解瑞雪　丁成林　沈松貞

摘 要：CO2是一種天然工質(zhì)制冷劑，具有優(yōu)越的物理特性。但跨臨界 CO2的臨界壓力非常大，是傳統(tǒng)的 7-10 倍，傳統(tǒng)制冷裝置的結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)。本文以跨臨界二氧化碳為研究基礎(chǔ)，對(duì)二氧化碳汽車空調(diào)中的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)可行。

關(guān)鍵詞：跨臨界CO2 蒸發(fā)器 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)氟利昂制冷劑系列對(duì)臭氧層的破壞及溫室效應(yīng)是傳統(tǒng)空調(diào)制冷行業(yè)面臨的最大的難題。汽車自身動(dòng)力來(lái)源限制了空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展，主要以開(kāi)啟式壓縮機(jī)為主，并使用傳統(tǒng)的氟利昂制冷劑，每一種人工合成的化學(xué)物質(zhì)皆可能對(duì)環(huán)境有著潛在的、無(wú)法預(yù)知的危害 ，因此新型天然制冷劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)制冷劑是整個(gè)行業(yè)的重點(diǎn)研究方向。

二氧化碳作為制冷劑主要通過(guò)壓縮式制冷方式實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)制冷循環(huán)的外部條件不同，分為亞臨界循環(huán)、跨臨界循環(huán)和超臨界循環(huán)。二氧化碳制冷劑在最初階段處于低溫低壓狀態(tài)，在壓縮機(jī)中被壓縮成高溫高壓的氣體。在氣體冷卻器中發(fā)生熱交換，釋放熱量，成為低溫高壓氣體，然后通過(guò)節(jié)流裝置成為低溫低壓的氣體，經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱，達(dá)到制冷效果。圖1為二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)三維模型。

CO2汽車空調(diào)跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題是高壓，系統(tǒng)低壓側(cè)的工作壓力為3.5MPa左右，高壓側(cè)的工作壓力在32MPa 左右，是傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的工作壓力的 6-8 倍，因此設(shè)計(jì)二氧化碳汽車空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)，尤其是各零部件的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是進(jìn)行耐壓設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)爆破后其破壞力的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)的爆破能量。系統(tǒng)能夠爆破，是因?yàn)橄到y(tǒng)部件的工質(zhì)耐壓值達(dá)到了環(huán)境的壓力，但是工質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速加壓膨脹，周圍環(huán)境與制冷系統(tǒng)制冷劑間的能量傳遞可以忽略，因此爆破就是一個(gè)絕熱加壓膨脹的過(guò)程，計(jì)算公式如下：

E=（Ub-Up）*M

其中E為爆破能量，Ub-T0狀態(tài)下單位質(zhì)量?jī)?nèi)能

Up-T0狀態(tài)從等熵過(guò)程變化到大氣壓下工質(zhì)單位質(zhì)量?jī)?nèi)能

M為參與爆破的工質(zhì)質(zhì)量

二氧化碳制冷裝置的爆破能量非常高，是傳統(tǒng)制冷裝置的 3-4倍，因此二氧化碳制冷裝置必須采用耐高壓結(jié)構(gòu)。其中容積較大的零件，它的爆破能量也較大，二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器，可以采用微通道式平行流的結(jié)構(gòu)形式，減少蒸發(fā)器的內(nèi)容積和爆破能量。

二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要是基于我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)現(xiàn)有的制造工藝、材料及加工水平，方便今后的普及化。而在制冷行業(yè)，傳統(tǒng)的材料一般有鋁合金、銅和鋼材三種材料，隨著各大整車廠對(duì)汽車輕量化及環(huán)保的要求，鋁合金受到廣泛的使用，其中3003 系鋁合金應(yīng)用最廣泛，具有錳金屬的含量較多，耐腐蝕性高，抗氧化性、加工性好，表面方便涂層的優(yōu)點(diǎn)，因此本研究中蒸發(fā)器芯體的材料選用3003 系鋁合金。

二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的扁管和集流管采用微通道式平行換熱管，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮圓管及其接頭處的耐壓能力。在工程應(yīng)用上，常用參考強(qiáng)度和管內(nèi)壓力來(lái)計(jì)算最小管壁厚度，見(jiàn)公式2，

二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)中，蒸發(fā)器的扁管和集流管采用微通道式平行換熱管，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮圓管及其接頭處的耐壓能力。在工程應(yīng)用上，常用參考強(qiáng)度和管內(nèi)壓力來(lái)計(jì)算最小管壁厚度，見(jiàn)公式2，

本課題扁管須設(shè)計(jì)成微通道圓孔扁管，是一種具有多圓柱面組合的多通道扁管，這種扁管形成了較小的水利直徑，能有效增大傳熱面積，又可以維持一定的管壁厚度，有效減少芯體重量以及制造成本。由于是圓孔管道，可以使二氧化碳制冷劑的工作壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力不會(huì)集中在冷媒介流路的一部分上，使其形成應(yīng)力均勻分布，充分確保了耐壓強(qiáng)度，還提高了傳熱性能。圖2為傳統(tǒng)扁管設(shè)計(jì)和針對(duì)二氧化碳蒸發(fā)器的扁管設(shè)計(jì)方案對(duì)比圖

本課題二氧化碳蒸發(fā)器的集流管與傳統(tǒng)的集流管的最大的差別在于，本課題二氧化碳蒸發(fā)器采用多圓筒平面相接式集流管，可以提供足夠大的寬度和散熱扁管焊接，多圓筒相接集流管的每個(gè)通道直徑相應(yīng)減少，相對(duì)與傳統(tǒng)的單通道大直徑的集流管，可以承受更大的壓力。而采用平面相接，使得該集流管的平面?zhèn)鹊玫接行Ъ訌?qiáng)，抵消了開(kāi)出的隔片槽帶來(lái)的強(qiáng)度削弱的影響，而且該結(jié)構(gòu)能使焊料更容易貼附在待焊表面，使受熱均勻，焊接質(zhì)量更加好，也為接下來(lái)的爆破試驗(yàn)做進(jìn)一步保障。圖3為多圓筒平面相接式集流管的截面圖。

在二氧化碳跨臨界循環(huán)制冷中，二氧化碳蒸發(fā)器是該系統(tǒng)中重要的一個(gè)部件，其本身性能及設(shè)計(jì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞，蒸發(fā)器主要功能是讓來(lái)自節(jié)流裝置中的低溫低壓的液態(tài)二氧化碳吸熱蒸發(fā)，從而達(dá)到降溫的效果，工作壓力在4MPa-9.3MPa之間，導(dǎo)致二氧化碳工作壓力很高，如果按照常規(guī)的結(jié)構(gòu)和尺寸來(lái)設(shè)計(jì)蒸發(fā)器，會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的換熱扁管和集流管的厚度大大增加，會(huì)使整個(gè)的重量和體積增加。所以本課題二氧化碳蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)采用微通道平行流的形式，微通道平行流的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是其換熱表面積和很高的面積/體積比，使蒸發(fā)器具備很好的傳熱特性和耐高壓特性。但是其缺點(diǎn)是壓降大，制造難度較大，成本較高。同時(shí)，二氧化碳有著低液相/氣相密度比、高氣相密度及低液相粘度等優(yōu)越的物理特性，同樣的熱交換量只需較小的換熱面積，微通道平行流和二氧化碳的結(jié)合，剛好可以抵消各自的缺點(diǎn)，是蒸發(fā)器的尺寸減小，滿足汽車空調(diào)系統(tǒng)的緊湊性和地重量的要求。圖4為二氧化碳蒸發(fā)器的三維模型，主要包括接頭、集流管、散熱翅片、隔片和散熱扁管。上下集流管中間焊接著散熱扁管，散熱扁管中間焊接有散熱翅片，集流管上的隔片用于設(shè)計(jì)成多種流程的蒸發(fā)器，控制其散熱性能和表面溫度分布，上集流管一端接有進(jìn)出接頭。二氧化碳工質(zhì)先從接頭的進(jìn)水孔流入上集流管，然后按流程流入散熱扁管與散熱扁管外部的空氣進(jìn)行換熱，然后從接頭的出氣孔放出，達(dá)到制冷的效果。

綜上所述，對(duì)于扁管，對(duì)比傳統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和二氧化蒸發(fā)器微通道圓管設(shè)計(jì)，通過(guò)有限元分析的方式，了解了各種結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力集中值，最終選了微通道圓管錐形扁管，管材從現(xiàn)有的管材系。針對(duì)集流管，由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所受應(yīng)力分布也比較復(fù)雜，采用有限元分析，并做了集流管的三種失效模式，進(jìn)行詳盡的分析，最終認(rèn)為方案可行，滿足耐壓要求。因此，對(duì)扁管和集流管強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及在制造工藝上的進(jìn)一步完善，在現(xiàn)有機(jī)械加工和制作工藝手段上對(duì)二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)制造是可行的。

二氧化碳被認(rèn)為是最適合替代R134a制冷劑的未來(lái)天然工質(zhì)，通過(guò)理論知識(shí)學(xué)習(xí)探究，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，最后若能應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中的話，將對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及環(huán)境改善做出較大貢獻(xiàn)，甚至改變制冷行業(yè)的一個(gè)未來(lái)走向。

參考文獻(xiàn)

[1]付萌.超臨界二氧化碳在套管內(nèi)流動(dòng)換熱的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[D].天津：天津商業(yè)大學(xué)，2007.

[2]Fischer， S.K， P.J. Huges， P.D. Fairchild， 1991. Total Environmental Impact （TEWI） Calculations for alternative Automotive air-conditioning systems， SAE paper 970526.