汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)研究

【摘 要】與家居室內(nèi)用等其他空調(diào)系統(tǒng)不同，汽車空調(diào)系統(tǒng)具有一定的特殊性，且在運(yùn)行過程中受諸多因素影響。為了提高汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷的效果，對其制冷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文在介紹汽車空調(diào)系統(tǒng)要求與基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從壓縮機(jī)模型、冷凝器模型和蒸發(fā)器模型的建立對汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配仿真的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的探究。

【關(guān)鍵詞】汽車空調(diào)制冷系統(tǒng) 匹配設(shè)計(jì) 仿真模型

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，其已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸环N十分重要的交通工具。而汽車空調(diào)系統(tǒng)作為汽車人性化服務(wù)的一個(gè)重要方面，是現(xiàn)代汽車發(fā)展中必不可少的一個(gè)重要組成部分。面對汽車空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行條件的嚴(yán)格和工作環(huán)境的日益復(fù)雜，以及人們提出的高要求，對汽車空調(diào)系統(tǒng)，尤其是制冷系統(tǒng)的匹配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)已成為汽車制造行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。冷凝器、壓縮機(jī)等仿真模型的建立對提高汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)服務(wù)性能、優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1汽車空調(diào)系統(tǒng)的要求與基本特點(diǎn)

1.1系統(tǒng)的要求

從系統(tǒng)層面而言，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)所使用的零部件應(yīng)具備接頭牢固、防滲漏的特性，并具有較強(qiáng)的抗震能力和足夠的強(qiáng)度等級。由于汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精密，且在實(shí)際運(yùn)行過程中極易出現(xiàn)各種各樣的問題，這就要求汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)必須要能夠符合汽車整體系統(tǒng)工程的建設(shè)要求。同時(shí)，盡可能達(dá)到簡化操作，更為合理科學(xué)高效的控制汽車空調(diào)系統(tǒng)整體的發(fā)展方向[1]。從人體舒適度層面而言，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)應(yīng)滿足人體舒適度要求，能夠針對不同乘客要求進(jìn)行靈活的調(diào)整，并具有除霜、除霧、換氣等功能。對于濕度的控制應(yīng)保證在50%到70%之間范圍內(nèi)。

1.2系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)出的汽車空調(diào)系統(tǒng)來看，現(xiàn)有汽車空調(diào)系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，冷凝溫度高，制冷量大，降溫速度快。第二，系統(tǒng)在自身功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流量設(shè)計(jì)和制冷量控制等方面具有較大的難度[2]。第三，汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)采用自身發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源泉，汽車轉(zhuǎn)速變化大，使得空調(diào)制冷設(shè)備的選擇與控制不僅具有較大的難度，而且必須將自動(dòng)動(dòng)力因素綜合考慮在內(nèi)。

2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的匹配仿真模型的建立

2.1壓縮機(jī)模型的建立

壓縮機(jī)是汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的核心裝置，是推動(dòng)制冷劑在制冷系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)的根本動(dòng)力。只有壓縮機(jī)正常穩(wěn)定的工作，才能夠保證汽車制冷系統(tǒng)可以正常持續(xù)制冷。壓縮機(jī)將從蒸發(fā)器中釋放出來的低溫低壓蒸汽制冷劑進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)變成為高溫高壓的過熱氣體制冷劑，待壓縮完成后將其輸送至冷凝器進(jìn)行冷凝處理[3]。要想有效對壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對其特性進(jìn)行深入研究，對壓縮機(jī)與制冷各個(gè)裝置配件進(jìn)行優(yōu)化匹配，就必須建立相應(yīng)的壓縮機(jī)數(shù)學(xué)模型，并利用計(jì)算機(jī)建立模型進(jìn)行仿真匹配。

為簡化模型建立過程、便于計(jì)算，本文將壓縮機(jī)視為一個(gè)做功和升壓的過程，而其他的熱損失則直接計(jì)入壓縮機(jī)效率等參數(shù)變量當(dāng)中。同時(shí)，壓縮機(jī)吸氣與排氣氣壓之間的比值通過由系統(tǒng)各模型建立所獲得的仿真值計(jì)算得出。然而由于汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)使用的是實(shí)際氣體，所以目前還沒有一個(gè)完全適合的解析方程。當(dāng)前使用的建立在當(dāng)時(shí)最準(zhǔn)確溫度、蒸汽壓力等因素基礎(chǔ)之上的自由能量狀態(tài)方程，只有在滿足一定溫度和壓強(qiáng)的條件下才能夠發(fā)揮效用。在這一方程中無量鋼量一部分代表理想氣體，一部分代表實(shí)際氣體。氣體的特性關(guān)系由無量鋼量來決定[4]。利用上述方程得出的氣體特性數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，蒸汽壓力誤差范圍在±0.02%左右，其他誤差范圍也都較小，因而可以用來計(jì)算實(shí)際汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力參數(shù)。

2.2冷凝器模型的建立

為簡化計(jì)算，本文根據(jù)平行流冷凝器的傳熱特性和流動(dòng)特點(diǎn)來建立汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)過冷式冷凝器參數(shù)仿真模型。由于當(dāng)忽略冷凝器與蒸發(fā)器制冷過程中損失的阻力時(shí)，兩者的溫度可近似為一致，所以該模型的建立能夠計(jì)算出過熱、兩相和過冷三個(gè)狀態(tài)的制冷劑降壓特性和傳熱特性，以及空氣的傳熱特性[5]。制冷劑處于不同的相區(qū)，冷凝器對換熱量的計(jì)算方式也不一樣。借助現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)，在建立冷凝器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，開發(fā)出相應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)軟件。為降低冷凝器在汽車實(shí)際運(yùn)行過程中受空氣流動(dòng)產(chǎn)生的影響，便于將結(jié)果輸入到電腦內(nèi)，還需要在仿真軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，增設(shè)蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度接口和風(fēng)速接口，從而實(shí)現(xiàn)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)提高汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的服務(wù)水平和工作性能。

2.3蒸發(fā)器模型的建立

伴隨數(shù)值仿真技術(shù)水平的不斷提高，蒸發(fā)器的數(shù)學(xué)仿真模型建立方法也變得越來越多。例如，大管徑沸騰傳熱蒸發(fā)器模型、通過分析流行圖來計(jì)算蒸發(fā)器傳熱系數(shù)模型和全新蒸發(fā)傳熱模型等。不同的制冷劑蒸發(fā)器模型所需要的換熱量計(jì)算方法不一樣，對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響也不一樣。本文將采用影響最小的全新蒸發(fā)器模型。全新蒸發(fā)器模型的適用范圍在微通道水力直徑范圍內(nèi)，制冷劑在蒸發(fā)過程中的加速與減速壓降通過相應(yīng)的公式分別計(jì)算而得。為優(yōu)化模型建立，本文將蒸發(fā)器模型設(shè)計(jì)成空氣流動(dòng)方向與制冷劑運(yùn)行方向成交叉逆流的形式。

3結(jié)語

綜上，要想優(yōu)化汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的服務(wù)水平，就必須在充分掌握汽車空調(diào)系統(tǒng)基本特點(diǎn)、明確汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)仿真模型，尤其是壓縮機(jī)數(shù)學(xué)仿真模型、冷凝器數(shù)學(xué)模型和蒸發(fā)器模型等。

參考文獻(xiàn)：

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[3]牟春燕，顧九春，梁貴航.汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真研究[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008，05：40-42.

[4]閔海濤，王曉丹，曾小華.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配與計(jì)算研究[J].汽車技術(shù)，2009，06：19-22.

[5]王曉丹.純電動(dòng)客車空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配與設(shè)計(jì)研究[D].吉林大學(xué)，2009.

作者簡介：陳偉偉（1985—），男，漢，浙江諸暨人，浙江盾安熱工科技有限公司。研究方向：機(jī)械制造。