余熱吸收式汽車空調制冷系統的優化設計

劉曉初,馮明松,陳凡,代東波,何銓鵬,周俊輝

(廣州大學，廣東廣州 510000)

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余熱吸收式汽車空調制冷系統的優化設計

劉曉初,馮明松,陳凡,代東波,何銓鵬,周俊輝

(廣州大學，廣東廣州 510000)

摘要：為了減少汽車油耗和提高汽車的動力性，根據現有汽車空調制冷系統、采暖系統及汽車發動機冷卻水系統的特點，結合單效溴化鋰吸收式冷熱水機組的性能，提出一種新的溴化鋰吸收式制冷系統，主要包括發生器、冷凝器、蒸發器、水箱、吸收器等部件。與一般的制冷系統不同，該系統采用雙層平行流換熱器，并利用汽車余熱進行驅動，既符合環保這一主題，又提高了汽車的性能。對換熱器空氣側流場進行分析，得出較優換熱器性能的結構參數組合。并通過實驗，論證了此方案的可行性。

關鍵詞：余熱吸收；汽車空調制冷系統；溴化鋰

0引言

目前，在汽車空調裝置中，大多數采用的是壓縮式制冷機制冷。一般要消耗8%～12%的汽車發動機動力，這樣大的功耗不僅增加了油耗，而且可能引起水箱過熱，影響汽車動力性[1]。且壓縮式制冷機大部分是以氟利昂作為制冷劑。眾所周知，氟利昂不僅會污染空氣，而且對臭氧層有很大的破壞作用。因此，解決舒適性與制冷功耗以及環保之間的矛盾已成為現代汽車空調研制中的突出問題[2]。

據報道，目前汽車發動機的效率最高可以達到49%，即燃油燃燒產生的能量只有49%用于做功，而51%的能量以余熱散發于環境而浪費[3]。因此，通過回收汽車余熱用于汽車空調制冷這一技術的面世，不僅能有效解決上述矛盾，且具有長遠的社會效益和經濟效益。

歐志剛等[4-5]對汽車發動機排氣余熱驅動的吸收式制冷系統做了理論研究，并認為此方案是可行的。Munther SALIM對吸收式制冷系統代替壓縮式制冷系統做了研究，并認為采用發動機缸套余熱比采用尾氣余熱驅動吸收式制冷系統更具有優勢，但對系統的簡化未見報道[6]。R ATAN等對溴化鋰吸收式制冷系統回收和利用這部分余熱做了研究，然而沒對系統做進一步簡化[7-8]。

針對以上存在的問題，設計了一種余熱吸收式汽車空調制冷系統。其原理是以發動機余熱作為熱源，以水為制冷劑，以溴化鋰水溶液作為吸收劑[9-10]，用溴化鋰吸收式冷熱水機組裝置取代污染大氣的氟利昂壓縮式制冷機，具有節約燃油、綠色環保、結構簡單、運行安全、平穩、操作簡單等優點。

1系統論述

該余熱吸收式溴化鋰汽車空調系統的原理見圖1。該系統的工作原理可分為兩個循環過程[11]。循環一：低濃度的溴化鋰溶液經過磁力泵3輸送到達溶液熱交換器2中，與從發生器1中回流回來的高溫、高濃度的溴化鋰溶液發生熱傳遞，使得低溫、低濃度的溴化鋰溶液溫度升高且到達發生器1中，發生器1與水箱9通過熱管相連，水箱9中有溫度90 ℃左右的熱水流動，目的是對發生器1中低溫、低濃度的溴化鋰溶液進行加熱，使得溴化鋰溶液中的水分部分蒸發，蒸發了的水變成水蒸氣進入到冷凝器10中，經冷凝器10的冷凝作用，高溫、高壓的水蒸氣變成中溫、高壓的液態水流向膨脹閥6，經其節流，中溫高壓的液態水變成低溫、低壓的霧狀液態水，為制冷劑的蒸發創造條件；接著，霧狀的液態水進入蒸發器7發生蒸發，它由液態變成氣態，吸收汽車內室大量熱，且經過蒸發器風機8的作用，達到降溫的目的；最后，由蒸發器7出來的水蒸氣經過吸收器4被通過溶液熱交換器2回流下來的低溫、高濃度的溴化鋰溶液吸收，溴化鋰溶液濃度降低，并通過磁力泵3再次進入溶液熱交換器2，此為第1個工作循環過程。循環二：低濃度的溴化鋰溶液經過磁力泵3輸送到達溶液熱交換器2中，與從發生器1中回流回來的高溫、高濃度的溴化鋰溶液發生熱傳遞，使得低溫、低濃度的溴化鋰溶液溫度升高且到達發生器1中，溴化鋰溶液受熱導致水分部分蒸發，溴化鋰溶液濃度升高，并經溶液熱交換器2回流到吸收器4中，并在吸收器4中吸收水蒸汽，溴化鋰的濃度因此降低，并通過磁力泵3作用再次進入溶液熱交換器2中，此為第2個工作循環過程。

2平行流換熱器仿真分析

2.1平行流換熱器的結構

該系統的冷凝器包括2個并列設置的平行流換熱器，每個平行流換熱器由上主管、下主管和連接在所述上主管和下主管之間的分流管構成，2個平行流換熱器的上主管之間相互連通。與現有技術中的單層平行流換熱器結構相比，采用雙層平行流換熱器結構的好處在于增大了散熱面積，同時可縮減占用空間；工作時液態水從其中一個平行流換熱器的下主管中流入，通過分流管進入到上主管中，進入另一個平行流換熱器的上主管，經過該平行流換熱器的分流管和下主管流出，液態水在流動過程中與負壓風機吸入的氣流進行熱交換，為汽車室內提供冷氣。所述平行流換熱器的結構見圖2。

2.2平行流換熱器空氣側流場分析

一般而言，空氣入口風速對換熱器散熱性能影響較大，評價換熱性能的指標一般為換熱系數和壓降，而在一定的范圍內，隨入口風速的增大，換熱系數和壓降都會呈現增大的趨勢。因此，以下將分析入口風速對換熱性能的影響，以證明所建簡化模型的可行性。通過改變空氣入口迎面風速對模型進行了5個工況的計算，從1.5 m/s到5.5 m/s，以1 m/s為步長設置不同的工況，對平行流換熱器空氣側的溫度場、壓力場進行模擬分析。

(1)溫度場分布

圖3是空氣入口迎面風速為1.5、3.5、5.5 m/s時換熱器空氣側翅片對稱面上的溫度分布云圖。通過比較圖中圓圈部分的溫度差情況，可以得出：隨著空氣入口迎面風速的增大，溫度差值越大。

(2)壓力場分布

圖4、圖5分別為空氣入口迎面風速度為2.5和4.5 m/s時對稱面上的壓力等值線分布圖?？芍寒斂諝馊肟谟L速度為2.5 m/s時，入口處壓力為16.41 Pa，中間轉向段為8.09 Pa，出口處為-3.16 Pa，總壓降為19.8 Pa；當空氣入口速度為4.5 m/s時，入口處壓力為46.55 Pa，中間轉向段為20.17 Pa，出口處為-7.6 7Pa，總壓降為54.22 Pa。因此，隨著風速的增大，總壓降亦呈增大趨勢。綜上所述，該簡化模型具有一定的可行性。

為了選出較優換熱器性能的結構參數組合，選取翅片間距、翅片長度、翅片高度和百葉窗角度作為影響換熱性能的主要因素，每個因素選取5個水平，采用正交實驗法得出25種不同的實驗組合，采用Fluent軟件對其評價指標摩擦因子和換熱系數進行模擬仿真，結果如表1所示。

對以上實驗結果采用極差評價法進行評價，得出影響摩擦因子的結構參數的順序為：翅片間距A(38.87%)>百葉窗角度D(25.18%)>翅片高度C(20.79%)>翅片長度B(15.15%)，影響換熱系數的結構參數的順序為：翅片間距A(56.80%)>翅片長度B(18.05%)>翅片高度C(13.37%)>百葉窗角度D(11.79%)。較優的結構參數組合為組合25，其結構參數分別為：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°。

3實驗設計

3.1實驗準備

為驗證此余熱溴化鋰汽車空調的可行性，在此搭建一個小型的實驗平臺，考慮到溶液熱交換器的主要作用是將發生器中流出的溴化鋰濃溶液與吸收器中泵出的稀溶液進行熱交換，從而提升系統的性能，但在整個過程中并不影響系統的運行，因此文中的實驗平臺對其不作考慮。在發動機余熱方面，實驗采用電加熱對其進行模擬。此實驗的工作流程圖如圖6所示。

3.2實驗步驟

根據文中所設計的汽車余熱溴化鋰空調確定此實驗臺的研究主要目的為驗證該方案的可行性，在此基礎上進一步驗證溴化鋰吸收式制冷風冷的可行性。因此此實驗的主要內容為調試系統到穩定運行狀態，采用溫度計測量蒸發器出入口溫度的變化。

該實驗的主要步驟如下：

(1)對系統進行抽真空。開啟真空閥，對系統進行抽真空15 min，關掉真空泵，同時關閉真空閥；

(2)充注溴化鋰溶液。由于條件的限制，溴化鋰溶液在實驗前已沖入至吸收器中；

(3)將吸收器中的溴化鋰稀溶液通過溶液泵泵入發生器中。打開閥1，同時開啟溶液泵；

(4)加熱發生器中的溴化鋰濃溶液。打開發生器中的加熱管開關；

(5)冷凝器工作。打開冷凝風機開關；

(6)蒸發器工作。打開蒸發器風機開關；

(7)檢測蒸發器出口空氣溫度。每間隔15 min采用數顯溫度計讀取蒸發器出口溫度值；

(8)放出發生器中的溴化鋰濃溶液到吸收器中。開啟閥2；

(9)等待吸收器中的水蒸氣被吸收后，重復步驟(3)。

如此不斷調試系統，直至它能穩定運行。記錄的出風口溫度見表2。

表2出風口溫度記錄表

3.3實驗結果分析

根據表2，繪制出蒸發器出入口溫度隨時間的變化折線圖，見圖7，可以看出：溫度在系統運行至45 min時間段內下降較快，在t=45 min后，系統出口溫度基本保持在27.6 ℃左右。由以上分析可知，雖然空調的降溫不明顯，且降溫的速度緩慢，但是可以說明文中所設計的方案是可行的。

4結論

(1)通過實驗，證實了該系統具有較好的降溫效果；

(2)對換熱器空氣側流場分析，得出較優換熱器性能的結構參數組合為組合25，其結構參數分別為：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°；

(3)與現有技術中的單層平行流換熱器結構相比，采用雙層平行流換熱器結構的好處在于增大了散熱面積，同時可縮減占用空間，提高了汽車的性能。

參考文獻:

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【3】彭昕,冀兆良.我國汽車空調技術的應用及發展現狀[J].制冷空調與電力機械,2011,32(3):1-5.

【4】歐志剛.三集一體熱泵空調在某工程中的設計應用[J].制冷空調與電力機械,2009,30(4):36-38.

【5】鮑梁,撒世忠.三集一體熱泵空調在室內游泳池中的應用[J].制冷與空調,2011,25(3):309-311.

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【10】靳鵬，鵬輝，郭孔輝.熱電技術在汽車上的應用綜述[J].汽車技術，2010(5):1-4.

【11】李曉科，紀威.汽車余熱溴化鋰吸收式制冷研究[J].現代機械，2007(6)：34-36.

Optimization Design of Automobile Air-conditioning Exhaust Heat Absorption Refrigeration System

LIU Xiaochu，FENG Mingsong，CHEN Fan，DAI Dongbo，HE Quanpeng，ZHOU Junhui

(Guangzhou University,Guangzhou Guangdong 510000,China)

Keywords:Exhausted heat absorption; Car air-conditioning refrigeration system; LiBr

Abstract:In order to reduce the oil consumption and improve the motivity of automobile, according to the characteristics of existing air conditioning refrigeration system, heating system and cooling water system of automobile engine and the performance with single effect LiBr absorption chiller, a kind of new lithium bromide absorption refrigeration system was put forward, mainly including generator, a condenser, an evaporator, a water tank, absorber and other components. Different from general refrigeration system, in this system, parallel flow heat exchanger was used to take advantage of the waste heat of the automobile to drive the air cooling system so that it not only met the theme of environmental protection, but also improved the performance of the car. Flow field analysis aiming at the heat exchanger air side was done, the optimal structure parameter combination was gotten. Then through related experiment, the feasibility of this project was demonstrated.

收稿日期：2016-02-02

基金項目：國家星火計劃項目(2013GA780063)；廣東省高等學?？萍紕撔轮攸c項目(2013KJCX0142)；廣東省水利科技創新項目(2012-11)；廣州市金屬材料強化研磨高性能加工重點實驗室(穗科信字[2013]163-19號)

作者簡介：劉曉初(1964—)，男，博士，教授，研究方向為太陽能智能灌溉、智能機器人等。E-mail:gdliuxiaochu@163.com。

中圖分類號:U464

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)04-005-05