（制冷及低温工程专业论文）客车空调平行流冷凝器模型研究.pdf

客车空调平行流冷凝器模型研究 摘要 随着汽车工业的发展和人们物质文明水平的提高，人们对汽车的舒适性、 可靠性、安全性的要求越来越高，汽车空调得到了广泛地普及。冷凝器作为客 车空调系统的关键换热设备，其结构尺寸和换热性能对客车空调系统的布置、 客车空调的运行特性和经济性有重要的影响。冷凝器的高效、轻量、小型化以 及与客车空调制冷系统的匹配设计是客车空调系统的研究重点之一。 本文针对扬州杰信车用空调有限公司的1 2 米客车空调系统，利用 m a t l a b 软件建立客车空调系统各部件的数值计算模型，重点对平行流冷凝 器和管片式冷凝器进行了仿真研究。利用m a t l a b 中s i m u l i n k 仿真工具的强大 功能对所建立的客车空调系统模型进行优化仿真，得出整个客车空调系统在分 别使用平行流冷凝器和管片式冷凝器的情况下主要性能参数的变化规律，为客 车空调系统的匹配设计提供依据，并在顶置式客车空调性能实验系统上进行了 空调性能实验，实验结果验证了所建模型的合理性与可靠性。 结果证明，平行流冷凝器较传统的管片式冷凝器有较大的性能提高，是一 种可以提高客车空调能效、实现轻量小型化、降低金属材料消耗、大幅提高综 合效益的新型换热器，值得大力推广；同时，也验证了本文所建立的数值分析 工具具有一定的工程应用价值。 关键词：客车空调；平行流冷凝器；数值模型；优化仿真；m a t l a b s i m u l i n k s t u d yo nm o d e lo fp a r a l l e lf l o wc o n d e n s e r i nb u sa i rc o n d i t i o n i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o t i v ei n d u s t r ya n dt h ei n c r e a s i n go fm a t e r i a l c i v i l i z a t i o n ，p e o p l er e q u i r em o r ef o ra m e n i t y 、r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fa u t o m o b i l e ，s oa u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d a st h ek e yh e a t e x c h a n g e re q u i p m e n t ，t h es t r u c t u r e s i z ea n dh e a t e x c h a n gp e r f o r m a n c e o f c o n d e n s e rh a v ei m p o r t a n ti m p a c to nt h e l a y o u t 、f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d e c o n o m yo fb u sa i rc o n d i t i o n i n g h i g he f f i c i e n c y 、l i g h t w e i g h ta n ds m a l l - s i z e do f c o n d e n s e ra n dt h em a t c h i n gd e s i g no fb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mi so n eo ft h e r e s e a r c hp r i o r i t i e so fb u sa i rc o n d i t i o n i n g i nt h i sp a p e r ，f o r12 - m e t e rb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mo fy a n g z h o uj i e x i n a u t oa i r - c o n d i t i o n e rc o ，l t d ，u s et h em a t l a bs o f t w a r et oe s t a b l i s ht h e c o m p o n e n t so f b u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l ，f o c u so n s i m u l a t i o ns t u d y i n go np a r a l l e lf l o wc o n d e n s e ra n dt u b e f i n c o n d e n s e u s i n g s i m u l i n kt o o l si nm a t l a bt o o p t i m i z e d s i m u l a tt h em o d e lo ft h eb u sa i r c o n d i t i o n i n g ，a c c e s st h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc h a n g e so fb u sa i r c o n d i t i o n i n gi nu s e dt h ep a r a l l e lf l o wc o n d e n s e ra n d t h et u b e f i nc o n d e n s e r ， p r o v i d et h eb a s i sf o rm a t c h i n gd e s i g no fb u sa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m a n dt h eb u s a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ti sd o n eo nt h er o o f - m o u n t e db u s a i rc o n d i t i o n i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f y t h em o d e lo fr a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h er e s u l ts h o w st h a tt h e p a r a l l e lf l o wc o n d e n s e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e c o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n a lt u b e f i nc o n d e n s e r ，i ti san e wt y p eh e a te x c h a n g e r t h a tc a ni n c r e a s et h e e n e r g ye f f i c i e n c y 、r e a l i z a t i o n t h e l i g h t w e i g h ta n d s m a l l s i z e d 、r e d u c et h ec o n s u m p t i o no fm e t a l l i cm a t e r i a l sa n ds u b s t a n t i a l i n c r e a s et h ec o m p r e h e n s i v eb e n e f i t s ，a l s ov e r i f i e dt h en u m e r i c a la n a l y s i st o o l sh a s a ni m p o r t a n tp r o je c tv a l u e k e y w o r d s ：b u sa i rc o n d i t i o n i n g ；p a r a l l e lf l o wc o n d e n s e r ；n u m e r i c a lm o d e l ： o p t i m i z e ds i m u l a t i o n ：m a t l a b s i m u l i n k 插图清单 图1 1 制冷系统工作原理圈3 图2 1 管片式冷凝器1 2 图2 2 管带式冷凝器1 3 图2 3 平行流冷凝器1 3 图2 4 蒸发器结构原理1 4 图2 5 外平衡式热力膨胀阀安装示意图14 图2 6 千燥过滤储液器1 5 图3 。1 比泽尔压缩机l7 图3 2 压缩机模型示意图18 图3 3 蒸发器模型示意图19 图3 - 4 蒸发器微元示意图。2 0 图3 5 蒸发器设计计算程序流程图2 3 图3 6 管片式冷凝器模型示意图2 5 图3 。7 管片式冷凝器微元示意图2 5 图3 。8 管片式冷凝器设计计算程序流程图，2 s 图3 - 9 平行流冷凝器模型示意图2 9 图3 10 平行流冷凝器微元示意图3 0 图3 1 l 平行流冷凝器设计计算程序流程图。3 3 图3 12 系统程葶设计流程图3 5 图3 13 压缩机计算程序m 文件界面3 6 图3 14 管片式冷凝器计算程序m 文件界面3 6 图3 1 5 平行流冷凝器计算程序m 文件界蘧。3 6 图3 16 蒸发器计算程序m 文件界面3 7 图3 17 膨胀阀计算程序m 文件界面3 7 图4 1 客车空调制冷系统压。烩图。3 8 图5 1s i m u l i n k 中客车空调系统的总模型4 9 图5 2 制冷热力循环( c y c l e ) 予系统的具体模型及工作流程5 0 图5 3 制冷系统压焓图5 0 图5 - 4 嚣缩机( c o m p r e s s o r ) 子系统的具体模型及工作流程。5 l 图5 。5 冷凝器( c o n d e n s e r ) 子系统的具体模型及工作流程5 2 图5 6 蒸发器( e v a p o r a t o r ) 子系统的具体模型及工作流程5 4 图5 7 客车空调系统参数耦合关系图5 5 图5 8 客车空调系统的具体模型5 5 图5 9 平行流冷凝器传热系数输入界面5 6 图5 10 管片式冷凝器传热系数输入界面5 6 图5 1 1 平行流冷凝器传热系数的变化关系5 7 图5 12 管片式冷凝器传热系数的变化关系5 7 图5 13 平行流冷凝器系统冷凝温度收敛示意图5 8 图5 14 管片式冷凝器系统冷凝温度收敛示意图5 8 图5 15 平行流冷凝器系统蒸发温度收敛示意图5 8 图5 16 管片式冷凝器系统蒸发温度收敛示意图5 8 图5 17c o p 与冷凝器空气进口温度的关系5 9 图5 18 制冷量与冷凝器空气进口温度的关系5 9 图5 19c o p 与蒸发器空气进口温度的关系6 0 图5 2 0 制冷量与蒸发器空气进口温度的关系6 0 图5 21 冷凝器体积与制冷剂质量流量的关系6 0 图6 1 客车空调性能实验原理图6 2 图6 2 顶置式客车空调系统待试机组6 3 表格清单 表2 1 容积型压缩机的分类及应用l l 表3 1 压缩机技术参数17 表3 2 蒸发器计算程痔的输入参数和输出参数2 2 表3 3 管片式冷凝器计算程序的输入参数和输出参数2 7 表3 - 4 平行流冷凝器计算程序的输入参数和输出参数3 2 表4 1 各循环状态点参数3 8 表4 2 平行流冷凝器材料凡何参数4 4 表6 1 平行流冷凝器客车空调系统实验与仿真结果6 5 表6 2 管片式冷凝器客车空调系统实验与仿真结果6 5 符号清单 疋一蒸发温度； 瓦一冷凝温度； a i 一制冷剂侧换热系数w ( m 2 k ) ； a o 一空气侧换热系数w ( m 2 k ) ； 卜析湿系数： 玉，_ 传热系数w ( m 2 k ) ； 白一定压比热容j ( k g k ) ； 一动力粘度p a s ； p r 普朗特数； 尺p 一空气侧的雷诺数； g ，一制冷剂质量流量k g h ： a 一压缩机输气系数； g v t 一理论容积输气量i n 3 h ； 。一实际制冷系数； q k 一冷凝器的热负荷k w ： w 广迎面风速m s ； 口埘一平均传热温差； 户一空气的密度k g m 3 ； j i l 一单位质量的焓值j k g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金起王些太堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：例 签字日期：力彬年，狷2 龋 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 训碴， 签字日期：x 句年险月2 拍 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签涨锄哮 签字魄叩劬月珈 电话： 邮编： 致谢 本论文是在左承基教授和王铁军副教授的悉心指导下完成的。两位导师渊 博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德， 严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深 远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了 许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的 指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷 心的感谢! 本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感 谢制冷教研室刘向农老师、唐景春老师、倪宜华老师的指导和帮助；感谢韩丰 云、李彦军、赵鹏等多位同学的关心、支持和帮助，没有他们的帮助和支持， 我是没有办法完成硕士学位论文的，在此对他们表示诚挚的感谢! 感谢江苏扬州杰信车用空调有限公司对本课题的帮助! 到达一个暂时的终点也意味着选择了一个新的起点，七年的工大生活，我 结识了很多良师益友，从最初的懵懂无知转变成一个具有丰富专业学识的当代 大学生，今后无论走到那里我都不会忘记是工大培养了我，我为自己是工大人 而自豪! 在今后的工作学习中，我将以更加优异的表现来答谢曾经关怀、帮助 和支持过我的所有老师和同学! 作者：刘杰 2 0 0 7 年11 月15 日 第一章绪论 1 1 客车空调概述 1 1 1 汽车空调的发展历程和方向 早在18 8 6 年，德国的卡尔奔驰制造出第一辆汽车以来，汽车工业经历了 几次飞跃式的发展，而汽车空调系统作为汽车发展的一个重要部分日益受到关 注。汽车空调是空气调节工程的一个重要分支，通过对车室内空气的质量进行 调节，使其达到热舒适性标准。汽车空调的问世，比汽车的发展整整晚了半个 世纪。汽车空调随着电子技术和汽车技术的发展而不断完善，其发展经历了单 一暖风系统、单一制冷系统、冷暖一体化空调系统、自动控制的汽车空调系统、 微机控制的汽车空调系统五个阶段【l 】。 当前，从市场需求方面看，汽车空调装置应进一步降低成本，提高能效比； 从车辆结构、制造等方面看，需进一步提高汽车空调装置的紧凑性；从乘客和 驾驶员的舒适性要求方面看，车室内温度场要合理分布，操作要便捷，空调装 置应向全季节型发展【2 】。今后汽车空调的发展趋势可以概括为：空调设备的轻 量化，系统运行控制的智能化，良好的节能性和制冷工质的环保性，这些都为 汽车空调的研究与设计工作指明了方向。 1 1 2 客车空调的功能和特点 随着我国国民经济的蓬勃发展，人民生活水平的不断提高，城镇化进程的 不断推进，基础建设和交通事业的日益发达，有力地推动了各类旅行客车的需 求。同时，随着全球变暖趋势的加剧和人们对舒适性的更高追求，无论在质量 上还是在数量上都对汽车空调提出了越来越高要求，进而推动了我国客车空调 技术的迅速发展。 客车空调技术是空气调节的一个重要分支，即采用人工的方法，调节车室 内的温度、湿度、清洁度、气流速度等参数，从而将车室内的空气环境调整到 最适宜的状态，创造良好的劳动、休闲和旅行环境。客车空调技术涉及到机械 工程、热力学、电子技术、计算机技术、测量与自动控制技术及空气动力学等 多个领域，是一个新兴的、多学科交叉的新技术。随着人民生活水平的提高和 汽车工业的高速发展，人们对舒适性、可靠性、安全性的要求也越来越高，现 代客车空调技术正在舒适、健康和操作便捷的追求中不断发展和完善【3 】。 1 ) 客车空调系统的功能【4 】 ( 1 ) 调节车室内温度 这是汽车空调的基本功能，汽车空调在冬季利用其采暖装置升高车室内的 温度，在夏季，车室内降温由制冷装置完成。 ( 2 ) 调节车室内的湿度 汽车采用冷暖一体化空调系统可对车室内的湿度进行适量的调节。它通过 制冷装置冷却降温去除空气中多余的水分，或采用加湿装置再配合采暖升温以 得到适宜的相对湿度。但在汽车上一般不安装，只能通过开车窗或通风设施， 靠车室外新风来调节。 ( 3 ) 调节车室内的空气流速 空气的流速影响人体的散热、散湿和车室内温度场的分布。夏季空气流速 的增大可以加速人体表面的对流散热，使人体感到舒服，但过高的风速不仅会 使人感到疲劳，而且加大了人体水分的消耗，此外冬季时风速过大会影响人体 保温。汽车空调需要调节车室内的空气流速，以获得适宜的速度场和温度场。 ( 4 ) 过滤净化车室内空气 由于车室内空间小，乘员密度大，车室内极易出现缺氧和二氧化碳浓度过 高的情况，汽车发动机废气中的一氧化碳和道路上的粉尘，野外有毒的花粉都 容易进入车室内，造成车室内空气污浊，影响司乘人员的身体健康，因此必须 要求汽车空调具有通风换气、过滤和净化车室内空气的功能。 2 ) 客车空调系统的特点 客车空调与一般建筑的空调设备相比，由于受到工作环境、安装空间和动 力供给的约束，因而其设计难度大、特殊要求多，主要体现在下列几个方面： ( 1 ) 车室外气候环境变化幅度大，热、湿负荷大，制冷量变化幅度大， 在同样的空间容积内配置的容量要大的多，热力参数选择和最佳匹配的难度 大。 ( 2 ) 不便采用电力作为动力源，必须用汽车发动机或辅助发动机来驱动 压缩机，制冷系统中冷媒的流量变化大，因而在动力源上比房间空调复杂，节 能要求强烈。 ( 3 ) 冷凝温度高、变化大。冷凝器的通风冷却效果受外界温度变化、汽 车行驶速度和路面尘土污染的影响。 ( 4 ) 防漏、防振、防腐蚀要求高。制冷剂容易泄漏；汽车在颠簸不平的 道路上行驶，振动严重；冷凝器易受尘埃、泥沙、飞石堵塞或冲击损坏；各种 器件易受到盐湿或腐蚀气体侵蚀，易产生制冷剂渗漏和器件损坏，设计时要注 意“三防”。车室的容积小，空调设备的重量、安装尺寸和位置等要受到整车的 限制。要求空调设备重量轻、尺寸小、结构紧凑。 1 2 客车空调系统简介 现代客车空调系统包括制冷系统、采暖系统、通风换气及空气净化系统和 2 控制系统。 1 2 1 客车空调的制冷系统 空调的制冷方式很多，目前实际应用于汽车上的空调制冷方式，主要为蒸 气压缩式，其工作原理如图1 1 所示。 图1 1 制冷系统工作原理图 l 一压缩机；2 一排气管；3 - - 冷凝器；4 - - 风扇； 5 、7 一高压软管；6 一储液干燥器；8 一膨胀阀；9 一低压软管；1 0 - - 蒸发器；1 1 一鼓风机；1 2 一温 包；1 3 一吸气管 客车空调的制冷系统包括四大基本部件：压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发 器。压缩机从蒸发器中吸入低温低压制冷剂蒸气，经过多变压缩过程排出高温、 高压制冷剂蒸气，通过高压软管进入空调系统的冷凝器中。由于高温、高压的 制冷剂蒸气温度高于车室外的空气温度，因此借助冷凝器风扇使冷凝器中制冷 剂蒸气的热量被车室外空气带走，使高温高压的制冷剂蒸气冷凝为较高温度的 高压液体，通过高压软管流入储液干燥器，经干燥和过滤后，流过膨胀阀。在 膨胀阀的节流作用下，制冷剂变为低温低压的液体而进入蒸发器，在定压下汽 化并吸收蒸发器管外空气中的热量，使车室内循环空气的温度降低，汽化后的 制冷剂蒸气，由压缩机吸入进行压缩，完成了空调系统的制冷循环。此循环周 而复始地进行，就可以使车室内的温度维持在舒适的状态。 1 2 2 客车空调的采暖系统 采暖系统的作用主要是冬季向车室内供暖，其工作原理是将新鲜空气或液 体介质送入热交换器，吸收其中某种热源的热量，从而提高介质的温度，并将 介质送入车室内，直接或通过散热器提高车室内空气的温度。 采暖装置的主要功能： ( 1 ) 采暖装置和蒸发器一起将空气调节到满足人们舒适性要求的温度。 现代客车空调已经发展到冷暖一体化装置，全年地对车室内的空气进行调节， 通过冷热风的调和，温度由人为设定，达到舒适性的要求。 ( 2 ) 冬季取暖。 ( 3 ) 车上玻璃除霜。冬季或春季，室内外温差较大，车上玻璃会结霜和 起雾，影响司机和乘客的视线，不利于行车安全，这时可以用热风来除霜和除 雾。 1 2 3 通风换气及空气净化系统 汽车通风和空气净化系统也是客车空调系统的重要组成部分。由于汽车车 室空间体积较小且车室内司乘人员密度大，呼吸排出的二氧化碳、蒸发的汗液、 吸烟的烟雾以及从车室外进入的灰尘等很容易使车室内的空气污浊，对人体健 康造成危害。即使车室内的温度和湿度适宜，也不能消除污浊空气给司乘人员 带来的不舒适感，因此，对车室内进行通风换气以及对车室内空气进行过滤、 净化是十分必要的。 1 2 4 控制系统 汽车空调控制系统的主要任务是：保证汽车空调系统安全、高效地工作， 维持车室内良好的空气品质。如车室内的温度控制、送风量控制、制冷循环系 统工作参数控制以及必须的安全保护装置和保护电路等。 汽车空调的控制系统主要有以下几类【8 】： ( 1 ) 手动汽车空调控制系统。目前，大多数中低级轿车都采用手动控制 的汽车空调系统。该系统依靠驾驶员操作控制板上的功能键实现对温度、风向、 风速的控制。 ( 2 ) 半自动汽车空调控制系统。半自动控制系统是7 0 年代开始使用的汽 车空调控制系统，由于这种系统比手动控制系统的成本增加不多，而且又能提 高车室内的舒适性，所以，许多中、高级轿车上采用这种形式的空调控制系统。 其中最具代表性的是美国通用汽车公司，它也是最早使用半自动汽车空调系控 制统的汽车生产公司。 ( 3 ) 全自动汽车空调控制系统。目前，大量进入中国市场的奔驰、宝马、 凌志等轿车都采用全自动的汽车空调控制系统，它与半自动汽车空调控制系统 相比，操作更便捷，车室内的舒适性更好。 ( 4 ) 微机控制的汽车空调系统。随着微机控制技术的不断发展及其在汽 车上的广泛应用，在一些中、高级轿车上相继出现了由微机控制的汽车空调系 4 统。微机控制的汽车空调系统可以从回风和送风模式、发动机工况变化以及空 调系统的节能、运行状况的检测等各方面进行控制和调节，可以对车室内的空 气环境进行全季节、全方位、多功能的最佳控制和调节。 1 3 汽车空调换热器的发展 汽车空调换热器( 冷凝器和蒸发器) 是汽车空调系统的重要组成部分，其传 热性能以及换热和阻力性能直接影响空调系统的性能，而且对汽车空调的运行 特性和经济性也有重要的影响。换热器的质量和体积在整个汽车空调系统中超 过占了一半，由于现代汽车设计对紧凑性的要求越来越高，所以换热器的体积 和重量需要大幅减少，但会导致流动阻力的增加，将影响汽车空调系统的性能 和汽车的能耗。因此，对汽车空调换热器进行优化设计，使其具有结构紧凑、 换热效率高、重量轻、制冷剂侧和空气侧流动阻力小、坚固耐用、运行可靠等 特性，对于提高汽车空调的性能、减少投资费用和运行成本以及空间占有率均 具有现实意义。 汽车空调换热器具有以下特点”】： ( 1 ) 车室内空间相对紧凑，人员密集，换热器要能满足车室内热湿负荷 波动较大的要求，某些状况下甚至需要满足多蒸发器耦合的要求； ( 2 ) 汽车整体结构紧凑，要求汽车空调系统换热器体积小，重量轻，单 位体积换热量大； ( 3 ) 考虑到汽车会行驶在颠簸不平的道路上，振动严重，换热器与系统 的结合还必须具有很好的抗震性、密封性； ( 4 ) 换热器必须具有良好的耐压可靠性能。 汽车空调换热器按照不同的结构可分为：管片式换热器、管带式换热器、 平行流式换热器、层叠式换热器。早期汽车空调的冷凝器和蒸发器一般均为管 片式( 又称套片管、翅片管) 结构。到上世纪8 0 年代末9 0 年代初，管带式结构 逐渐成熟并开始取代管片式结构。这种当时的新型换热器结构具有良好的换热 性能，并且相对于管片式结构，其换热量朐提升幅度大于阻力的提升幅度【5 】， 因此，在9 0 年代中期，汽车空调的冷凝器和蒸发器广泛采用这种结构。 随着人们对臭氧层保护的日益重视，汽车空调制冷剂也需要采用对臭氧层 无害的工质来替代传统的氟利昂工质，但是由于替代工质的热力性质和传统氟 利昂工质不同，在已有的管带式结构换热器中直接充灌新工质会使空调系统的 性能下降，为了解决这个问题，人们尝试了两个办法：一个是对管带式结构加 以改造，另一个是采用新的结构。经过不断研究，这两个办法都收到较好的效 果，并出现两种成熟的结构，即冷凝器采用平行流结构和蒸发器采用层叠式结 构，这两种结构的换热器具有相对良好的性能，随着汽车空调系统全面采用替 代工质，这两种结构也被引入汽车空调系统，一直使用至今。 由于替代工质r 1 3 4 a 是一种过渡性工质，出于对环保的考虑，欧洲国家开 始在轿车上装备跨临界循环的c 0 2 汽车空调系统。为了满足c 0 2 跨临界的热力 性质，一种新型的气体冷却器被开发出来，这种新的汽车空调换热器具有良好 的耐高压能力，系统能够在c 0 2 跨临界状态的高压下工作，作为新型换热器， 这种气体冷却器更加紧凑，它的设计体现了汽车空调换热器的进步【6 】。此外， 影响这种汽车空调系统性能的主要因素为气体冷却器的出口温度和压缩机效 率，所以应进一步研究开发更加高效的气体冷却器，使气体冷却器出口温度与 环境温度的温差尽可能的小，同时努力提高压缩机的效率【7 】。 1 4 汽车空调系统研究现状 随着汽车工业的发展和人们生活水平的提高，汽车空调的发展前景非常乐 观，但同时整个制冷行业面临的及汽车空调自身存在的问题也十分的突出，使 得汽车空调系统的研究和开发日益受到业内人士的关注。 1 ) 压缩机 制冷压缩机是制冷系统的核心部件，汽车空调系统当然也不例外。压缩机 性能的好坏直接影响到整个汽车空调制冷系统的性能，因此制冷压缩机的研究 一直就是制冷行业关注的焦点。由于汽车空调压缩机是在汽车上运行，故在性 能方面就与一般用途的压缩机不同，主要有以下四点特殊要求【8 j ： ( 1 ) 汽车空调压缩机具有较大的转速范围，要求压缩机在低速运转时有 较大的制冷能力和较高的效率，在高速运转时要求压缩机的功耗小； ( 2 ) 对于直连式系统，压缩机必须在发动机室的有限空间内安装固定， 有必要采用单位排量尺寸小、重量轻的压缩机； ( 3 ) 由于汽车空调冷凝器暴露在车室外环境中，容易粘附尘土，并且冷 却条件不能保证，造成冷凝压力和温度较高，要求压缩机能够耐高温、高压， 并且在颠簸行驶的恶劣条件下，有良好的抗振性和密封性； ( 4 ) 工作平稳。要求压缩机运转平稳、噪声低，对发动机的转速不应产 生较大的影响。 回顾汽车空调压缩机的发展，从第一代往复活塞式到第四代涡旋式压缩 机、再到第五代变量型和v s d 变速传动机组【3 】，目前，随着电动汽车的研究， 电动汽车空调系统的开发也日益受到人们的关注，而电动汽车空调压缩机则是 首先需要确定的因素。今后随着新材料的开发使用，工艺水平的不断提高及微 电子技术的发展，现有的各种汽车空调压缩机将进一步向小型轻量化、操作自 动化、高效节能及低成本方向发展，并将进一步开发出更实用的新型结构压缩 机。 2 ) 制冷剂 由于汽车空调中原先使用的制冷剂r 1 2 ( 属c f c 类物质) 对大气臭氧层的消 6 耗作用和温室效应非常严重，被蒙特利尔议定书定为首批禁止使用的物质， 需要寻找新的替代物。目前被认可的常用替代制冷剂为r 13 4 a ( 属于h f c 类物 质) 。r 1 3 4 a 不含氯分子，对臭氧层没有破坏作用，而且对汽车空调系统的改动 也较少。r 1 3 4 a 具有良好的大气环境特性，臭氧层破坏系数( o d p ) 为0 ，它的 冷凝压力和汽化潜热值均高于r 12 ，具有较好的制冷能力，此外，r 13 4 a 不易 燃，不易爆，无毒性，无刺激性气味，对金属无腐蚀性，但r 1 3 4 a 的饱和蒸汽 压力较r 1 2 要高，使系统能耗升高。虽然r 13 4 a 对大气臭氧层没有消耗，但其 仍有较大的温室效应( g w p ) ，所以并非最佳的替代物。在寻找更好的替代物过 程中提出了利用天然制冷剂的方案，于是c 0 2 以其对环境的友好性和优良的热 物理特性从众多制冷剂中脱颖而出。c 0 2 作为制冷工质有许多独特的优势，从 对环境的影响来看，除水和空气以外，c 0 2 是与环境最为友善的制冷工质。除 此以外，c 0 2 还具有下列特点【列： ( 1 ) 良好的安全性和化学稳定性。c 0 2 安全无毒，不可燃，适应各种润 滑油常用机械零部件材料，即便在高温下也不分解产生有害气体； ( 2 ) 具有与制冷循环和设备相适应的热物理性质，单位容积制冷量高， 运动粘度低； ( 3 ) c 0 2 优良的流动和传热特性，可显著减小压缩机与系统的尺寸，使 整个系统非常紧凑，而且运行维护也比较简单，具有良好的经济性能； ( 4 ) c 0 2 制冷循环的压缩比要比常规工质制冷循环低，压缩机的容积效 率可维持在较高的水平。 由上述可知，作为天然制冷剂，c 0 2 在汽车空调系统中有着其他制冷剂无 可比拟的优势，c 0 2 制冷系统是下一代汽车空调的主要选择。 3 ) 换热器 由于一个制冷系统换热器的换热效率的高低是决定系统体积、重量的主要 因素，尤其在汽车空调中，小型轻量化是一个重要的指标，所以汽车空调中强 化换热器的换热是非常重要的。目前，传统的管片式换热器在汽车空调中的应 用已基本上被换热效率较高的管带式换热器和换热效率更高的平流式冷凝器、 层叠式蒸发器所取代。同时由于换热器的生产工艺水平的提高，传热管径、翅 片厚度、翅片间距越来越小，传热管内的强化也进一步增强，使得换热器换热 效率得到很大的提高。 4 ) 节流机构 汽车空调的节流机构主要是热力膨胀阀，它是制冷系统中自动调节制冷剂 流量的元件，广泛应用于各种空调制冷系统中。热力膨胀阀的工作特性好坏直 接影响整个制冷系统能否正常工作。热力膨胀阀一般有节流降压、自动调节制 冷剂流量、控制制冷剂流量三个作用【2 1 。大多数汽车空调制冷系统在运行过程 中，其冷负荷是变化的。如系统刚开始降温时，车内的湿度较高，这时就要求 7 将蒸发温度升高，使进入蒸发器的制冷剂流量增大。而当车内温度较低时，冷 负荷需要量减少了，这时的蒸发温度就应相应地降低，使进入蒸发器的制冷剂 流量减小。因此，热力膨胀阀就是根据系统冷负荷需要量的变化而自动地调节 其流量，使制冷系统能正常地工作。 1 5 平行流冷凝器的研究综述 汽车空调换热器结构不断成熟并发展，国内、外学者进行了大量的研究。 综述起来，其研究方向主要集中在以下几个方面【1 4 之3 1 。 ( 1 ) 空气侧( 翅片侧) 的流动换热性能。通过试验和数值分析，对翅片参 数不断进行优化，并减少换热器体积，增加单位体积换热面积。 ( 2 ) 制冷剂侧( 管内) 的流动换热特性。通过大量试验数据拟合关联式， 采用计算机模拟方法研究换热和沿程阻力情况，优化管路布置，优化制冷剂流 量，更合理地分配压降。 ( 3 ) 新工质的性能以及与之相适应的新的换热器结构。在成熟结构中使 用新工质，并根据新工质的热力性能修改换热器的结构，使之发挥最好的性能； 另外，采用强化换热的最新理论辅助设计和利用最先进的实验及加工手段开发 新型换热器，优化换热器结构。 根据汽车空调冷凝器的特点和制冷剂特性，要提高冷凝器的性能主要从以 下三个方面考虑： ( 1 ) 增加换热面积，提高空气侧和制冷剂侧的换热量。对于项置式客车 空调系统，由于系统的安装空间有限，不可能任意加大冷凝器体积，只能在有 限的空间内进行改进，尽量向小型轻量化发展。 ( 2 ) 提高冷凝器内制冷剂温度和流量分配的均匀度。温度的高低差异会 导致制冷剂的密度和粘性不同，从而造成流速不相同，影响了换热效率；管道 截面的制冷剂流量分配不均，同样也会降低换热效率。 ( 3 ) 降低制冷剂在冷凝器中的压力损失，这样可以减少压缩机耗功。要 做到这一点，要求设法增加冷凝器通道的截面积来降低冷凝器的通道阻力。 平行流式冷凝器是近年发展迅速的新型冷凝器，目前在轿车上己大量使 用，但是在客车空调上使用还很少。平行流冷凝器采用铝合金材料制造，具有 重量轻、易成型和成本低的优点。在相同迎风面积下，平行流式与管带式相比， 换热效率提高3 0 5 0 ，空气侧阻力几乎不变，制冷剂侧阻力减少 7 0 8 0 e 1 0 】。由于具有传热系数高、重量轻、结构紧凑和制冷剂充灌量少等 优点，平行流式冷凝器已成为目前最有前途的客车空调冷凝器形式。 文献 1o 】对平行流式冷凝器热力性能进行了理论和试验分析，得出了影响 平行流式冷凝器热力性能的因素，并提出了优化平行流式冷凝器热力性能的措 施，为平行流式冷凝器的优化设计提供了理论参考。文献 1 1 】指出平行流冷凝 器空气侧采用间断型扩展表面的波纹型百叶窗翅片，制冷剂侧采用小水力直径 的非圆截面微通道多孔铝制扁管，选用适合于该微尺度强化换热结构的传热和 压降关联式，对某规格的平行流冷凝器建立数学模型并在一定工况下进行数值 模拟。结果分析表明，制冷剂在非圆截面微通道内的冷凝过程中，表面张力对 表面传热系数的强化效果明显；通过改变流程数和各流程管数来改变冷凝过程 中的流通截面而达到调整流速的作用，从而可以保持较高的冷凝换热系数和较 低的流动压降，与常规换热器相比具有显著的优越性。文献 1 2 】分析了多元平 行流冷凝器的换热系数，并应用迭代原理得出多元平行流冷凝器的换热计算方 法。文献 13 】用试验的方法探讨平流式冷凝器在大中客车顶置式空调上的应 用，以平流式冷凝器及设计的一套顶置式中客空调系统为样机，进行冷凝器的 换热性能试验和空调系统性能试验，得出一些实际的检测数据，为今后平行流 式冷凝器在大中客车空调推广应用提供参考。 1 6 本文的主要工作 1 6 1 本课题的来源以及研究的目的和意义 本课题来源于江苏扬州杰信车用空调有限公司的新产品开发。扬州杰信车 用空调有限公司是香港杰信实业有限公司在江苏江都经济开发区投资兴建的 一家车用空调公司，专门从事客车空调系统的开发、生产、销售及服务。该公 司生产的客车空调产品覆盖6 12 米的客车系列。 由前面所述可知，客车空调系统的目的在于创造客车室内舒适的气候环 境，保护驾驶员和乘员的身体健康，改善驾驶员的工作条件，提高客车的安全 与舒适性。冷凝器作为客车空调系统的关键换热设备，其换热性能对客车空调 的运行特性和经济性有重要的影响。客车空调系统对冷凝器的要求可概括为： 高效和轻量小型化。目前客车空调系统普遍采用的是管片式冷凝器，但由于管 片式冷凝器的结构及换热性能等方面的因素影响，在满足客车空调系统性能要 求的前提下，在实现客车空调系统的更高性能和轻量小型化要求方面存在较大 困难。而平行流冷凝器是一种在追求换热设备高效小型化过程中发展演变而来 的冷凝器型式，其变流程结构特点使冷凝器的有效容积得到合理地利用，使制 冷剂的流动和换热过程更趋合理。本课题就是在1 2 米客车空调系统上，用平 行流冷凝器取代原有的管片式冷凝器，通过建立数学模型、设计计算程序对使 用平行流冷凝器的客车空调系统进行优化设计和匹配，以提高1 2 米客车空调 的性能，降低生产成本，满足客车空调小型轻量化的发展趋势。 1 6 2 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 利用m a t l a b 软件建立客车空调系统各部件的数值计算模型。建 9 立压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置的数值计算模型，利用m a t l a b 软 件对建立的模型编制计算程序，重点为对平行流冷凝器和管片式冷凝器的进行 建模和计算程序设计，为两种冷凝器的对比分析提供工具。 ( 2 ) 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 仿真工具对所建立的客车空调系 统的模型进行优化仿真，得出整个客车空调系统在分别使用平行流冷凝器和管 片式冷凝器的情况下主要性能参数的变化规律，为客车空调系统的匹配设计提 供依据。 ( 3 ) 在顶置式客车空调性能实验系统上进行客车空调性能实验，利用实 验结果验证所建模型的合理性与可靠性以及仿真结果的准确性。 1 0 第二章汽车空调制冷系统简介 现代汽车空调系统一般包括制冷系统和制热系统，制热就是用暖气设备向 车室内供热，供热热源可分为发动机余热式和独立热源式；按空气循环方式可 分为：内循环式、外循环式和内外混合循环式三种；按照载热体又可分为水暖 式和气暖式。汽车空调系统的冷源通常是利用机械制冷方法来提供，一般包括 压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀、干燥过滤器及连接管道，形成一个封闭的 系统，通过制冷工质的流动和热力状态的变化来完成吸热制冷的任务。 2 1 汽车空调制冷压缩机 制冷压缩机是制冷系统的核心部件，它的作用是将蒸发器出口的低温低压 蒸汽压缩成高温高压的气体排入冷凝器，以便于其冷凝成液体，是系统中制冷 剂工质流动的动力源。汽车空调压缩机目前主要采用容积式制冷压缩机。小型 车主要采用斜板式、摇板式、旋叶式和涡旋式；大型车空调采用立式活塞式压 缩机和螺杆式压缩机。容积式制冷压缩机的分类及应用见下表。 表2 1 容积式制冷压缩机的分类及应用 容量范围 类型主要用途特点 k w 往 活塞连杆 0 4 6 0 0 石化、冷冻、空调 复 式 0 7 5 1 2 0 冷冻冷藏、空调 机犁多，易生产， 价廉，中、小容量 式 0 1 7 5 冰箱、房间空调器 活塞斜盘 式 0 7 5 3 0 车辆空调小容量 转子式0 7 5 2 0 车辆空调 高速、小容量 旋转叶片 o 7 5 3 0 车辆空调高速、小容量 式 0 7 5 7 5 车辆空调高效、高速、小容 回 涡旋式量 2 2 3 0房间空调器 发展前景好 转 6 车辆空调 式 双螺杆 3 0 1 6 0 0石化、冷冻、空调压比大，可替代小 容量往复式压缩 5 5 3 0 0 空调热泵 机，价昂 1 0 0 1 1 0 0 石化、冷冻、空调 单螺杆 冷冻、空调、车辆空 效率较高，容量宽 2 2 9 0 调 由上表可知，容积式压缩机在汽车空调上的应用是很广泛的。汽车空调压 缩机的发展可分为以下几个阶段：第一代汽车空调压缩机是曲轴连杆往复活塞 式压缩机；第二代汽车空调压缩机有斜板式、摇板式和径向辐射式。以上均属 于往复式压缩机，由于转速受到限制，机器笨重，惯性力大，易损件多，输气 不连续等缺点，不仅在汽车空调中，就是在一般制冷、空调工程中也逐渐被回 转式所替代。第三代汽车空调压缩机包括旋叶式、三角转子式、滚动转子式和 螺杆式。它们都属于回转式压缩机，具有结构简单，体积小，易损件少，尤其 是可以高转速运行，非常适合汽车空调中使用。第四代汽车空调压缩机是涡旋 式，涡旋式压缩机具有非常高的容积效率。涡旋式压缩机利用一对具有相同型 线的涡旋叶片圈，相互错开l8 0 。组成一对啮合( 几个点上相互接触) ，动圈绕一 固定回旋半径的圆作不自转的回旋运动。具有扭矩变化小，振动小，噪音低， 零件数少，可靠性高，适宜高速运行，易达到小型轻量化的特点。第五代汽车 空调压缩机是变量压缩机和v s d 变速传动机组。变