G2-03 蒸发器设计与出风温度均匀性

课程代码 G2-03 · 板块 G 总成级产品专题 / 车用换热器 时长 约 3.5 小时（9 讲） 前置 A2-04 湿空气与焓湿图；A3-01 换热器传热基础；A1-05 过热度与过冷度 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 G2-03 大纲的完整展开版

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你手上的事	直接看	还要配
审一份蒸发器焓差台架报告，判断数据可不可信	第 1 讲：用湿空气焓差拆总热、显热、潜热，并用空气侧与制冷剂侧两侧闭合	第 6 讲：测量断面、网格布点与必须固定并记录的四项工况
查一台车出风「一边凉一边不凉」的根因	第 3 讲：条纹的两个来源与固定的排除次序，先测迎面风速分布再测温度分布	第 7 讲：分配不均的四类成因与改善顺序
给蒸发器写一份出风均匀性技术条件	第 6 讲：指标定义与「平均值做验收、分布做诊断」的分条写法	第 8 讲：向供应商索要标注了口径的数据表
定防冻结温度探头装在哪	第 3 讲：分配不均使单点探头失去代表性	第 7 讲：最冷那一片管的位置怎么测出来并交给控制侧
在层叠板式与平行流微通道之间选一条路线	第 8 讲：换热密度、内容积、空气侧压降、分配难度四个维度一起看	第 2 讲：并联支路数越多，分配越难做

本课不覆盖（两栏分开列，每样带去处）：

不讲哪些题目——起霜闸门的具体温度在 A3-04；防冻结阈值与迟滞的标定在 G4-01；箱内吹水、集水与冷凝水导流在 C2-05；蒸发器温度探头本体的安装位、插入深度与湿表面时间常数在 G12-04；膨胀阀本体的结构、流量特性与控制在 G4-01 与 G4-02；蒸发器正向设计的参数定序在 G2-12。

真正不给的数——部件级性能与均匀性试验方法标准里的判据与等级号，本课未取得原文，请按现行标准目录确认版次后查原文；出风温度极差 R_T 与出口过热度分散度 S_sh 的通用门限，跨平台的芯体尺寸、流程数与目标风量差别太大，给一个区间就会被抄成门限，本课改为在第 6 讲给全测法与指标定义，你在首件芯体上按这套口径测一次建立自己的基线；具体产品的芯体几何、流程数与供应商结构参数，向供应商索要标注了口径的数据表与实测曲线，做法在第 8 讲。

引言：总制冷量合格的那台蒸发器，为什么还是一边凉一边不凉

一台蒸发器在焓差台架上把额定制冷量做出来了，报告每一栏都合格，装上车仍然会被投诉中控出风一边凉一边不凉。这不是台架测错了，而是「总共换了多少热」这个指标本身回答不了用户的问题。决定乘员感受与系统能效的，是这些热在芯体上怎么分布：制冷剂在几十根并联扁管之间怎么分，空气在迎面各处拿到多少冷量。

制冷剂分配不均，是四件表面上互不相干的事情的共同根因。出风面上出现冷热条纹，用户直接感受得到；一部分管子提前蒸干、后段落在过热区干烧，那段换热面积基本白装；控制器读到的是各支路混合后的总出口过热度，为了让最湿的那一路也能蒸干，目标过热度必须按最不利支路往上抬，于是更多支路进入过热区；单点温度传感器测到的只是它所在那一格的温度，条纹一大，这个读数就不再代表整台芯体，防冻结与温区控制都建在一个不可靠的数上。四条路径表现完全不同，改法却指向同一处，所以本课九讲的主线只有一句：用分布的方法测，用分布的方法改——评价用焓差与网格分布，不用温差与平均值。

先算一笔账，看看温差法漏掉了什么。取进风 35 ℃、相对湿度 50%，空气体积流量 400 m³/h，出风 12 ℃、相对湿度 95%，大气压 101.325 kPa，按标准湿空气关系式算下来，总热约 6.2 kW，其中显热约 3.0 kW、潜热约 3.2 kW，显热比约 0.49，折算成冷凝水是每小时接近 5 kg。这一组是教学假设值，不对应任何平台，也不是任何标准的工况点，不得抄进技术条件；但它说明的事情是普遍的：一半以上的换热能力花在把空气拧干上，而温度计对这一半一个字都不会告诉你。一小时近 5 kg 的水要有地方去，这也是为什么排水是结构任务而不是附属细节。

两条最常见的读反，值得在开篇就点破，因为它们会直接推出错误的动作。

第一条是「出风一边凉一边不凉，说明制冷量不够，那就把蒸发温度压低一点」。照这个理解做出来的动作，是下调蒸发压力设定或者加大压缩机负荷。真实机理在芯体内部：一部分扁管拿到的冷媒偏多，出口还带着液；另一部分偏少，早早蒸完。压低蒸发温度不改变这个分布，只会让原本就最冷的那一片更早结霜，条纹反而加重，能效还变差。

第二条是「蒸发器温度传感器读数没到防冻结阈值，所以没有结霜风险」。探头只有一两个落点，分配不均时它测到的往往不是最冷的那一处。结霜是局部现象，最先结的是最冷的那一根管，它一结霜就先堵它那一片风路，风一少那片更冷，结得更快。用一个按定义不会先结霜的读数去判先结霜的那一处，判据本身就不成立，而照它做出的动作是继续压低蒸发温度。

本课接手的位置是这样的：整车制冷量目标已经定了，膨胀阀与压缩机的选型也已经在别的课完成，本课只管芯体这一段，交出五件东西。第一件，用湿空气焓差拆总热、显热、潜热并算出显热比的核算方法，含空气侧与制冷剂侧各算一遍做热平衡闭合。第二件，判断制冷剂能不能在芯体里分匀的结构判据，包括节流件到进口的那段管、分配器与集流管、流程走向。第三件，出风均匀性的测法与指标，包括网格布点、必须固定并记录的四项工况、以及指标本身的定义。第四件，冷凝水、结霜与防霉的结构侧输入。第五件，用装置露点与旁通系数估出风温度和除湿能力的口径。

有四件事本课不做，但它们都要与上面五件对得上，不做不等于不重要。起霜闸门的具体温度在 A3-04，本课交给它的是「最冷的那一片在哪」；防冻结阈值与迟滞的标定在 G4-01，本课交给它的是「单点探头能不能代表那一片」；箱内吹水与集水在 C2-05，本课只画到芯体下游的边界；探头本体的安装位、插入深度与湿表面时间常数在 G12-04。还有一条容易走错的路：本课给的是评价与诊断的口径，不是一套正向设计流程，蒸发器参数该按什么顺序定，在 G2-12。

九讲的走法：第 1 讲把总热拆成显热与潜热，并用两侧闭合验数据可不可信；第 2 讲讲两种芯体路线与制冷剂到底怎么分，为什么它天然会不均；第 3 讲把分配不均在出风面与控制上的后果一条条摊开；第 4 讲讲冷凝水、翅片间距的水桥、结霜的正反馈与霉味；第 5 讲转到空气侧，迎面风速、湿工况压降、安装姿态与鼓风机-风道的风量交点；第 6 讲把测法与指标定死到能照着写技术条件；第 7 讲给分配不均的图谱，有哪几种形态、各自成因、按什么顺序改；第 8 讲给部件级的那几个数以及每个数背后的分子分母定义；第 9 讲用装置露点与旁通系数把九讲收成一条三步判断链。

读完这一节就能用上的一件事：下次拿到一张出风温度分布图，不要先归因于分配。先在同一工况下测一张迎面风速分布图，风速本来就不均的区域，那里的温度差不能算在分配头上。本课任何一处把条纹归因于分配之前，都要先走完这道排除步骤——判错方向的代价是整轮返工。

第 1 讲　蒸发器在这条链上接手什么：用焓差拆总热、显热与潜热

这一讲做两件事。先把本课在整条链上的位置画清楚，让你在读下去之前就能判断自己手上那个问题在不在这门课里；再把全课九讲共用的那套核算方法立起来——用湿空气焓差拆总热、显热与潜热，算出显热比，并用两侧独立核算做一次热平衡闭合。

后面八讲讲的分配均流、出风均匀性、冷凝水与结霜、空气侧匹配，全部建立在这一讲的核算口径上。口径不立，后面每一张分布图都无从比较。

1.0 本课从哪里接手、交出什么

本课从这样一个状态接手：整车制冷量目标已经定下来，压缩机排量与膨胀阀选型已经在别处完成（C1-02 蒸发器/冷凝器/压缩机/膨胀阀选型匹配、G4-01 电子膨胀阀（EXV）结构、控制与选型、G4-02 热力膨胀阀（TXV）与孔管节流），你现在手上是一台蒸发器，要判断它设计得对不对、测得准不准、改的方向对不对。

本课交出五件东西：

交付物	在哪一讲	它回答的问题
用焓差拆总热、显热、潜热并算出显热比的核算方法	第 1 讲	这台蒸发器的换热量到底是多少，其中多少花在除湿上
判断制冷剂能不能在芯体里分匀的结构判据	第 2 讲、第 3 讲	进口管段、分配器与集流管、流程走向该怎么看
出风均匀性的测法与指标	第 6 讲、第 7 讲	网格怎么布点，均匀性算成哪个数，不均有哪几种典型形态
冷凝水、结霜、防霉的结构侧输入	第 4 讲、第 5 讲	水怎么快速离开芯体，翅片间距的边界在哪，最冷的那一片在哪
用装置露点与旁通系数估出风温度与除湿能力的口径	第 8 讲、第 9 讲	部件级的数怎么要，出风状态怎么估

本课不做四件事，它们各有主讲位：起霜闸门的具体温度在 A3-04 污垢、结霜与传热衰减机理；防冻结阈值与迟滞的标定在 G4-01 电子膨胀阀（EXV）结构、控制与选型；箱内吹水与集水在 C2-05 箱内蒸发器布置与冷凝水管理；蒸发器温度探头本体的安装位、插入深度与湿表面时间常数在 G12-04 座舱与空气侧传感器：外温/内温/日照/蒸发器温度的误差机理、布置与补偿。

之所以要在第一页就把这条边界划出来，是因为蒸发器是被很多门课同时引用的部件。带着一个具体问题进来的人，那个问题很可能属于控制标定或者箱体布置——不先交代边界，他会在本课里找一个本课不会给的答案，读到第五讲才发现走错了门。

有两处特别容易读偏。一是把"本课不做"读成"不重要"：这四件每一件都要和本课的交付物对上，比如防冻结阈值定得再精细，也要先由本课回答"探头测到的那个点能不能代表最冷的那一片"。二是把本课的评价口径当成设计流程：本课教你怎么测、怎么判、怎么改，正向设计的参数定序在 G2-12 平行流蒸发器的正向设计指导。

第 6 讲的测法与指标、第 7 讲的分配不均图谱、第 8 讲的部件级数值，是上游课程明确托付给本课的三块，你在别的课里找不到。

本讲统一的符号与口径

写在这一节末尾，免得打断后面的推导。

湿空气侧的量一律带 air 下标：h_air,in 与 h_air,out 是进出口湿空气比焓，单位 kJ/kg 干空气；W_air,in 与 W_air,out 是进出口含湿量，单位 kg/kg 干空气；T_air,in 是进风干球温度，m_air 是干空气质量流量，也就是每秒有多少千克干空气流过芯体，单位 kg/s。这一条要一次说死：空气侧的比焓与含湿量都按每千克干空气计，所以能跟它们相乘的只能是干空气质量流量；若把湿空气总质量流量（含随空气一起流过的水蒸气）代进去，本课教学算例下就会偏大约 1.8%，而且这个偏差恒定偏向一侧，不会在闭合检查里显形。制冷剂侧的比焓记为 h_ref,in 与 h_ref,out，单位 kJ/kg，与空气侧比焓基准不同、数值不可比，全课分列不混用；制冷剂质量流量记 m_ref。c_p,ma 是湿空气定压比热，按每千克干空气计，已经含了随空气一起被冷却的那部分水蒸气；r_w 是水的汽化潜热，只用来把潜热换算成冷凝水量。

换热量三个：总热 Q_e（空气侧总热，含显热与潜热两部分）、显热 Q_sen、潜热 Q_lat，单位都是 kW；显热比 SHR 是 Q_sen 与 Q_e 之比，无量纲。冷媒侧两个：蒸发压力 p_e（绝对压力，kPa）与它对应的饱和温度即蒸发温度 T_e。

出风温度 T_air,out 在本课有一个必须一次说死的口径。它指迎面网格各点温度按测点所代表的面积加权的平均值，不是算术平均；测点等间距布置时两者相同，边角加密时不同，凡是写出平均值就必须同时写出加权方式。测量断面统一取在芯体下游 50 mm，测点法向对准来流。出风口面上测到的温度另记为出风口温度，两者不混用：出风口温度已经过风道混合与漏热，条纹被部分抹平，拿它评价芯体均匀性会系统性偏乐观。单点读数另记为 T_air,out,k，第 3 讲开始用。

1.1 降温和除湿不是两个可以分别开关的功能

制冷剂在低压下蒸发吸热，把翅片表面温度压到进风露点以下。空气流过时，一边被冷却，一边把水分析出来。只要表面温度低于来流空气的露点，凝水就一定发生——这不是某种工况下的副作用，而是这台部件工作时的常态。

本课教学算例的进风是 35 ℃、相对湿度 50%，它的露点约 23 ℃；而出风要求 12 ℃，翅片表面温度还要更低。表面温度低于露点 10 K 以上，凝水不是会不会的问题，只是多少的问题。

这件事决定了蒸发器的全部设计困境都成对出现：想多除湿就得压低表面温度，压低表面温度就要付能效代价，再往下压就结霜。你在第 4 讲会看到这三者在同一条坐标轴上排成一串，任何一次"再压低一点"的动作都会同时在三处产生后果。

最常见的误区是把出风口滴水、芯体常年潮湿当成缺陷去消除。这条路走不通，因为水是这台部件正常工作的产物。设计目标不是不让水出现，而是让水快速、可控地离开芯体——这就是第 4 讲亲水涂层与连续坡度排水路径两个抓手要解决的事。

1.2 总热等于显热加潜热，而温度计只看得见显热那一半

把空气的干球温度降下来，需要一部分换热量，这部分叫显热 Q_sen；把空气里的水蒸气凝结出来并把凝结释放的热带走，需要另一部分，这部分叫潜热 Q_lat。两者之和是总热 Q_e。显热比 SHR = Q_sen / Q_e，它反映这台蒸发器的换热能力在"降温"和"拧干"之间怎么分。

这个拆分不是记账上的讲究，它直接决定了一件事：只测进出风温差去估蒸发量，会系统性地漏掉除湿那一份。温差只对应显热，潜热在温差上一点痕迹都不留。

显热比的工程意义

高湿工况下潜热占比上升，换热能力被大量消耗在把空气拧干上，留给降温的份额下降，表现出来就是出风温度掉得慢。这时候常见的反应是判定这台蒸发器不行——而它可能一点问题都没有，只是工况变了。

乘用车制冷工况下的显热比，常见落在 0.6 到 0.85，多数稳态制冷工况在 0.7 附近，高温高湿工况会明显下移。这是行业工程实践的常见范围，本项目未取得可核出处，不是任何标准的条款数据，也不是验收依据，你的平台须实测确认。拿到它的路很直接：在焓差台架上按本讲 1.3 的方法把显热与潜热拆开，同一台芯体扫几个进风温湿度点，你就得到自己平台的那条曲线。

注意教学算例算出来的 0.49 明显低于 0.7，这不矛盾——教学算例取的出风状态是 12 ℃、相对湿度 95%，是一个除湿相当充分的点。这正说明显热比脱开工况谈没有意义。

1.3 两侧各算一遍：热平衡闭合是判断台架数据可不可信的第一道关

核算总热有两条独立的路，两条都要走。

空气侧：Q_e = m_air × (h_air,in − h_air,out)

制冷剂侧：Q_e = m_ref × (h_ref,out − h_ref,in)

用焓差而不是用温差，有两个理由。第一，焓差天然把潜热包含在内，不需要另外补一项。第二，两侧独立算出的结果应当在测量不确定度内相等，这个对照能把风量标定、湿度探头、冷媒流量计三处的错误暴露出来——任何一处出错，两侧就对不上。

工程上常用的闭合判据是两侧偏差落在 5% 以内，严格一些的台架会收到 3% 以内。这是行业工程实践的常见做法，本项目未取得可核出处，不是任何标准的条款数据。拿到你自己那条闭合带的路是：按本台架各测量环节的不确定度做一次传递计算，算出应有的闭合带宽，而不是直接抄 5%。

两侧对不上的时候，处置次序是固定的，不能颠倒：

1. 先查风量标定。湿工况下芯体阻力与干工况不同，按干工况标定的风量会偏。
2. 再查出口湿度。出口空气接近饱和，普通湿度探头在这个区间误差最大，探头表面挂水会直接让读数失真。
3. 再查冷媒流量计，以及进出口压力温度取点位置。
4. 以上三项都排除之后，才去看设计。

这个次序之所以要写死，是因为最常见的错误动作正好是反的：数据对不上就去改芯体。在湿工况下，前两项出错的概率远高于设计出错的概率。

1.4 蒸发温度的下限由除湿与防雾定，不是由制冷量定

表面温度必须低于露点才能凝水，而玻璃防起雾对除湿的要求往往比乘员对温度的要求更硬。也就是说，蒸发温度能上抬到多高，真正的约束在除湿侧，不在制冷量侧。

这件事的价值在另一头：蒸发温度每上抬一点，压缩机压比就降一点，能效就好一点（能效链的整条走法见 C1-05 空调系统能效（COP）优化路径）。所以"够用就往上抬"是一条有实际收益的原则，而不是保守做法。

乘用车制冷工况下的蒸发温度，常见落在 0 ℃ 到 10 ℃，多数稳态制冷工况在 5 ℃ 附近。这是行业工程实践的常见范围，本项目未取得可核出处，不是任何标准的条款数据，也不是验收依据，你的平台须实测确认。拿到它的路是在焓差台架上扫蒸发压力，同时记录出风露点与玻璃防雾判据，找到"除湿刚好够用"的那个点。这个数不得被当成防冻结阈值使用，防冻结阈值与迟滞的标定在 G4-01 电子膨胀阀（EXV）结构、控制与选型。

这里要点破全课最容易被读反的一条。有人看到出风一边凉一边不凉，判断是制冷量不够，于是下调蒸发温度或者加大压缩机负荷。这个判断是错的。出风冷热条纹的真实机理是芯体内部制冷剂分配不均：部分扁管带液，部分扁管提前蒸干进入过热区。压低蒸发温度并不会让偏暖的那一片变冷，它只会让原本就最冷的那一片更早结霜——霜一堵风，那一片更冷，条纹反而加重，能效还变差。

照这个错误理解去做的动作有一个共同特征：它们全都在"能力"这条坐标轴上，而问题不在这条轴上。把压缩机换大、把蒸发温度压低、把膨胀阀开大，任何一个加能力的动作都碰不到分配不均这个根因。正确的提升路径在第 2 讲和第 7 讲：改分配器结构、改流程走向、改进口管段。

1.5 教学算例：一次把五个数算完

全课只用一组教学算例，九讲中所有手算示例都用它，中途不换。

教学算例工况：进风 35 ℃、相对湿度 50%，空气体积流量 400 m³/h，出风 12 ℃、相对湿度 95%，大气压 101.325 kPa。这是教学假设值，不对应任何平台，也不是任何标准的工况点，凡是引用这组数的地方都必须带这一句。

湿空气物性按标准湿空气关系式（或公开的湿空气物性程序，例如 CoolProp 的湿空气模块）在上述工况下逐点算出，取三位有效数字，你可以自行复算：

状态	比焓 h_air（kJ/kg 干空气）	含湿量 W_air（kg/kg 干空气）
进口 35 ℃ / 50%	约 80.9	约 0.0178
出口 12 ℃ / 95%	约 33.0	约 0.0083

另外两个物性取值：湿空气定压比热 c_p,ma 取 1.02 kJ/(kg·K)，按每千克干空气计，已经含了随空气一起被冷却的那部分水蒸气；水的汽化潜热 r_w 取 2440 kJ/kg，对应约 30 ℃ 下的值。两者都是可查证的物性数据，在本课关心的温度区间内当常数用不会引入可察觉的误差。

逐步算：

1. 干空气质量流量：把 400 m³/h 按进风状态下每千克干空气所占的湿空气体积折成干空气质量流量，m_air 约 0.128 kg/s。
2. 总热：Q_e = m_air × (h_air,in − h_air,out) = 0.128 × (80.9 − 33.0)，约 6.2 kW。
3. 显热：Q_sen = m_air × c_p,ma × (T_air,in − T_air,out) = 0.128 × 1.02 × (35 − 12)，约 3.0 kW。
4. 潜热：Q_lat = Q_e − Q_sen，约 3.2 kW。
5. 显热比：SHR = Q_sen / Q_e，约 0.49。这一步要用未舍入的中间值相除（3.00 ÷ 6.13）；把上面报出来的 3.0 与 6.2 直接相除会得到 0.48，差别全部来自这两个数各自的舍入。全课统一取 0.49，对应显热占 49%、潜热占 51%。
6. 冷凝水量：Q_lat / r_w = 3.2 / 2440，约 1.3 g/s，即约 4.7 kg/h。

这一组数是教学假设工况下的算例结果，不对应任何平台，不得抄进技术条件。第 4 讲讲排水量级、第 8 讲算换热密度的分子时，引用的都是这同一组值。

这一段今天就能用的东西：把上面六步做成一张两列的核算表，左列是要填的输入（进风干球温度、进风相对湿度或湿球温度、体积流量、出风干球温度、出风相对湿度、大气压），右列是六个算出来的数。以后每次拿到一组台架数据，先把这张表填满，再看出风温度。填完你会立刻知道两件事：这台机的换热能力有多少花在了除湿上；以及，如果制冷剂侧也测了流量和进出口状态，两侧闭合得上闭合不上。

这张表有三处容易出错，写在这里免得每次重犯。

第一处，显热要用湿空气比热 1.02，不能用干空气比热 1.005。用干空气比热会让显热偏小约 1%，看起来不大，但它会连带把潜热算大、把显热比算小，而显热比常常是用来做判断的那个数。

第二处，两个百分比或者两个比值，分母必须写出来。本讲图1 把分母（总热 6.2 kW）画在图上，就是为了这件事——显热占 49%、潜热占 51%，同一个分母；换一个分母，这两个数立刻失去意义。

第三处，这组工况是教学假设值。它不是任何平台的设计点，也不是任何标准的工况点。你复算是为了掌握这条链，不是为了拿走这六个数。

本讲的核算方法到这里就完整了。但它算出来的是一台蒸发器的总账——总热合格，说明不了这台机好不好用。真正决定用户感受与系统能效的是分布：制冷剂在芯体各支路之间怎么分、空气在迎面各处拿到多少冷量。第 2 讲从结构形式开始，讲制冷剂是怎么在芯体里被分开的，以及为什么它天然分不匀。