回热器系统在汽车空调系统上的应用

 米磊磊

 （江铃重型汽车有限公司，山西  太原  030032）

摘要：介绍了目前国内外汽车空调的发展趋势，论述了回热器系统在汽车空调上的开发应用现状，总结说明了回热器系统设计中的主要因素以及与整车空调系统的匹配问题。

关键词：汽车空调；新型制冷剂；回热器系统 中图分类号：U463. 85+1 

0  引言

 随着全球变暖趋势的加剧，汽车空调除了满足基本的舒适性要求外，还被赋予节能与环保等更多意义。目前，在汽车空调上普遍使用的制冷剂为HFC134a,由于其全球变暖指数(Global Warming Potential，GWP)高达1 300，加上较高的泄漏率，使全球变暖趋势进一步恶化，因此属于将来要被淘汰的制冷剂。欧盟要求自2011年起新开发的车型禁止使用HFC134a，到2017年新生产车辆停止使用HFC134a。国内汽车空调市场目前对HFC134a的需求还是比较大的，2006年全国新车消费与维修用量达到9 500t。因此，开发新的环保型系统制冷剂成为汽车空调发展的一个重要趋势。

 目前研究比较多的可替代HFC134a的环保制冷剂是CO2、HFC152a与HF01234yf。C02在自然环境中大量存在，属于自然工质，但是其工作压力过高，稳定性差，系统能耗高，配件价格也高。HFC152a的GWP是140，存在易燃问题，需要配备独立的二级循环设备，这将增加空调系统成本。而由Honeywell与Du-Pont联合开发推出的单一工质制冷剂HF01234yf，全球变暖指数是4，环保性能优异，是一种比较理想的制冷剂，但也存在弱可燃、化学性质稳定性差等问题。为了降低HFC134a汽车空调系统的能耗，以及提升HF01234yf汽车空调系统性能，各大汽车空调厂商开发出了各种回热器系统以解决这些问题。

1  回热器系统原理

 带回热器的汽车空调系统组成框图如图1所示，它由压缩机、冷凝器、回热器、膨胀阀和蒸发器组成。回热器的基本原理是利用蒸发器出口的低温低压气态制冷剂与冷凝器出口的高温液态制冷剂通过回热器进行热交换，使冷凝器出口的高温高压液态制冷剂进一步过冷、蒸发器出口的低温低压气态制冷剂进一步过热，达到防止压缩机液击的目的。

 图2为普通制冷循环与回热制冷循环的压焓图对比。普通制冷循环过程如图2中的1-2-3-4所示，包括压缩、冷凝、膨胀与蒸发4个过程。与普通制冷循环相比，带回热器的空调系统的制冷循环的区别在于，由于回热器的中间换热作用，使得进入到压缩机的低温低压的气态制冷剂进一步过热，1-1’表示的就是增加的过热部分。同时，冷凝器出口的高温液体制冷剂进一步过冷，3-3'表示的就是增加的过冷部分。从图2中可以看出，回热制冷循环1’-2’-3’-4’比普通制冷循环1-2-3-4的性能要高一些，有助于实现汽车空调系统的节能降耗。严诗杰等研究表明，在汽车空调系统中增设回热器可以明显改善系统性能，平均提高系统制冷量约5%，提高COP(Coefficient of Performance)约16%，在空调恶劣工况（怠速外循环工况）下改进尤其明显，制冷量和COP分别提高14. 7%和20. 0%。

 配备回热器系统的汽车空调系统可以使驾驶室内空调出风口的温度适当降低，尤其在整车空调系统环境模拟试验的怠速阶段更为明显，这对于提高空调系统的性能非常重要。钱锐等利用汽车空调环模试验研究了回热器在不同车速和模式下对汽车整车性能的影响，结果表明经过合理匹配的IHX系统可以使得空调系统出风口平均温度比原系统降低约1.5℃，在获

得同样的系统制冷性能情况下，系统能耗可以降低约10%。

2  回热器系统的开发

 回热器通常采用套管式逆流设计，如图3所示，这样可以增大制冷剂流动阻力，减缓制冷剂的相对流动速度，延长换热时间，达到中间降温与充分换热的目的。目前，套管式回热器主要有液内气外和液外气内两种结构。与液内气外结构相比，液外气内结构可以增大换热面积，而且使得液态制冷剂与内部低温气态制冷剂和外部环境同时进行换热，液态制冷剂的过冷度增加更大而气态制冷剂的过热度增加更小，从而减少有害过热。

 套管式回热器的核心部件是同轴管。同轴管内侧一般会有一定数量的肋，以增大有效换热面积，增加流体流速，从而提高换热量。John J．Meyer研究了分别配备平滑式同轴管、改善型平滑同轴管与螺旋式同轴管的3种回热器系统的换热与压降对汽车空调系统性能与压缩机排气温度的影响，3种回热器截面见图4。结果表明配置了平滑式同轴管的回热器系统的压降最低，但是在单位长度内传热效果最差。配备改善型平滑同轴管的回热器系统比前者在单位长度内传热量多，但是会导致压缩机排气温度升高。而螺旋式回热器系统以最小的外径达到了最好的传热性能。

目前，螺旋式回热器尽管换热率较高但应用却很有限，原因在于其复杂的加工工艺、较高的加工成本以及难以保证的弯管质量。考虑到汽车车身结构比较紧凑，空调管路的安装空间相对狭小，以及空调系统本身的压降、压缩机排气温度和成本等因素，配备平滑同轴管的回热器是目前比较有应用价值的一种回热器系统。

3  回热器系统的设计要素

 回热器系统的设计要素主要有回热器分配方式、同轴管长度、直径、肋片数量、弯管半径、系统压降、换热情况以及系统润滑油循环的影响等。其中，同轴管的长度与直径对回热器系统的最终匹配有直接影响。

 同轴管长度主要受汽车车身与发动机舱布局的影响。当回热器压降较小时，增加同轴管长度不但可以增大回热器的有效换热面积，还可以增大系统换热量。合理的同轴管长度选择范围取决于同轴管类型、同轴管的当量直径，其影响结果可以用液态制冷剂的压降和过冷度增加量、气态制冷剂的压降和过热度增加量、通过回热器的制冷剂流量来表征。

 同轴管直径与回热器换热面积与肋片高度有关。对于液外气内这种结构形式的回热器，气管的外径一般是Q16 mm。增大同轴管直径，可以增加换热面积。过大的同轴管直径会因肋片高度增大而使制冷剂流速减小，导致回热器系统压降过大，不利于提高回热器系统的性能，同时也会导致采购与加工成本增加。

 肋片可以增加回热器的有效换热面积，同时减少外管侧制冷剂的流通面积，加快其流速，从而提高换热量。适当增加同轴管肋片数，对于回热器尤其是液外气内结构的回热器，可以明显改善其性能。

 由于汽车车身结构复杂与发动机舱的布局限制，必须对回热器进行弯管处理才能适应安装的需要。目前，空调管路厂家普遍采用无芯弯管技术来进行弯管，这样可以保证同轴管截面不失圆，避免了同轴管截面严重变形造成的系统压降。为了保证回热器系统的换热能力，同时又减小回热器压降，建议同轴管的弯管半径不小于50 mm。另外，还应该避免回热器系统中相邻弯管段之间的距离过小。

 空调系统高压侧的压降会对制冷能力与COP的提升有负作用。如果压降过大，来自冷凝器的液态制冷剂可能会产生局部节流形成部分两相流，从而影响热力膨胀阀的有效工作，导致蒸发器的制冷能力下降。蒸发器出口后低压侧的制冷剂流动阻力增加，会增加压缩机吸气口的比容而导致压缩机有效排气量的减少。

 润滑油浓度在空调系统制冷循环运行时不断变化，回热器系统的性能也随之变化。当润滑油浓度（质量分数）达到2%～3%时，回热器系统的换热能力达到饱和。润滑油浓度的进一步持续增加，会导致回热器系统的绝对效率比下降。

 将回热器系统引入到汽车空调系统中，增加了系统换热，提高了系统性能，但有可能会导致更大的系统压降与更高的压缩机排气温度以及更多的配件采购成本。从整车空调系统的最终匹配来看，回热器系统的设计还必须综合考虑制冷剂种类、系统制冷剂的充注量、系统低压侧压降、膨胀阀的调节与压缩机排气温度。

4结论

 在对汽车空调回热器系统分析的基础上，本文总结说明了回热器系统设计开发中的主要因素以及与整车空调系统的匹配问题。随着人们对汽车空调系统舒适性要求的提高，以及汽车市场节能降耗的发展需要，对回热器系统必须进行技术提升，解决目前在焊接密封工艺、弯管质量、气密检测等方面的问题，才能使其在汽车空调系统得到进一步的应用。