冷藏车层叠式蒸发器应用R404A与
R22和R134a的比较
郝 亮 阚 杰 李 淘 李 强
(西安交通大学)
摘 要 采用分布参数法对层叠式蒸发器建立数学模型，并对蒸发器采用R404A,R22和R134a时的换热和流动性能进行模拟比较。结果表明，在空调工况范围内，新型中低温混合制冷剂R404A具有R134a换热性能好和R22压降小的特点，能够很好地适用于冷藏车系统空调侧层叠式蒸发器。
关键词 层叠式蒸发器 R404A R22 R134a 换热 压降
S tudy on laminated A/C evaporator of refrigerator car
using R404A,R22and R134a
Hao Liang Kan Jie Li Tao Li Qiang
(Xi an Jiaotong University)
ABSTRACT A mathematic model of distributed parameter for laminated evaporator was derived.And the simulation analysis of the heat transfer and flow characteristics of R404A, R22and R134a in the evaporator w as carried out.The results show that the heat transfer performance for the new mixture R404A is as good as R134a,and the pressure drop is as low as R22under the A/C operating conditions.Thus,R404A can be w ell used in the laminated A/C evaporator of the refrigerator car.
KEY WORDS laminated evaporator;R404A;R22;R134a;heat transfer;pressure drop
目前，出现了一种具有双蒸发器的冷藏车制冷系统，即空调侧与冷藏侧各有一个蒸发器，共用一个压缩机与冷凝器。同时采用合理的控制方式，保证空调运行时不对冷藏侧产生不利的影响，使两蒸发器都能合理正常的工作。冷藏车制冷系统采用的R12已被列为禁用CFC物质，短期替代工质R22也将很快被禁用,R134a是较为理想的长期替代工质之一，并已广泛使用，但在低温工况下应用有一定的限制。近些年对于混合工质的研究很多, R404A(R134a/R143a/R125，质量分数为4%/52%/ 44%)就是其中之一。这种近共沸混合制冷剂的滑移温度小，其ODP为0，温室指数GWP小于R134a，被用作R22的长期替代物，并且其性质与R22非常相近，作R22的替代工质只需对系统做较小的改动。
在对制冷剂进行替代研究的同时，新型换热器的设计也在不断发展。层叠式蒸发器就是在管带式蒸发器基础上发展起来的一种新型换热器。它是由两片冲成复杂形状的铝板，叠在一起形成夹板，组成小水力
直径的矩形制冷剂通道，并在每两个夹板之间放置波纹形百叶窗翅片，然后一层层叠置起来，其换热系数一般较管带式高10%~35%，是最有前途的蒸发器形式。层叠式蒸发器目前是汽车空调领域最为紧凑、高效的换热设备，在汽车空调中逐步得以推广应用。
笔者就新型制冷剂R404A应用于冷藏车制冷
第6卷 第4期 2006年8月
制冷与空调
REF RIGERAT ION A ND A IR-CO NDI T ION IN G
29 33
收稿日期:2005 05 09
通讯作者：郝亮,Email:hlsky@stu.xjtu.edu
系统时，在空调侧层叠式蒸发器中与其他两种制冷剂R22和R134a 进行了模拟比较。
1 数学模型
通过建立层叠式蒸发器稳态分布参数模型，计算分析以上三种制冷剂在蒸发器中分布参数的变化情况，以及工况的变化对换热及流动性能的影响。1.1 基本假设
在同一流程中，制冷剂在各扁管中均匀分配，忽略各流道相互之间的传热;
!蒸发器内制冷剂流动简化为一维流动，制冷剂蒸气和液体均不可压缩;
∀忽略不凝性气体和润滑油对传热的影响;#忽略管壁轴向导热;
∃管外凝结水立刻排出，由于汽车空调蒸发器的防结霜控制，故不考虑结霜工况。1.2 控制方程组
层叠式蒸发器由多个散热板叠置在一起组成，中间放置翅片。根据以上假设，可以取一个散热板制冷剂通道及其周围翅片为研究对象(图1)，沿制冷剂流动方向按一定长度划分微元，取其中一个微元为控制体，如图2
所示。
图1
层叠式蒸发器散热板结构简图
图2 蒸发器微元控制体
由于层叠式蒸发器散热板内的流道呈U 形，制冷剂在其间流动时将会沿中间隔板发生180%的突转，因此应考虑转弯处制冷剂通道的变化和制冷剂与空气流动方向的变化，以及隔板前后控制体进口空气状态的不同。
稳态数值模拟不考虑参数随时间的变化，运用
质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程，其控制方程组如下:
制冷剂侧:
( u )
z
=0          u  u  z =- P  z -f
u
h
z =C i A i
q ,q = i (T w -T r )式中: 为密度(kg/m 3
);u 为速度(m/s);h 为比
焓(kJ/kg );T 为温度(K ); 为换热系数(W/(m 2&K));P 为压力(Pa);f 为摩擦压降梯度(Pa/m)。
空气侧:
m a d h a d y d y = o A o
Cp a (h a -h s )m a
d !a
d y
d y =∀A o (!a -!s )式中:∀为质量传递系数，由传热系数按刘易斯准则关系式导出;C p 为定压比热容(kJ/(kg &K));!为含湿量(g/kg 干空气);m 为质量流量(kg/s)。1.3 换热系数与压降公式
层叠式蒸发器中，制冷剂以环状流为主，液膜附在壁面流动，中心是夹带液滴的气体流动，制冷剂以膜状蒸发为主，核状蒸发效果较弱。对环状流，随干度的增加，液膜越来越薄，如果蒸发一直进行，最后
会在表面出现干燥点，且干燥区面积越来越大，直至壁面完全干燥，干燥点以后的换热系数连续减小，换热能力降低。同时由于层叠式蒸发器采用内部强化的扁形流道，其流形与圆管内流动有很大的差异。实验研究表明，表面张力对制冷剂在小水力直径管内流动和传热的强化效果显著，可以在较小的制冷剂流速下达到紊流，获得较大的换热系数。本文中，两相区对流换热系数，采用文献[4]中的Carey 公式，两相区压降公式选用文献[1]推荐的适用于小水力直径多孔矩形扁管的Yang 和Webb 关联式；过热区对流传热系数采用经典的Dittus  Boelter 公式计算，压降公式参考文献[5]的Blasius 摩擦因子关联式。在层叠式蒸发器的U 形流道转弯处，制冷剂与空气的相对流动方向由叉流变为顺流或逆流，换热效果有所变化，其换热系数与压降根据文献[6]进行修正。管外空气侧以波纹形百叶窗翅片为主，对于其传热与空气流动压降公式，选用Davenport 在大量的试验基础上得到的百
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第6卷
叶窗翅片的传热因子j 与摩擦阻力因子f 的经验公式，参考文献[7]。蒸发器通常工作在湿状态下，翅片与流动空气间的换热不仅有显热交换，同时还
有空气含湿量变化引起的潜热交换，管外换热系数用文献[9]提供的析湿系数计算公式修正。2 结果分析
模拟所用层叠式蒸发器散热板长0.2m ，分2个流程，每个流程11块散热板。为了分析和比较3种制冷剂R22,R134a 和R404A 在层叠式蒸发器中的换热性能，在如下条件下进行模拟计算：蒸发温度5∋，过热度5∋，冷凝温度50∋，过冷度5∋。结果如图3~图10所示。
图3和图4为3种制冷剂在相同的运行工况下，制冷剂侧传热系数和压降梯度沿制冷剂流动方向的分布情况。可以看出,R404A 的蒸发传热系数与R134a 和R22相比都要大；而压降梯度,R404A 大于R22，小于R134a 。因此在模拟工况下,R404A 具有较好的换热和流动性能。图中中间两小段的突起，是由于在转弯处制冷剂通道较小,
换热系数和压降梯度均有一定的增加。
图3
制冷剂侧换热系数沿管长变化
图4 制冷剂侧压降梯度沿管长变化
图5和图6为3种制冷剂在蒸发器中的换热量和制冷剂侧压降随迎面风速的变化情况。从图中可以看出,R404A,R22和R134a 的换热量和流动压降都随风速的增大而增大。R404A 与R134a 相比，前者的换热量略小于后者。出现这种情况是由于在冷凝温度及过冷度相同时,R404A 在蒸发器的入口干度较大，因此，虽然在图3中R404A 的管内换热系数较大，换热量要小一些。但管内压降R404A 始终小于R134a，而且变化相对平缓。R22虽然压降最小，但换热量也小于R134a 和R404A 。
图5 蒸发器换热量随迎面风速变化
图6 制冷剂侧压降随迎面风速变化
图7、图8、图9和图10是在保持迎面风速不变时,3种制冷剂在层叠式蒸发器中的换热量和制冷剂侧压降随进口空气温度的变化情况。可以看出，随着湿球温度的增大,3种制冷剂的换热量近似线性增加，而随着干球温度的增加，换热量和压降仅有微弱的减小，这表明风速变化在湿空气状态
下，推动管外热交换的动力主要是空气与蒸发器管
&31& 第4期        郝亮等：冷藏车层叠式蒸发器应用R404A 与R22和R134a 的比较
外凝结水膜周围饱和空气之间的焓差。在换热量及制冷剂侧压降方面,R404A 都始终大于R22，而小于R134a 。但随着湿球温度的增加,R134a 的压
降增加更为剧烈。
图7
蒸发器换热量随进口空气湿球温度变化
图8
制冷剂侧压降随进口空气湿球温度变化
图9
蒸发器换热量随进口空气干球温度变化
图10 制冷剂侧压降随进口空气干球温度变化
图11和图12是在保持空气进口温度、风速及蒸发温度不变的情况下，冷凝温度对蒸发器性能的影响。由图中可以看出,3种制冷剂的换热量都随冷凝温度的提高而逐渐减小，同时压降也有小幅度
的下降,R404A 的换热量和压降值也都处于R134a 和R22之间。提高冷凝温度会使系统的制冷系数降低，而且R404A 的临界温度较低，所以在应用R404A 时,
冷凝温度不能过高。
图11 蒸发器换热量
随冷凝温度变化
图12 制冷剂侧压降随冷凝温度变化
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第6卷
3 结 论
由于冷藏车双蒸发器系统采用空调侧与冷藏侧两个蒸发器，而且两者的运行工况相差比较大,
因此在选择制冷剂时需要兼顾空调工况与冷藏工况的运行条件。
笔者对层叠式蒸发器建立了分布参数数学模型，并在空调工况下，分别对R22,R134a 和R404A 三种制冷剂进行了模拟比较。可以看出，在相同的蒸发器中，相同的运行工况下,R404A 的管内换热
系数高于R134a 和R22。在工况变化情况下的结果表明，采用R404A 时，蒸发器的换热量略小于采用R134a 时的换热量，但要大于采用R22时的换热量；制冷剂侧压降R404A 则要大于R22，却明显小于R134a 。因此，在空调工况范围内，中低温制冷剂R404A 表现出较好的传热和流动性能，具有R134a 换热强和R22压降小的特点，适宜于在双蒸发器冷藏车系统的空调层叠式蒸发器中应用。
参考文献
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