汽车空调中的蓄冷式蒸发器研究

作者:徐正本;王永军;黄国强; 刊名:制冷与空调 上传者:常新军

【摘要】通过在常规蒸发器上集成若干蓄冷器单元,并加注一定量的相变材料(PCMs),使其具备蓄冷和放冷的功能.采用蓄冷式蒸发器技术,在压缩机停机后,车内的舒适性温度的保持时间,可以从20s以内提升到90s以上.汽车空调系统中增加蓄冷功能后,整车可以应用发动机怠速启停系统(ISS),从而实现怠速停机、减少燃油消耗和尾气排放的目的.

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随着政府法规对汽车燃油消耗和尾气排放标准的提升,整车厂商都在寻求相应的技术解决方案。发动机怠速启停系统(ISS)就是其中的一种方案。传统的汽车在等红绿灯和怠速运行时,发动机在正常运转;采用怠速启停系统(ISS)后,发动机短时停机,燃油消耗和尾气排放都会有所下降。有研究表明,平均燃油消耗可降低2%~5%,排放也有效减少。但是,汽车采用怠速启停系统(ISS)后,发动机停止运转,空调系统的压缩机也将停止运行,车内的温度将迅速回升,舒适性将无法保证。带蓄冷技术的汽车空调系统在这种背景下应运而生。相关研究表明,汽车空调的出风温度低于15,才能保证车内的舒适性。一般的空调系统停机后,出风口温度将在20s以内回升到15以上。另外,有数据表明,80%的怠速停机运行时间都在1分钟(60s)之内。因此,将蓄冷空调系统的放冷维持时间设定为60s以上是较合适的。以蓄冷式蒸发器为核心部件的蓄冷式汽车空调系统,主要涉及到蓄冷介质选择、蓄冷器设计布局、蓄冷介质加注和蓄冷性能的测试验证等几项关键方面。本文通过针对上述几个方面进行研究和尝试,初步取得了阶段性的成果。1蓄冷介质采用相变介质进行蓄冷的技术,其核心是相变材料,又称潜热储能材料。相变材料在一定的温度环境下发生相变,同时吸收或释放热量。相变材料种类繁多,包含无机相变材料、有机复合材料、复合相变材料和金属相变材料等几大类。不同种类的相变材料特性各不相同。选择相变材料时主要考虑下述几项标准:1)热力学性能:单位相变潜热(熔解热)高,相变温度(熔点)合适;2)化学性能:稳定不易分解和挥发,无腐蚀性,无毒,不易燃烧,无爆炸性;3)经济性:适宜大规模制备,价格较便宜。本文选用的相变材料是十四烷(C14H30),属于一种石蜡类的无机相变材料。其主要特性见表1,其中:熔点为5.5~6.0,处于汽车空调系统的蒸发温度与理想出风温度之间;熔解热为225kJ/kg。十四烷(C14H30)在常温下为无色液体,化学性能稳定,无腐蚀性。由于其上述特性,十四烷(C14H30)较适合应用于汽车空调系统中的蓄冷式蒸发器上。表1石蜡类相变材料的特性参数名称分子式熔点/熔解热/(kJ/kg)密度/(kg/m3)热导率/[W/(m)]比热容/[kJ/(kg)]十四烷C14H305.5225.72771(10液态)0.1492.069十六烷C16H3416.7236.88776(16.8液态)0.1502.111十八烷C18H3828.0242.44774(32液态)0.1502.153二十烷C20H4236.7246.62774(37液态)0.1502.2072蓄冷器单元设计蓄冷器单元的设计和布局(图1),主要从4个方面考量和评估:1)产品性能:蓄冷性能好,对基本制冷性能和风阻影响小;2)结构布置:结构紧凑,布置和应用方便;3)可靠性:产品可靠性好,长时间运行不易失效;4)可制造性:工艺可行,生产便利,制造成本低。图1蓄冷器单元结构蓄冷器单元和蓄冷式蒸发器的设计特征:1)结构紧凑:基于现有平行流蒸发器设计,蓄冷器单元集成在现有扁管和翅片中间;2)应用灵活:蓄冷器单元采用标准尺寸设计,根据应用需要可以灵活布置和设计;3)设计优化:蓄冷器单元内部布置有内翅片,有效提升换热效率和产品强度;4)工艺简便:蓄冷器单元装配后,与其他部件一起进行整体钎焊,工艺成熟。每个蓄冷器单元上都布置有一个加注孔。在蒸发器芯体钎焊好之后,通过加注口往蓄冷器单元内部加注一定量的相变材料(PCMs)。通过初步估算,加注150ml的相变材料,可以维持放冷时间50s以上。再加上常规蒸发器芯体本身

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