王 慶,龐 洋
(江蘇創(chuàng)導(dǎo)空調(diào)有限公司技術(shù)研發(fā)部,江蘇 徐州 221004)
工程機(jī)械空調(diào)從無(wú)到有,由最初僅僅在駕駛室內(nèi)配風(fēng)扇散熱,發(fā)展到能夠制冷、制熱的直吹式空調(diào)系統(tǒng)?,F(xiàn)隨著工程機(jī)械操作人員對(duì)工作環(huán)境舒適性要求的進(jìn)一步提高,風(fēng)道式自動(dòng)控制工程機(jī)械空調(diào)應(yīng)運(yùn)而生,正逐漸地成為主流。
風(fēng)道的布置,關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的總體布局以及結(jié)構(gòu)性能,其與工程車輛的駕駛室空間、駕乘人員的舒適性等,有著尤為重要的聯(lián)系??照{(diào)系統(tǒng)風(fēng)道在布置時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮使用者的靈活性,合理布局,不能妨礙人員的駕乘。
風(fēng)道式空調(diào)一般具有吹背,迎面,除霜,吹腳等等功能。
下面就安徽格瑞德-GME-150-15T 挖機(jī)駕駛室為例,介紹風(fēng)道結(jié)構(gòu)及功能。
(1)吹背風(fēng)道。見圖1所示。
圖1 吹背風(fēng)道
(2)前除霜與迎面風(fēng)口。見圖2所示。
圖2 前除霜與迎面風(fēng)口
風(fēng)道是空調(diào)系統(tǒng)中,連接空調(diào)器與出風(fēng)口的制冷和制熱空氣的通道,將處理過的氣流送到駕駛室內(nèi)。
風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)的一部分。不僅與車廂結(jié)構(gòu)以及空調(diào)制冷系統(tǒng)有關(guān),還與空調(diào)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。風(fēng)道的布置走向、占用空間以及流速等,均影響空調(diào)的制冷效果與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和外觀。因此風(fēng)道的優(yōu)化程度,就顯得尤為重要。
一般來(lái)說(shuō),由于受到工程車駕駛室本身的空間結(jié)構(gòu)限制,在風(fēng)道中的壓力損失問題比較嚴(yán)重。因此,在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí),應(yīng)著重從風(fēng)道的壓力損失開始著手設(shè)計(jì)。而風(fēng)道壓力損失,是由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。
風(fēng)道沿程的壓力損失,是空氣沿風(fēng)道管壁流動(dòng)時(shí),由于空氣與管壁之間的摩擦,空氣分子與分子之間的摩擦而產(chǎn)生。
風(fēng)道單位長(zhǎng)度的沿程壓力損失pm(比摩阻)的計(jì)算式如下:
式中,
ΔPm為沿程壓力損失,Pa;
ΔRm為摩擦阻力,Pa;
ρ為空氣密度,kg/m3;
l為風(fēng)管長(zhǎng)度,m;
λ為摩擦阻力系數(shù);
ν為風(fēng)道內(nèi)空氣的平均速度,m/s;
RS為風(fēng)道的水力半徑,m。
其中,
A為風(fēng)道的過流橫截面積,m2;
P為風(fēng)道的周長(zhǎng),m。
摩擦阻力系數(shù)λ 和雷諾數(shù)Re 是管壁粗糙度n的函數(shù)。
若空氣流動(dòng)呈層流狀態(tài)時(shí)(Re<2 300),λ 值與管壁表面粗糙度無(wú)關(guān),只與Re 有關(guān),即λ=64/ Re;若空氣流動(dòng)呈層流狀態(tài)時(shí)(Re>2 300),存在3種狀態(tài):
(1)當(dāng)層流邊界層覆蓋住管壁凸起高度時(shí),為水力光滑管,λ 只與Re 有關(guān)。
(2)如果層流邊界很薄,管壁凸起高度完全突出在邊界外部,屬于水力粗糙管,λ 只與管壁表面粗糙度有關(guān)。
(3)當(dāng)層流邊界層只是覆蓋住管壁一部分凸起高度,而另一部分凸起高度在邊界層外部,為過渡狀態(tài),與λ 和Re 有關(guān),同時(shí)又與管壁粗糙度有關(guān)。
風(fēng)道局部的壓力損失,是由于空氣在風(fēng)道中的流量,流動(dòng)方向或者速度驟然發(fā)生變化時(shí),會(huì)在風(fēng)道內(nèi)發(fā)生末渦流,從而加大流動(dòng)阻力造成能量損失。
例如流過三通、四通或者彎管、漸縮、漸擴(kuò)、風(fēng)門等部件,會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失。
其中,
Z為局部壓力損失,Pa;
ξ為局部阻力系數(shù);
Ρ為空氣密度,kg/m3;
ν為風(fēng)速,m/s。
由上式表明,局部阻力與其中流速的平方成正比(通過相關(guān)手冊(cè)查詢部分管路部件的阻力數(shù)值),在克服局部阻力而損失的能量,比克服摩擦阻力而損失的能量大得多,所以在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí),關(guān)鍵是如何采取措施,減少局部阻力。
風(fēng)道中截面突變,產(chǎn)生過流斷面的變化,而引起流速變化形成旋渦,造成成局部阻力損失。同時(shí)過流斷面變化越大,損失也越大。所以,想要減小局部阻力損失,就必須盡量減小過流斷面的變化,可以采用漸變管來(lái)代替突變的風(fēng)道,一般漸闊管中心角≤14°,漸縮中心角≤40°,漸擴(kuò)管內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)見圖3。
圖3 漸擴(kuò)管內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)圖
由于空氣流過彎管時(shí),氣流會(huì)因流向突變而脫離管壁表面,使局部出現(xiàn)真空,造成能量損失并產(chǎn)生噪聲。
增大曲率半徑,可以使彎頭內(nèi)的渦流區(qū)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱。但是彎頭的曲率半徑也不宜過大,以免占用的空間過大,一般取曲率半徑R 等于彎頭直徑的1~2倍。在任何情況下,都不應(yīng)采用90°直角。彎頭內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)見圖4。
圖4 彎頭內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)圖
對(duì)于均布的空調(diào)風(fēng)口,為了得到較好的氣流組織,應(yīng)盡量考慮均勻送風(fēng),根據(jù)流量與出風(fēng)口角度比較,應(yīng)盡量增大α 角。根據(jù)
Vj/Vd≥1.73 或者△Pj/Pd≥3.0;
△α 一般取值≥60°。
流量系數(shù)μ 與孔口形狀、出流角α 及孔口出流量與分流前風(fēng)量之比,見圖5。
圖5 流量系數(shù)μ 與孔口形狀、出流角α及孔口出流量與分流前風(fēng)量之比
工程車因其熱輻射工況惡劣,對(duì)風(fēng)道要進(jìn)行隔熱保溫處理,以減少空氣在風(fēng)道輸送過程中冷熱的能量損失。并可以防止低溫風(fēng)道表面的結(jié)霜現(xiàn)象。目前風(fēng)道的結(jié)構(gòu)和用材多種多樣,但基本上可以分為硬質(zhì)和軟飾兩個(gè)大類。硬質(zhì)一般為薄鋼板或者鍍鋅薄鋼板;軟飾多為塑料板,材料有:PU、PP、ABS/PVC 等。
對(duì)風(fēng)道的風(fēng)速要進(jìn)行控制,因?yàn)轱L(fēng)道內(nèi)空氣的平均速度ν 對(duì)風(fēng)道沿程壓力損失的影響很大,在相同的風(fēng)量時(shí),風(fēng)道風(fēng)速選得過大,雖然可以減小風(fēng)道尺寸,但是也會(huì)造成風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)的沿程阻力會(huì)以速度的平方值增加,還需要配置高壓風(fēng)機(jī),來(lái)滿足出風(fēng)口風(fēng)速要求。
因此,通常出風(fēng)口風(fēng)速控制在:新風(fēng)口5~6 m/s;主風(fēng)道5.5~8 m/s;支風(fēng)道4~5.5 m/s。
在空調(diào)系統(tǒng)中,風(fēng)道是空調(diào)器總成上的重要功能件與裝飾件,其承擔(dān)著向各個(gè)風(fēng)口輸送冷熱空氣的功能。其設(shè)計(jì)合理與否,與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能有著不可分割的關(guān)系,設(shè)計(jì)的優(yōu)良性,將直接影響駕駛室內(nèi)的氣流組織與空調(diào)效果,所以如何更好地優(yōu)化風(fēng)道的設(shè)計(jì)布局,就有著更為重要的作用。
[1]陳孟湘.汽車空調(diào)—原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修(新世紀(jì)版,第2版)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2011.
[2]徐 雋,陳 森.沿程阻力系數(shù)的自定義函數(shù)及其應(yīng)用[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2010,(6):42-44.