摘 要

近年来，空调与我们的生活变得越来越紧密，它在汽车行业同样发挥着巨大的作用。然而，传统空调系统使用的制冷剂存在诸多问题，我们急需寻找一种性能优异的替代品。本文的主要目的是寻找一种新型制冷剂并以此为基础设计一款车用空调制冷系统的冷凝器。文章对比并全面分析了多种制冷剂的各项性能，其中R1234yf各方面属性（安全性、基本物理性质等）均衡且无明显缺点，最终确定把R1234yf作为车用空调的新型制冷剂。然后以R1234yf为制冷剂，进行了冷凝器（管片式）的设计计算，得到了冷凝器的基本参数，并且在此数据的基础上，用CATIA建立了冷凝器的三维模型。最后，文章从函数方程的变量角度探讨冷凝器翅片效率的影响因素及其相互之间的关系，并提出具有一定可行性的提高效率的方法。

关键词：新型制冷剂，车用空调，冷凝器，R1234yf

ABSTRACT

In recent years, air conditioning has become more and more closely related to our lives.It also plays a huge role in the automotive industry. However, there are many problems in refrigerants used in traditional air conditioning systems. We urgently need to find a substitute with excellent performance. The main purpose of this paper is to find a new type of refrigerant and design a condenser for vehicle air-conditioning refrigeration system based on this. The properties of various refrigerants are compared and analyzed comprehensively, in which the properties of R1234yf (safety, basic physical properties, etc.) are balanced and have no obvious shortcomings, and R1234yf is finally determined as a new refrigerant for vehicle air conditioning. Then the condenser is designed and calculated with R1234yf as the refrigerant, and the basic parameters of the condenser are obtained. On the basis of this data, a three-dimensional model of the condenser is established with CATIA. In the end, the influence factors of the condenser fin efficiency and the relationship between them are discussed from the variable angle of the function equation, and the methods to improve the efficiency are put forward.

Key words: new refrigerant, vehicle air conditioner, condenser, R1234yf

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景及研究意义 1

1.2国内外研究概况 1

1.3论文主要研究内容 2

1.3.1基本内容 2

1.3.2拟采用的方法和措施 2

第2章 R1234yf的物理性质 3

2.1基本物理性质的研究 3

2.2安全性相关物理性质的研究 4

2.3传热与压降的研究 5

2.4本章小结 5

第3章 R1234yf与传统制冷剂的对比 6

3.1 R1234yf与R134a 6

3.1.1 R1234yf与R134a的主要物性参数对比 6

3.1.2 R1234yf的优点 7

3.2 R1234yf与R22、R717、R32 7

3.2.1 四种制冷剂的热物理性 7

3.2.2 四种制冷剂的稳定性对比 8

3.2.3 四种制冷剂的热力学性能对比 8

3.3 本章小结 10

第4章 冷凝器设计计算 11

4.1 确定基本工况参数 11

4.2 计算几何参数 11

4.3 计算冷凝器的空气流量和换热量 12

4.4 冷凝器的换热系数和换热效率 12

4.5 管内侧换热系数的计算 13

4.6 有关传热系数和传热面积的计算 14

4.7 计算冷凝器的几何尺寸 14

4.8 空气侧阻力的有关计算 15

4.9 本章小结 15

第5章 冷凝器三维模型的建立 16

5.1 建立三维模型 16

5.2 本章小结 17

第6章 影响翅片效率的初步探索 18

6.1几何参数确定 18

6.2 计算空气侧换热系数及翅片效率 18

6.3 效率对比 19

6.4 从函数角度分析换热效率的变化情况 19

6.5提高冷凝器换热效率的方法 20

6.6 本章小结 21

第7章 结论 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1选题背景及研究意义

我国经过了几十年的高速发展，综合国力增强，人民的生活水平逐步得到改善，所以大众对于生活质量的要求也越来越高，空调与制冷装置逐渐被应用到我们的生产和生活中，这给我国人民提供了一个比较舒适的生活环境。近几年来，随着汽车的逐渐普及和人民群众对汽车要求的提高，空调系统已经逐步被应用于汽车领域。因为车内空调系统的性能会直接影响到乘客的感受，进而影响到我们对于整车的评价，所以设计性能优异的空调与制冷装置是非常有必要的。

汽车空调及制冷装置指的是能够对汽车车厢内空气质量的各项指标进行自动调节的一种装置^[1]。无论车外的天气情况怎样变化，空调系统都能使车厢内的湿度、气流流速、温度等参数值保持在让驾驶乘坐人员感觉舒适的范围内，进而可以改善乘车环境，增强驾驶和乘坐的舒适性。汽车空调及制冷装置^[2]一般由通风系统、空气冷却系统、空气加热系统、空气加湿系统和自动控制系统五部分组成。其中，空气冷却系统一般是由压缩机、冷凝器、蒸发器和节流器四个部分构成。因为冷凝器是汽车空调与制冷装置中最核心的部分，它的性能的优劣程度在很大程度上影响着整个装置的性能，所以有关于冷凝器的探索一直是国内外研究的重点。本文将在学习相关知识的基础上，分析轿车空调冷凝器的结构、工作原理和设计及优化方法。

1.2国内外研究概况

经过几十年的发展，现阶段轿车使用的冷凝器大多数是第三代，即平行流冷凝器。第一代冷凝器是管片式，它的结构是以铝翅片为散热片的铜管管束；第二代冷凝器是管带式，它是把挤压后的铝扁管弯成蛇形，然后在它们之间的空隙内焊上铝翅片作为散热片，由于该冷凝器全部采用铝来代替铜质零件，而且它优化了制冷剂流动的通道结构，换热效率得到了提高，并且总体的重量大幅降低；第三代也是现阶段广泛采用的冷凝器是平行流（即空气冷却式）冷凝器，它是由数条扁管和密集的高性能鳍片组成，这使得冷凝器的质量大大降低，同时使其具备了高性能、轻量化等优点。其中平行流冷凝器是目前汽车空调中使用较广泛的一种。

平行流冷凝器是以管带式冷凝器为基础并且做了一些重大改进，它进一步缩小了管带式冷凝器中的铝扁管的水力半径，这能够加强制冷剂一侧的传热；并且在冷凝器扁管的两端装配上集流管，在设计制冷剂流动通道时可以按照制冷剂从汽态变化到液态其体积不断缩小的特性来进行，这能够提高散热效率。按照以上原理，我们可以比较轻松地设计出薄一点的散热器，降低了风阻，同时重量也减轻了。到目前为止，平行流冷凝器的技术水平已经达到了比较高的水平，在整体结构上也很难再有大幅度改进和优化，因此如何更好地设计并分配制冷剂的流动通道是下一阶段研究的主要方向。

为了更好地完成轿车空调冷凝器的匹配工作并且进一步提高它的工作效率，业内普遍采用VB技术^[3]对汽车空调冷凝器进行优化设计。根据湖南大学机械与汽车学院所做的相关研究，我们可以看出，使用VB技术对空调冷凝器进行优化处理对于减少轿车空调冷凝器的成本、优化冷凝器的匹配、缩短研究制造时间以及提高其换热效率等方面都有比较重要的现实意义。

1.3论文主要研究内容

1.3.1基本内容

（1）介绍了国内外汽车空调系统及冷凝器的现状和发展方向。

（2）阐述了新型制冷剂R1234yf的物理性质，如基本物理性质、与安全性相关的物理性质以及有关传热与压降的研究。

（3）通过对比新型制冷剂R1234yf和传统制冷剂的各方面特性的差异，得出R1234yf的优劣和可取性。

（4）选择冷凝器的类型，并进行详细的计算得到冷凝器的基本尺寸，同时进行检验计算。

1.3.2拟采用的方法和措施

（1）初步了解国内外关于轿车空调冷凝器的研究现状、相关的方法以及存在的不足和未来发展方向；了解我国汽车产业对于汽车空调冷凝器领域的发展状况，与国际上的研究相比存在的不足和优点，以便于找到适合我国汽车空调冷凝器发展的方向。

（2）查找汽车发动机结构的相关文献，了解汽车空调与制冷装置和发动机的整体结构布局，并且根据轿车的实际情况确定冷凝器的几何参数的范围，进而设计出具有实际意义的汽车空调冷凝器。

（3）学习轿车空调冷凝器的基本结构和工作原理，学习建立数学模型的方法，并且能够利用计算机软件进行仿真实验，以便利用数学模型来分析所设计的轿车空调冷凝器的性能，并且能够针对其不足之处，设计出合理的优化方案。

（4）建立冷凝器的三维模型，形象地观察其结构了解换热原理，以便进一步优化。

第2章 R1234yf的物理性质

2.1基本物理性质的研究

制冷剂的基本物理性质^[4]包括几个方面，即制冷剂的温度、密度、压力等物理参数，同时还包括它在不同情况下的传热性能，此外制冷剂的毒性和可燃性等与安全有关的属性也在考虑之内。以上这些性质都与某物质能否作为汽车空调系统的制冷剂有着密切的关系。要研究制冷剂的物理性质，现阶段采用的方法一般是通过进行实验测量来获得大量的数据，然后根据这些数据拟合出对应参数的经验关联式，也可以进一步绘制相对应的曲线。

现阶段在世界范围内对于制冷剂R1234yf基本物理性质的研究已经比较普遍。Katsuyuki Tanaka用实验方法测得了R1234yf的临界压力、临界密度和临界温度等参数，并且利用量热法测得了温度在310-360K区间内时的饱和压力曲线（如图2.1）。

图2.1 R1234yf的饱和压力随温度的变化曲线

利用图2.1曲线中的实验数据，我们可以检验并比较不同的物理性质状态方程的适用程度，常用的物理性质状态方程主要有Martin-Hou方程，Peng-Robinson方程和Patel-Teja方程。其中的Patel-Teja方程^[18]对于R1234yf的饱和压力的计算可以达到最为满意的精度，采用该方程我们可以绘制得到R1234yf的温熵图（图2.2）以及压焓图（图2.3）。

图2.2 R1234yf的温熵图

图2.3 R1234yf的压熵图

2.2安全性相关物理性质的研究

根据SAE主导的CRP1234项目^[5]中所做的实验，我们可以得到R1234yf与毒性相关的一系列数据如下表2.1。得到的结论是：从毒性方面来考虑，R1234yf是可以作为汽车空调冷凝器的制冷剂使用的。从表格2-1中的数据^[6]我们可以看出，R1234yf的毒性和R134a的毒性相差不大甚至更低。

表2.1 R1234yf和R134a的毒性对比

*LOEL:最低观察到作用计量； NOEL：无作用计量； NOAEL：无毒性反应水平

2.3传热与压降的研究

除了制冷剂的基本物理性质，不同的流动状态下的压降与传热性能也是研究的一个重点，尤其是对于低GWP值的工质而言。制冷剂的传热与压降性能的研究的核心在于两相状态下的传热压降的特性，其中两相状态指的是沸腾状态和冷凝状态两种。Ki-Jung Park^[19]对制冷剂R1234yf在平行流道内的沸腾传热做了相关研究，结果表明在有内翅片和无内翅片两种情况下，R1234yf的传热系数和R134a非常接近，所以我们可以认为传统的传热关系式同样适用于R1234yf的传热系数的计算。

冷凝传热关联式的表达形式和沸腾换热有不同之处，冷凝传热关联式的形式是通过流型确定的，而沸腾换热关联式的形式是通过传热的机理来确定的。Ki-Jung Park^[19]关于R1234yf在平面内和带扰流表面的冷凝系数进行了相关研究，结果表明当表面状况不同时，R134a和R1234yf二者的冷凝传热系数非常接近，而且R1234yf的沸腾换热系数几乎不受蒸发压力的影响，主要受到热流密度影响。

2.4本章小结

本章详细介绍了新型制冷剂的物理性质，主要包括对于其基本物理性质的研究、与安全性相关的物理性质的研究以及有关传热与压降的研究。我们同样可以从以上三个方面得出结论：

（1）现阶段研究制冷剂的物理性质，采用的方法一般是通过实验获得大量实验数据，然后根据这些数据拟合出对应参数的经验关联式，也可以进一步绘制相应物理量的曲线。

（2）新型制冷剂R1234yf的毒性和传统制冷剂R134a之间的差距很小，R1234yf的安全性甚至要略高于R134a，所以如果仅从制冷剂的安全性方面来考虑，R1234yf完全可以作为汽车空调系统的制冷剂。

（3）当制冷剂在平行流道内做沸腾传热时，不管冷凝器有无内翅片，R1234yf的传热系数和R134a的传热系数非常接近；R1234yf的沸腾换热系数几乎不受蒸发压力的影响，主要受到热流密度影响。

第3章 R1234yf与传统制冷剂的对比

3.1 R1234yf与R134a

3.1.1 R1234yf与R134a的主要物性参数对比

汽车空调与家庭使用的空调有很大的结构差异，尤其是二者的制冷系统，家用空调采用的是电驱动全封闭式的压缩机，而汽车空调使用由发动机驱动的开启式压缩机。为了尽量减少制冷系统的泄露，汽车空调的制冷系统需要在较低的压力下运行。综合以上分析，家用空调多采用R22为制冷剂，汽车空调多采用R134a为制冷剂。R134a是R12的一种替代制冷剂，它的毒性非常低，而且在空气中不可燃，安全类别是A1。R134a的化学稳定性好，然而它的溶水性较高，所以对制冷系统很不利，因为即使有少量水分的存在，加上润滑油等的作用，将会产生酸、二氧化碳和一氧化碳，这会对金属产生腐蚀作用，或产生“镀铜”效应，所以使用R134a作为制冷剂对系统干燥和清洁的要求更高。另外，制冷剂R134a的GWP（全球变暖潜能值）gt;150，使用此制冷剂会加剧全球变暖的趋势，已被国际社会列入温室气体。按照欧盟法案规定^[7]，2017年以后所有汽车空调使用的制冷剂必须满足GWPlt;150,因此研究一种新型制冷剂来代替R134a迫在眉睫。新型制冷剂不仅要满足环保的要求，还应能够在较低的压力下工作，以尽量减少制冷剂泄漏。R1234yf是一种较为理想的新型制冷剂。

表3.1中的是两种制冷剂（R1234yf和R134a）的主要性能参数^[8]，从表3.1可知新型制冷剂R1234yf具有和R134a相似的优良物理性质，同时它的GWP值非常小，我们初步认为这是一种较为理性的新型制冷剂。

表3.1.Ｒ1234yf 和 Ｒ134a 的主要物性参数

图3.1是根据不同温度时R1234yf和R134a对应的饱和蒸汽压力值^[8]绘成的曲线。由图3-1可知，当温度处于-40℃至90℃区间内时，R1234yf与R134a的饱和蒸汽压力值非常相近，所以理论上分别以R1234yf和R134a为制冷剂的制冷系统可以直接替换，不需要做大的调整。

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