關(guān)于城市軌道交通車輛空調(diào)機組熱交換器型式淺析

摘要：隨著我國城市化水平不斷提高，人們對空調(diào)的需求越來越大，社會也對空調(diào)使用予以極大關(guān)注?？照{(diào)機組是城市軌道交通車輛的重要組成部分，在保證列車舒適性方面至關(guān)重要。本文將對空調(diào)機組熱交換器的型式進行分析，針對目前空調(diào)機組的實際使用狀況，提出制冷空調(diào)專業(yè)的改革新舉措，進而促進空調(diào)工程領(lǐng)域的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;空調(diào);車輛;熱交換器

0 ?引言

目前城市軌道交通車輛空調(diào)機組熱交換器大多采用的是銅管鋁翅片的形式，設(shè)計使用壽命是15年，每五年進行一次架修，10年進行一次大修?？照{(diào)機組熱交換器主要包括蒸發(fā)器和冷凝器，冷凝器裸露在外，蒸發(fā)器在室內(nèi)腔，另一方面在空調(diào)制冷工況下冷凝表面溫度過高，在架修過程中發(fā)現(xiàn)冷凝器表面親水膜已經(jīng)有不同程度的破損，而蒸發(fā)器狀態(tài)較好。下面將對不同材質(zhì)的熱交換器研究，分析優(yōu)劣。

1 ?空調(diào)機組熱交換器的作用

空調(diào)機組熱交換器主要作用是實現(xiàn)空氣和空調(diào)系統(tǒng)管路內(nèi)冷媒之間的熱量交換，從而實現(xiàn)室內(nèi)空氣降溫或升溫。熱交換器的組成主要有銅管和翅片。熱交換器，是蒸發(fā)器和冷凝器的統(tǒng)稱，蒸發(fā)器的作用是使制冷劑液體氣化蒸發(fā)，從外界吸收熱量;而冷凝器是向外界散熱，使制冷劑氣體降溫液化。

2 ?空調(diào)機組熱交換器的材料分析

2.1 空調(diào)行業(yè)現(xiàn)狀

熱交換器作為空調(diào)機組的關(guān)鍵部件，目前城市軌道交通車輛空調(diào)機組合同中多數(shù)采用銅管鋁翅片熱交換器，但近幾年來，行業(yè)中有人提出使用銅翅片的方式。

2.2 銅、鋁翅片導熱的對比

把純銅和純鋁這兩種材料的一些物理特性作了個簡單對比，如表1所示。

從表1中大家都會覺得銅的導熱能力強，就是因為銅的導熱系數(shù)比鋁的要高不少（此處指純銅和純鋁），這個也確實是。但是一個散熱器散熱能力的好壞不僅僅只考慮材料的導熱系數(shù)有關(guān)，還和散熱面積、散熱器的形狀、空氣流動等狀況有關(guān)。

再看后兩個參數(shù)，光看比熱容這個數(shù)字，銅的比熱容更小，就應(yīng)該是它的溫度升的更快，更容易散熱（熱力學定律，溫度梯度越大，傳熱越快），似乎是沒錯，但是……還要看看它們的密度。銅的密度是鋁的3.3倍，散熱器是一個講尺寸的產(chǎn)品，不能無限做大，那同樣體積大小下，到底是銅的熱容小還是鋁的熱容小呢？不妨簡單計算下。

假設(shè)都是一立方厘米大小的材料，銅的重量為8.9克，讓它上升1K，需要3.4kJ的熱量，此大小下鋁的重量為2.7克，讓它上升1K，需要的熱量是2.4kJ，也就是說，單位體積下，鋁的熱容量只有銅的70%，它的散熱更快。

所以說，銅的導熱系數(shù)雖然比鋁的高，熱量從翅片到環(huán)境間的傳遞阻力小，但是，同體積下它的熱容量更大些，溫度上升慢，這樣溫度梯度小，綜合傳熱能力并不見得比鋁的好多少。

在熱力學中，傳熱速率方程式為：Q=KAΔt

其中Q為傳遞的熱量，K為材料的導熱系數(shù)，A為傳熱面積，Δt為溫度差，在同樣體積下，假設(shè)A是一樣的，Q主要就由材料導熱系數(shù)與熱量傳遞介質(zhì)間的溫度差決定了。以冷凝器為例，散熱其實是兩個過程，一個是吸收冷媒的熱量到散熱器，另一個是從散熱器到環(huán)境（空氣）。

對于純銅散熱器，熱量從銅管到散熱器，因為K更大，Δt也大（散熱器與銅管間的溫度差，因為同體積下銅的升溫慢），這個過程中的傳熱速率是明顯好過純鋁散熱器的，但是到了第二個階段，熱量從散熱器傳到空氣時，K是一樣的（都是空氣），Δt則是純銅散熱器更?。ㄟ@兒是散熱器與空氣的溫度差），在這個過程，純銅散熱器的效率是低于鋁質(zhì)散熱器的。一直有個說法，銅吸熱快，鋁散熱快，還是很有道理的。

為了弄清這個問題，查找相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，之前有人對電腦CPU散熱器的材質(zhì)做過一個實驗。同樣的兩個電腦，分別安裝純銅散熱器和鋁制散熱器U120E，在電腦空閑狀態(tài)下，兩種CPU散熱器的溫度均為44℃，在電腦工作狀態(tài)下，鋁制散熱器U120E的溫度為71℃，而銅制散熱器的溫度為67℃。如圖1所示。

參照相關(guān)實驗結(jié)果，在這樣的高成本、大重量的前提下，純銅散熱器帶來的性能收益其實是非常低的，也僅僅比普通的U120E低了4度而已。

總的來說：純銅散熱器成本高，壽命長、耐腐蝕、效果相對較好。加工更難，性價比低，鋁質(zhì)散熱器價格便宜、密度低、容易加工成形，硬度好。壽命較短、不耐蝕、散熱器的散熱性能比銅較差。

2.3 列車實際情況

根據(jù)空調(diào)機組實際使用情況分析，蒸發(fā)器處于室內(nèi)腔，冷凝器裸露在外，使用環(huán)境不同。

蒸發(fā)器降溫除濕過程中翅片上會產(chǎn)生凝結(jié)水，為了防止凝結(jié)的水滴不被送風帶入車內(nèi)，翅片上需增加親水膜，親水膜可“抓”住水滴使其不被風吹走并順著翅片向下流入水盤，然后集中排至車外。

銅翅片無親水型式，如采用銅翅片，存在較大的送風帶水風險，由此可能將冷凝水吹入車內(nèi)，因此，蒸發(fā)器較少使用銅翅片。

蒸發(fā)器處于室內(nèi)腔，不接觸紫外線及雨水，親水膜鋁翅片可滿足防腐要求。

冷凝器直接與外界進行接觸，在架修過程中發(fā)現(xiàn)親水膜已經(jīng)存在不同程度的破損。

3 ?空調(diào)機組熱交換器結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)權(quán)威機構(gòu)的測試，圖3結(jié)構(gòu)尺寸為6排、有效高度為600、有效長度為610、片距2.0mm條縫鋁翅片的橢圓管換熱器與圓管換熱器在相同工況與2.5m/s風速下。

橢圓管與圓管對比，氣流更均勻，管后換熱不充分面積小，從測試結(jié)果對比中可以看出，橢圓管換熱器;風側(cè)阻力比圓管換熱器低50%，供冷量比圓管換熱器高12%，冷風比提高14%。

4 ?關(guān)于空調(diào)機組熱交換器選型建議

①在成本允許的情況下，蒸發(fā)器使用鋁翅片親水膜型式，冷凝器使用紫銅型式，或者研究銅鋁合金材料等。②廠家改變親水膜的工藝，提高抗紫外線、耐腐蝕度能力。避免親水膜在長時間使用后的破損。③通過改變銅管結(jié)構(gòu)（如橢圓狀），提高制冷效果。④熱交換器與空調(diào)機組水盤的配合精度需要考慮，配合縫隙不宜過大。

5 ?結(jié)束語

不同翅片型式的換熱器，其空氣側(cè)換熱系數(shù)及阻力特性均有所差異，大量的實驗發(fā)現(xiàn)：在獲得好的熱交換器特性的同時，不可避免的造成成本、重量、體積等的增加。其次，空調(diào)工程中所使用的大部分換熱器都是干、濕工況交替運行的，而不同翅片換熱器在濕工況下的換熱及阻力特性與干工況下相比，有很大差異。

另外，提高換熱器銅管單位質(zhì)量的換熱效率，是提高空調(diào)銅管使用性價比的主要思想，如對銅管內(nèi)部溝槽的高度、數(shù)量及角度進行優(yōu)化，同時也可對室內(nèi)熱交換器進行優(yōu)化，在鋁片的表面加工出凹凸狀，擴大表面積，提高換熱效率。銅管的數(shù)量也是影響散熱量的重要參數(shù)，適當?shù)脑黾鱼~管也可提高換熱效率，但并不是越多越好。因此，如何正確選用翅片型式，對熱交換器實際工作特性的影響不容忽視，最好的是在換熱與成本、體積之間找到一種折中的方案。

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作者簡介：劉少波（1988-），男，陜西咸陽人，工程師，本科，2012年畢業(yè)于蘭州交通大學車輛工程（電力機車方向）專業(yè)，獲得工學學士學位，現(xiàn)在西安地鐵從事地鐵車輛架、大修、故障分析等技術(shù)管理工作。