许振华　祖润青　吴远培　马建文（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北　保定　071000）



HVAC蒸发器芯体流动均匀性及空调流道设计的研究

许振华祖润青吴远培马建文
（长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北保定071000）

摘要：随着汽车舒适性的提高和节能减排的需要，蒸发器表面风速均匀性已成为提高空调制冷效率的重要因素。本论文对蒸发器风速均匀性提出了判定方法和指标建议，同时根据以往经验对前期流道设计提出建议，为今后的空调设计提供参考。

关键词：空调系统；蒸发器；流动均匀性；流道优化

制冷系统发展到现在，从冷冻冷藏和家用空调的降温与保温到汽车的制冷制热的需求，制冷技术越来越成为人们生活中不可或缺的一部分。而对于汽车空调来说，空调控制系统的精确和制冷系统的持久与稳定是目前的研究重点。蒸发器是汽车空调中十分重要部件，低温的冷媒经过蒸发器与外界进行热交换，汽化吸热，达到制冷的效果。由于汽车空调的放置空间紧凑，目前蒸发器主要以微通道换热器为主，它具有结构紧凑、传热系数高、质量轻、制冷剂充注量少、制冷剂侧和空气流动阻力小、便于安装、坚固耐用、运行可靠等特点，但平行流蒸发器的紧凑结构如果设计过程中没有充分考虑其流动性，就会影响其工作效率。空调系统在进行换热过程中，影响流动性能的因素主要有滤芯的布置位置、蜗壳与蒸发器前壳体连接方式、蒸发器前壳体外形、风机与蒸发器芯体的相对位置等，本文对这四个因素进行一些前期的设计建议，避免因为前期设计的考虑不足，影响蒸发器的换热效率，减少汽车空调整体的使用寿命。

1 流动均匀性的研究

Gamma值法

研究HVAC蒸发器芯体流动均匀性，必须要对流动均匀性有一个系统的评判标准，以便可以通过数值的、直观的对比，筛选出最合理的设计方案。本文采用的是Gamma值法，通过均匀性指数来判定流体的均匀程度，均匀性指数的公式为：

其中，γ为均匀性指数，变化值在0 与1之间，1表示理想状态下的均匀性，0表示只通过单个通道；

Wi是节点单元的速度；

Wmean是平均速度

指定面上的单元节点数目；

Ai为单元网格面积，A为有效面积。

显然，这里用均方差定义的均匀性指数能够更加全面、合理地反映整个载体截面的流动分布特性。

图1　空调箱1（两箱空调 为0.85）

图2　空调箱2（两箱空调 为0.86）

图3　空调箱3（两箱空调 为0.76）

图4　空调箱4（中置空调为0.95）

图5　空调箱5（中置空调 为0.92）

图6　空调箱6（中置空调 为0.90）

图7

图8

图9

图10

2 通过几组HVAC总成 CFD分析数据进行Gamma值分析（图1~图6）

从目前的设计经验来看，通常情况下，空调箱蒸发器芯体的Gamma值在0.76 ～0.95。滤芯布置在蒸发器芯体与风机之间时，蒸发器芯体表面的流动均匀性相对更高一些，如空调箱4、5。

3 提升蒸发器芯体流动均匀性的常用方法

3.1 在空间允许的情况下，将滤芯尽量布置在蜗壳出口与蒸发器芯体之间。因为滤芯本身具有一定的整流作用，可使气流在滤芯的作用下达到均匀流动的目的。如图7所示布置。

3.2 在空间、结构等允许的前提下，蜗壳与蒸发器前壳体的位置关系尽量如图中虚线所示，这样的布置关系，可以有利于风机出来的气体更好的散开，从而使得流到蒸发器表面的气流更加均匀。

3.3 蒸发器芯体前壳体外形可尽量做成阶梯状，通过阶梯形状的组合，使得风机吹出的气流在到达蒸发器芯体前局部区域减速，从而提高蒸发器芯体的流动均匀性。

3.4 在空间允许的情况下，尽量将风机和芯体放置在同一水平线上，避免风机与蒸发器芯体的相对位置之间存在扭转关系。

4 流道设计的常用方法

HVAC过渡流道的设计需要考虑：

（a）过渡流道与HVAC壳体的匹配连接，从而使HVAC壳体流出的气流尽量少的在过渡流道内形成漩涡，造成过大的压损；

（b）在空间允许的情况下，与风管、HVAC的连接关系中，尽可能不要出现扭曲造型；

（c）结合HVAC内部气流的流动、后段风管及流量分配要求对过渡风管的管径、管型等进行合理设计。

具体设计方式如下：

4.1 根据流量分配要求，在过渡流道中可设置一些隔板，通过隔板的分布来满足流量分配要求。隔板的分布可大致按照流量分配比例，两侧可在流量分配比例基础上再放大一些；

4.2 在空间、结构等允许的前提下，尽量避免流道拐弯，增大过渡圆角（如图10所示）等，可以有利于减小系统的压损；

4.3 考虑HVAC本体与过渡流道连接处的结构，尽量使得HVAC与过渡流道之间的连接更为流畅，从而减小低速区的产生，使得整个HVAC的压损更小。

结论与展望

利用CFD分析对蒸发器风速均匀性的分析为，蒸发器性能充分发挥和提高性能，提供有效的解决方案，通过对现有空调箱分析，我们今后在设计空调箱时，要考虑蒸发器均匀性指标，建议指标对于两箱或三箱空调r值要大于0.85，对于中置式空调r值要大于9.0。

参考文献

[1]帅石金，王建昕，庄人隽.车用催化转化器内气体的流动均匀性[M].清华大学学报（自然科学版），2000，40（05）.

[2]李坦，靳世平，黄素逸，刘伟.流场速度分布均匀性评价指标比较与应用研究[J].热力发电，2013.

中图分类号：TK121

文献标识码：A