余热吸收式汽车空调制冷系统的优化设计

刘晓初,冯明松,陈凡,代东波,何铨鹏,周俊辉

(广州大学，广东广州 510000)



余热吸收式汽车空调制冷系统的优化设计

刘晓初,冯明松,陈凡,代东波,何铨鹏,周俊辉

(广州大学，广东广州 510000)

摘要：为了减少汽车油耗和提高汽车的动力性，根据现有汽车空调制冷系统、采暖系统及汽车发动机冷却水系统的特点，结合单效溴化锂吸收式冷热水机组的性能，提出一种新的溴化锂吸收式制冷系统，主要包括发生器、冷凝器、蒸发器、水箱、吸收器等部件。与一般的制冷系统不同，该系统采用双层平行流换热器，并利用汽车余热进行驱动，既符合环保这一主题，又提高了汽车的性能。对换热器空气侧流场进行分析，得出较优换热器性能的结构参数组合。并通过实验，论证了此方案的可行性。

关键词：余热吸收；汽车空调制冷系统；溴化锂

0引言

目前，在汽车空调装置中，大多数采用的是压缩式制冷机制冷。一般要消耗8%～12%的汽车发动机动力，这样大的功耗不仅增加了油耗，而且可能引起水箱过热，影响汽车动力性[1]。且压缩式制冷机大部分是以氟利昂作为制冷剂。众所周知，氟利昂不仅会污染空气，而且对臭氧层有很大的破坏作用。因此，解决舒适性与制冷功耗以及环保之间的矛盾已成为现代汽车空调研制中的突出问题[2]。

据报道，目前汽车发动机的效率最高可以达到49%，即燃油燃烧产生的能量只有49%用于做功，而51%的能量以余热散发于环境而浪费[3]。因此，通过回收汽车余热用于汽车空调制冷这一技术的面世，不仅能有效解决上述矛盾，且具有长远的社会效益和经济效益。

欧志刚等[4-5]对汽车发动机排气余热驱动的吸收式制冷系统做了理论研究，并认为此方案是可行的。Munther SALIM对吸收式制冷系统代替压缩式制冷系统做了研究，并认为采用发动机缸套余热比采用尾气余热驱动吸收式制冷系统更具有优势，但对系统的简化未见报道[6]。R ATAN等对溴化锂吸收式制冷系统回收和利用这部分余热做了研究，然而没对系统做进一步简化[7-8]。

针对以上存在的问题，设计了一种余热吸收式汽车空调制冷系统。其原理是以发动机余热作为热源，以水为制冷剂，以溴化锂水溶液作为吸收剂[9-10]，用溴化锂吸收式冷热水机组装置取代污染大气的氟利昂压缩式制冷机，具有节约燃油、绿色环保、结构简单、运行安全、平稳、操作简单等优点。

1系统论述

该余热吸收式溴化锂汽车空调系统的原理见图1。该系统的工作原理可分为两个循环过程[11]。循环一：低浓度的溴化锂溶液经过磁力泵3输送到达溶液热交换器2中，与从发生器1中回流回来的高温、高浓度的溴化锂溶液发生热传递，使得低温、低浓度的溴化锂溶液温度升高且到达发生器1中，发生器1与水箱9通过热管相连，水箱9中有温度90 ℃左右的热水流动，目的是对发生器1中低温、低浓度的溴化锂溶液进行加热，使得溴化锂溶液中的水分部分蒸发，蒸发了的水变成水蒸气进入到冷凝器10中，经冷凝器10的冷凝作用，高温、高压的水蒸气变成中温、高压的液态水流向膨胀阀6，经其节流，中温高压的液态水变成低温、低压的雾状液态水，为制冷剂的蒸发创造条件；接着，雾状的液态水进入蒸发器7发生蒸发，它由液态变成气态，吸收汽车内室大量热，且经过蒸发器风机8的作用，达到降温的目的；最后，由蒸发器7出来的水蒸气经过吸收器4被通过溶液热交换器2回流下来的低温、高浓度的溴化锂溶液吸收，溴化锂溶液浓度降低，并通过磁力泵3再次进入溶液热交换器2，此为第1个工作循环过程。循环二：低浓度的溴化锂溶液经过磁力泵3输送到达溶液热交换器2中，与从发生器1中回流回来的高温、高浓度的溴化锂溶液发生热传递，使得低温、低浓度的溴化锂溶液温度升高且到达发生器1中，溴化锂溶液受热导致水分部分蒸发，溴化锂溶液浓度升高，并经溶液热交换器2回流到吸收器4中，并在吸收器4中吸收水蒸汽，溴化锂的浓度因此降低，并通过磁力泵3作用再次进入溶液热交换器2中，此为第2个工作循环过程。

2平行流换热器仿真分析

2.1平行流换热器的结构

该系统的冷凝器包括2个并列设置的平行流换热器，每个平行流换热器由上主管、下主管和连接在所述上主管和下主管之间的分流管构成，2个平行流换热器的上主管之间相互连通。与现有技术中的单层平行流换热器结构相比，采用双层平行流换热器结构的好处在于增大了散热面积，同时可缩减占用空间；工作时液态水从其中一个平行流换热器的下主管中流入，通过分流管进入到上主管中，进入另一个平行流换热器的上主管，经过该平行流换热器的分流管和下主管流出，液态水在流动过程中与负压风机吸入的气流进行热交换，为汽车室内提供冷气。所述平行流换热器的结构见图2。

2.2平行流换热器空气侧流场分析

一般而言，空气入口风速对换热器散热性能影响较大，评价换热性能的指标一般为换热系数和压降，而在一定的范围内，随入口风速的增大，换热系数和压降都会呈现增大的趋势。因此，以下将分析入口风速对换热性能的影响，以证明所建简化模型的可行性。通过改变空气入口迎面风速对模型进行了5个工况的计算，从1.5 m/s到5.5 m/s，以1 m/s为步长设置不同的工况，对平行流换热器空气侧的温度场、压力场进行模拟分析。

(1)温度场分布

图3是空气入口迎面风速为1.5、3.5、5.5 m/s时换热器空气侧翅片对称面上的温度分布云图。通过比较图中圆圈部分的温度差情况，可以得出：随着空气入口迎面风速的增大，温度差值越大。

(2)压力场分布

图4、图5分别为空气入口迎面风速度为2.5和4.5 m/s时对称面上的压力等值线分布图。可知：当空气入口迎风速度为2.5 m/s时，入口处压力为16.41 Pa，中间转向段为8.09 Pa，出口处为-3.16 Pa，总压降为19.8 Pa；当空气入口速度为4.5 m/s时，入口处压力为46.55 Pa，中间转向段为20.17 Pa，出口处为-7.6 7Pa，总压降为54.22 Pa。因此，随着风速的增大，总压降亦呈增大趋势。综上所述，该简化模型具有一定的可行性。

为了选出较优换热器性能的结构参数组合，选取翅片间距、翅片长度、翅片高度和百叶窗角度作为影响换热性能的主要因素，每个因素选取5个水平，采用正交实验法得出25种不同的实验组合，采用Fluent软件对其评价指标摩擦因子和换热系数进行模拟仿真，结果如表1所示。

对以上实验结果采用极差评价法进行评价，得出影响摩擦因子的结构参数的顺序为：翅片间距A(38.87%)>百叶窗角度D(25.18%)>翅片高度C(20.79%)>翅片长度B(15.15%)，影响换热系数的结构参数的顺序为：翅片间距A(56.80%)>翅片长度B(18.05%)>翅片高度C(13.37%)>百叶窗角度D(11.79%)。较优的结构参数组合为组合25，其结构参数分别为：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°。

3实验设计

3.1实验准备

为验证此余热溴化锂汽车空调的可行性，在此搭建一个小型的实验平台，考虑到溶液热交换器的主要作用是将发生器中流出的溴化锂浓溶液与吸收器中泵出的稀溶液进行热交换，从而提升系统的性能，但在整个过程中并不影响系统的运行，因此文中的实验平台对其不作考虑。在发动机余热方面，实验采用电加热对其进行模拟。此实验的工作流程图如图6所示。

3.2实验步骤

根据文中所设计的汽车余热溴化锂空调确定此实验台的研究主要目的为验证该方案的可行性，在此基础上进一步验证溴化锂吸收式制冷风冷的可行性。因此此实验的主要内容为调试系统到稳定运行状态，采用温度计测量蒸发器出入口温度的变化。

该实验的主要步骤如下：

(1)对系统进行抽真空。开启真空阀，对系统进行抽真空15 min，关掉真空泵，同时关闭真空阀；

(2)充注溴化锂溶液。由于条件的限制，溴化锂溶液在实验前已冲入至吸收器中；

(3)将吸收器中的溴化锂稀溶液通过溶液泵泵入发生器中。打开阀1，同时开启溶液泵；

(4)加热发生器中的溴化锂浓溶液。打开发生器中的加热管开关；

(5)冷凝器工作。打开冷凝风机开关；

(6)蒸发器工作。打开蒸发器风机开关；

(7)检测蒸发器出口空气温度。每间隔15 min采用数显温度计读取蒸发器出口温度值；

(8)放出发生器中的溴化锂浓溶液到吸收器中。开启阀2；

(9)等待吸收器中的水蒸气被吸收后，重复步骤(3)。

如此不断调试系统，直至它能稳定运行。记录的出风口温度见表2。

表2出风口温度记录表

3.3实验结果分析

根据表2，绘制出蒸发器出入口温度随时间的变化折线图，见图7，可以看出：温度在系统运行至45 min时间段内下降较快，在t=45 min后，系统出口温度基本保持在27.6 ℃左右。由以上分析可知，虽然空调的降温不明显，且降温的速度缓慢，但是可以说明文中所设计的方案是可行的。

4结论

(1)通过实验，证实了该系统具有较好的降温效果；

(2)对换热器空气侧流场分析，得出较优换热器性能的结构参数组合为组合25，其结构参数分别为：A=2 mm，B=30 mm，C=9mm，D=25°；

(3)与现有技术中的单层平行流换热器结构相比，采用双层平行流换热器结构的好处在于增大了散热面积，同时可缩减占用空间，提高了汽车的性能。

参考文献:

【1】刘扬娟.轿车空调压缩机的选型探讨[J].压缩技术，1990(2)：37-42.

【2】肖尤明，徐烈，李志伟,等.汽车空调余热溴化锂吸收式制冷装置的研究[J].制冷学报,2004,25(1)：22-26.

【3】彭昕,冀兆良.我国汽车空调技术的应用及发展现状[J].制冷空调与电力机械,2011,32(3):1-5.

【4】欧志刚.三集一体热泵空调在某工程中的设计应用[J].制冷空调与电力机械,2009,30(4):36-38.

【5】鲍梁,撒世忠.三集一体热泵空调在室内游泳池中的应用[J].制冷与空调,2011,25(3):309-311.

【6】LIANG Z,LIU C,YE B,et al.Performance Investigation of Fitting Algorithms in Surface Microtopogrophy Grinding Processes Based on Multidimensional Fuzzy Relation Set[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2013,67(9):2779-2798.

【7】LIANG Z,XIE B,LIAO S,et al.Concentration Degree Prediction of AWJ Grinding Effectiveness Based on Turbulence Characteristics and the Improved ANFIS[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,80(5):887-905.

【8】肖尤明，徐烈，张洁,等.汽车空调余热溴化锂吸收式制冷装置传热分析[J].汽车工程，2004,26(4):493-495.

【9】刘振全，胡淞城，着嫚.基于单效溴化锂吸收式制冷机的汽车余热用除霜与供暖装置[J].兰州理工大学学报，2009,35(5)：57-61.

【10】靳鹏，鹏辉，郭孔辉.热电技术在汽车上的应用综述[J].汽车技术，2010(5):1-4.

【11】李晓科，纪威.汽车余热溴化锂吸收式制冷研究[J].现代机械，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

基金项目：国家星火计划项目(2013GA780063)；广东省高等学校科技创新重点项目(2013KJCX0142)；广东省水利科技创新项目(2012-11)；广州市金属材料强化研磨高性能加工重点实验室(穗科信字[2013]163-19号)

作者简介：刘晓初(1964—)，男，博士，教授，研究方向为太阳能智能灌溉、智能机器人等。E-mail:gdliuxiaochu@163.com。

中图分类号:U464

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)04-005-05