe、出口焓值eexit及管内压降Δpr,以考察这些参数对换热器性能的影响程度...
