A1-07 · 基础理论与共性技术 / 传热与热力学基础
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课程大纲
学完能做什么
- 查用制冷剂（R134a/R1234yf/R744）、冷却液（乙二醇水溶液）、空气/湿空气的关键热物性
- 理解物性随温度、压力、浓度的变化并做定量修正
- 为直冷/水冷/风冷选对工质并解释物性上的取舍
- 选对物性数据源并避免混用不同标准
内容大纲
- 关键热物性总览
- 密度 ρ / 比热 c_p / 导热系数 k / 黏度 μ
- 普朗特数 Pr=μc_p/k 的物理含义
- 潜热（蒸发/凝固）
- 饱和压力–温度关系与临界点
- 制冷剂物性
- R134a / R1234yf / R744(CO₂) 三者对比
- 饱和特性、临界温度/压力（R744 跨临界）
- GWP 与法规约束（AR4 口径：R134a 1430、R1234yf 4、R290 3、R744 1；AR5/AR6 口径下 R1234yf<1，引用时须注明评估报告版本，勿跨基准比较）
- 可燃性/毒性安全分类（A1/A2L）
- 冷却液物性
- 乙二醇 / 丙二醇水溶液
- 浓度 vs 冰点 / 比热 / 黏度的三方权衡
- 低温黏度暴涨对泵功的影响
- 电导率与直冷/浸没的绝缘要求
- 油类与介电液的物性查用：密度/比热/导热/黏温曲线的数据来源与陷阱——多数介电液、e-fluid 与电驱油不在 CoolProp/REFPROP 等公共物性库内，只能取供应商数据表，须核对测试温度点（油常只给 40℃/100℃ 两点，工况在两端要靠外推）与测试口径（运动黏度还是动力黏度）；指标体系与在用判据前指 H7-09，本课不展开
- 分市场定乙二醇体积配比档位：按目标市场最低气温的分位数取档（出口寒区与国内不是同一口径，别全球一档走天下），并算清高浓度的代价账——比热与导热下降、低温黏度上升带来泵功与压降增加（接 A2-01、G5-01）
- 冰点裕度按哪条判据取要说清：「冻结不胀裂」（允许局部成冰浆但不胀裂冷板/水箱/接头）与「保持可泵送」（最低温下黏度仍低到泵能建立目标流量）是两套要求，后者严得多，电池与电驱回路按后者定
- 出口寒区车型的冷却液档位属整车配置项，须进 G8-04 的配置矩阵随车型/市场走，不能只躺在冷却液规格书里
- 空气与湿空气
- 干空气物性随温度
- 湿空气：含湿量、相对湿度、露点
- 焓湿图（psychrometric chart）读用
- 结露 / 结霜与除霜能耗
- 数据源与修正
- NIST REFPROP / CoolProp / ASHRAE Handbook
- 厂商 TDS 与标准物性表的差异
- 温度/浓度修正的做法
- 混合物工质与非共沸温度滑移——非共沸工质的过热度以**露点温度 T_dew(p)** 为基准、过冷度以**泡点温度 T_bubble(p)** 为基准；用泡点算过热度会系统性高估，高估量恒等于该压力下的温度滑移
- 跨工质搬运的合法性判据（一）：Pr 是判可搬性的第一把尺——空气≈0.7、水≈2~7、50% 乙二醇常温个位数而低温可达数十、电驱油/变速箱油百量级、近临界 CO₂ 又另成一档；Pr 与原标定工质差到一个量级时，边界层厚度比和关联式里的 Pr 指数都不再适用，换工质不能只换物性数值
- 跨工质搬运的合法性判据（二）：以 Re、Pr 与相对粗糙度对齐为前提做等效换算；近临界区（c_p、ρ、k 剧变）、非共沸滑移工况、两相区一律不适用单相关联式
- 把误区「用纯水物性算乙二醇水溶液」升一级：那条说的是记得换物性（错在输入），这里说的是换了物性之后关联式本身还成不成立（错在模型）——后者更贵，因为算出来的数看上去完全正常
- 数据源等级要分清：制冷剂与乙二醇水溶液有 REFPROP/CoolProp/ASHRAE 这一层公共基准可对标，油类与介电液这一类没有，只有供应商数据表；同一份计算里两类工质混用时，须显式标出后者数据源等级更低、不确定度更大
关键公式
Pr = μ·c_p / k
普朗特数：动量扩散与热扩散之比，决定边界层相对厚度
α = k / (ρ·c_p)
热扩散率：由基本物性组合，导热瞬态的关键参数
Q = ṁ·c_p·ΔT
显热换热：流量×比热×温差；c_p 取错直接错在这一步
Q = ṁ·L
潜热换热（相变）：流量×潜热；直冷/蒸发换热强的根源
c_p,mix ≈ Σ w_i·c_p,i
混合物比热按质量分数加权（乙二醇水溶液即按此估）
Q = ṁ·(h₁−h₄)
蒸发器/直冷板制冷量的正确算式（h₁ 蒸发器出口焓、h₄ 节流后进口焓）；节流后进口干度 x≈0.2~0.35 已吃掉一部分潜热，可用的只有 (1−x)L 加过热段显热。与 A1-04 的 q_e=h₁−h₄、A1-05 的 Q_e=ṁ(h₁−h₄) 同口径
关键概念
比热 c_p导热系数 k动力黏度 μ普朗特数 Pr热扩散率 α潜热饱和 p-TGWP安全分类 A2L乙二醇浓度–冰点焓湿图温度滑移
推荐工具与标准
NIST REFPROP CoolProp（开源，本站冷媒计算器即基于其预计算） ASHRAE Handbook—Fundamentals 各制冷剂/冷却液厂商 TDS
ISO 817 / ASHRAE 34（制冷剂命名与安全分类） GB/T 7778（制冷剂编号方法和安全性分类） ASTM D1384（冷却液腐蚀）
工程案例
电池直冷 vs 水冷的工质选择：R1234yf 直冷（制冷量按焓差 Q=ṁ(h₁−h₄) 算，换热强、但相变控温窄、绝缘/泄漏要求高；节流后进口干度 x≈0.2~0.35，直接用 ṁL 会高估 30~50%——这也正是过冷度值钱的原因，接 A1-05）对比 50% 乙二醇水冷（显热 Q=ṁc_pΔT，温控稳、但低温黏度暴涨吃泵功）。用物性数据解释为什么直冷“强而难控”、水冷“稳而耗功”。
动手做
交付物 · 选一个换热场景（电池水冷板或蒸发器），① 查全所需工质的 ρ/c_p/k/μ/Pr（注明数据源与温度点）；② 做一次温度/浓度修正；③ 对比直冷与水冷两方案在同热负荷下的流量、温升、泵功差异——直冷侧须用 Q=ṁ(h₁−h₄) 而非 ṁL：先按过冷度估出节流后进口干度 x，再算可用焓差（约当 L 的 65~80%）；顺手对照一下用 ṁ=Q/L 会把直冷流量算小 25~33%。
常见误区
- 用纯水物性算乙二醇水溶液（比热低 15–20%、低温黏度高数倍）
- 制冷剂物性不随温度修正，饱和区尤其敏感
- 混用不同标准/软件的物性数据源
- 非共沸混合物忽略温度滑移，蒸发/冷凝温度当定值——更常见的是知道有滑移却不知道以谁为基准：过热度算 T_dew、过冷度算 T_bubble，拿泡点算过热度的高估量恰好等于滑移
- 把 Q=ṁ·L 当蒸发器/直冷板的制冷量——等焓节流后进口是两相流，干度 x≈0.2~0.35 已吃掉那部分潜热，可用的只有 (1−x)L 加过热段显热；照 ṁL 算高估制冷量约 30~50%，反过来按 ṁ=Q/L 估流量偏小 25~33%。ṁ·L 只留给全流量完整相变的场合
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