（动力工程及工程热物理专业论文）汽车空调性能衰减研究.pdf

中文摘要 摘要 目前世界各国都在关注能源和环境问题，提高能源利用效率和降低温室气体 的排放是解决这两个问题的有效途径。汽车空调作为制冷剂泄漏的主要来源以及 能耗的大户，其节能减排正受到广泛的关注。本文借助于计算机仿真技术，基于 v i s u a lb a s i c6 0 软件，建立了汽车空调系统和部件的性能仿真模型，通过相应的试 验验证了仿真模型的有效性，利用建立的模型模拟了不同工况下汽车空调系统及 部件的性能，并预测了结垢、腐蚀、制冷剂含油率、制冷剂泄漏等因素对汽车空 调系统及部件性能的影响。主要研究工作包括以下几个方面： 建立了r 1 3 4 a 和空气热物理性质参数和状态参数的仿真程序。通过对相应 的参数进行计算和分析表明，该计算程序计算速度快，计算精度较高，能够为汽 车空调系统仿真提供有效的支持。 采用稳态分布参数模型分别建立了层叠式蒸发器、过冷式平行流冷凝器的 模型。在计算过程中，综合考虑了相区分布和流程布置对换热器性能的影响。采 用稳态集中参数模型分别建立了单工作腔滑片式压缩机、双工作腔滑片式压缩机、 热力膨胀阀和制冷管路的仿真模型，并依据能量和质量守恒将各部件模型耦合为 系统模型。 依据相关汽车空调性能试验方法及标准，对压缩机、蒸发器和冷凝器进行 性能试验，将试验结果和仿真程序计算值对比，发现两者的一致性较好，仿真程 序能很好的模拟汽车空调部件的性能。 在系统及部件仿真程序的基础上，建立结垢、腐蚀、制冷剂含油率、制冷 剂泄漏对系统及部件性能影响的预测模型，并结合s a ej 2 7 2 7 和s a ej 2 7 6 3 完成 了制冷剂泄漏动态模型的建立。结果表明：样车空调系统的制冷剂年泄漏量为 3 2 0 4 2 9 。 关键词：汽车空调，仿真，制冷剂泄漏，性能衰减 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a ct c o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l da r ec o n c e r n e da b o u te n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e s ， i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no fe n e r g ye f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gg r e e n h o u s eg a se m i s s i o n s a r ee f f e c t i v es o l u t i o nt ot h e s ep r o b l e m s a u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gi so n ek i n do ft h e m a i ns o u r c eo fr e f r i g e r a n tl e a k a g ea n de n e r g yc o n s u m p t i o n i t se n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o ni st or e c e i v ew i d e s p r e a da t t e n t i o n b a s i n go nc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，s i m u l a t i o nm o d e l so fa u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e ma n dc o m p o n e n t s p e r f o r m a n c ea n a l o ga n dr e f r i g e r a n tl e a k a g ew e r ee s t a b l i s h e do ns o f t w a r ev i s u a lb a s i c 6 0 t h ev a l i d i t yo ft h e s em o d e l sw a sv e r i f i e db yc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s t h e p e r f o r m a n c e so fa u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n dc o m p o n e n t sw e r es i m u l a t e d o fd i f f e r e n tk i n d so fc o n d i t i o n st h r o u g ht h e s em o d e l sa n dt h ei m p a c to fs c a l i n g ， c o r r o s i o n ，r e f r i g e r a n t o i lc o n t e n t ，r e f r i g e r a n tl e a k a g e ，a n do t h e rf a c t o r s o nt h e a u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m sa n dc o m p o n e n t sp e r f o r m a n c ew e r ep r e d i c t e d t h e w o r km a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e ra n ds t a t u sp a r a m e t e r ss i m u l a t i o np r o g r a m so fr 1 3 4 a a n da i rw e r eb u i l t t h er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ec o r r e s p o n d i n g p a r a m e t e r ss h o w e dt h a tt h ec a l c u l a t i o np r o g r a m w a sw i t hah i g hc a l c u l a t i o ns p e e da n d h a dag o o da c c u r a c y ，f r o mw h i c hc a np r o v i d ee f f e c t i v es u p p o r tf o rt h ea u t o m o t i v ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ms i m u l a t i o n l a m i n a t e de v a p o r a t o rm o d e la n ds u b c o o l i n gp a r a l l e lf l o wc o n d e n s e rm o d e l w e r eb u i l tf r o ms t e a d ys t a t ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rm o d e l i nt h ep r o g r a m ，t h ei m p a c to f p h a s ed i s t r i b u t i o na n d f l o wp a t ho nh e a te x c h a n g e r sw e r ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n m o d e l so fas i n g l ew o r k i n gc h a m b e rr o t a r yv a n ec o m p r e s s o r ，d u a l c h a m b e rr o t a r yv a n e c o m p r e s s o r ，t h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v ea n dc o o l i n gp i p i n gw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do n t h es t e a d y - s t a t el u m p e dp a r a m e t e r t h es y s t e mm o d e lw a sac o u p l i n go ft h e s em o d e l s a c c o r d i n gt ot h ee n e r g ya n dm a s sc o n s e r v a t i o n b a s e d o n p e r f o r m a n c e t e s tm e t h o d sa n ds t a n d a r d so fa u t o m o t i v ea i r c o n d i t i o n i n g ，p e r f o r m a n c eo fc o m p r e s s o r s ，e v a p o r a t o r sa n dc o n d e n s e r sw e r e t e s t e d t h e t e s tr e s u l t sw e r ef o u n di ng o o da g r e e m e n tw i t ht h er e s u l to ft h es i m u l a t i o np r o g r a m w h i c hi n d i c a t e dt h a tp r o g r a mc a ns i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo fa i rc o n d i t i o n i n g c o m p o n e n t sw e l l p r e d i c t i o nm o d e l so fi m p a c to fs c a l i n g ，c o r r o s i o n ，o i lc o n t e n to ft h er e f r i g e r a n t ， i l l 重庆大学硕士学位论文 t h er e f r i g e r a n tl e a k a g eo nt h es y s t e m sa n dc o m p o n e n t sp e r f o r m a n c ew e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h es i m u l a t i o np r o g r a m so fs y s t e m sa n dc o m p o n e n t s t h ed y n a m i cm o d e lo f r e f r i g e r a n tl e a kw a sa c c o m p l i s h e da c c o r d i n gt os a e j 2 7 2 7a n ds a ej 2 7 6 3 t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：t h ea i rc o n d i t i o n i n gr e f r i g e r a n tl e a k a g eo f t h es a m p l ec a ri s3 2 0 4 2 9 k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n g ，s i m u l a t i o n ，r e f r i g e r a n tl e a k a g e ，p e r f o r m a n c e a t t e n u a t i o n l 绪论 l 绪论 1 1 课题的提出及研究意义 随着交通运输业的迅速发展和人们对生活质量要求的提高，汽车空调系统己 成为现代轿车、客车及其他车辆的标配设备。今天道路上行驶的每1 0 0 辆车中就 有9 0 辆以上安装有制造厂原装或者经销商安装的空调系统，汽车空调已经成为了 人们生活的必须品。 汽车空调和家用空调原理上是一致的【l 】，但是汽车空调同家用空调相比有几点 不同。首先汽车空调的热负荷会随着太阳光照的不同，乘客数的不同而变化，其 次汽车空调系统也要受到道路状况、纬度、大气条件( 如酸雨等) 的影响，运行 工况比较恶劣。由于汽车的颠簸，空调系统的制冷剂比较容易泄漏。汽车空调冷 凝器大多布置在车头部、侧面或车底，由于经常有地面的泥浆溅上，受到酸性物 质腐蚀，会增加换热热阻。制冷剂泄漏会给制冷设备的正常运行带来不良影响， 严重的时候甚至会影响系统的性能，产生诸如制冷量、制热量、性能系数下降， 功耗上升压缩机寿命缩短等等的问题。同时制冷剂泄漏到空气中还会污染环境， 带来更加严峻的能源和环境问题。而腐蚀、结垢等造成了换热器性能的衰减，进 而使整个汽车空调系统不能正常运行。 数据分析表明，2 0 0 5 年中国3 5 的石油是被汽车消耗掉的，而汽车空调系统 运行所消耗的能量占汽车总能耗的1 0 2 00 4 0 左右。近年来，美国环境保护署( e p a ) 已开始要求各大汽车制造商必须在打开空调的情况下进行尾气排放测试。同时汽 车空调所使用的r 1 3 4 a f b l 冷剂的全球变暖指数( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ，g w p ) 高 达1 3 0 0 ，在京都议定书中它是属于未来淘汰的制冷剂之一【2 j 。 而对环保要求更高的欧盟来说，他们已经通过立法禁止在2 0 11 年之后生产 g w p 大于1 5 0 的汽车空调系统。根据目前空调系统密封技术进行估计，对于r 1 3 4 a 系统来说，在系统充注量为最初充注量的4 00 4 0 的时候就需要进入维修厂重新充注 制冷剂，而在汽车的使用寿命过程中，这样的充注需要2 次左右 3 ，因此节能和环 保是汽车空调业面临的两个紧迫性议题。为了解决这些问题，一方面通过部件性 能的提升和新技术的开发来提高系统性能并降低系统能耗和排放；另一方面开发 各种环保制冷剂，开发新的空调系统作为未来替代r 1 3 4 a 系统的可能选择。关于制 冷剂替代，学术界和工业界都进行了大量的研究，开发了各种新型环保制冷剂及 其系统，如c 0 2 、r 1 5 2 a 、r 4 0 7 c 、h f o 一1 2 3 4 y f 等一叫j 。 虽然c 0 2 系统近年来在系统和部件开发方面取得了较大进展，但c 0 2 系统较高 的制造成本、维修成本和替代成本以及安全因素使得最近对于c 0 2 系统的研究有所 重庆大学硕士学位论文 降温。目前环保制冷剂仍处于研制阶段，因此对现有r 1 3 4 a 汽车空调系统进行性能 改进，提高系统性能及控制系统性能衰减和制冷剂泄漏是降低汽车空调能耗和环 境影响的有效方法之一。 进入2 l 世纪，随着科技的发展，很多性能卓越的空调部件和控制系统在汽车空 调系统中得到了逐步应用，这其中包括过冷式平行流冷凝器、微通道平行流蒸发 器、性能优化的外控变排量压缩机以及更加稳定和易于控制的系统控制方法等。 从公开的文献中看出，这些部件或方法的应用大大提升了系统的性能和降低了系 统的能耗。e r i kl u n d b e r g 8 在2 0 0 2 年s a e 会议上提出了强化r 1 3 4 a 空调系统性能和 环境友好性的几个重要途径：1 提高系统效率，包括使用更为紧凑的高效换热器、 控制系统过热度、使用外控变排量压缩机、采用较好的润滑油分离技术等；2 降低 系统充注量，可以降低汽车空调的直接排放量，主要方法有降低系统中冷凝器和 蒸发器内容积，使用内径更小的液体管路等。另一方面，我们也可以通过对部件 和系统进行优化，来降低结垢、制冷剂含油、腐蚀等因素对系统及部件性能所造 成的影响，同时通过强化汽车空调系统部件的密封性和空调系统运行的稳定性也 可以有效降低空调系统的制冷剂泄漏量，如采用密封性更好的压缩机、增加软管 和接头的密封强度等。 基于以上的背景分析，本课题将以汽车空调系统部件性能衰减及泄漏研究为 基础，通过建立仿真模型及预测软件，以达到控制部件及系统性能衰减和降低制 冷剂泄漏量目标，重点研究新技术和新方法的应用对系统特性的影响。这对我国 汽车空调业快速跟上国外新技术的发展趋势，增强我国汽车零部件企业的开发设 计能力具有一定的现实意义。 1 2 汽车空调系统性能及制冷剂泄漏国内外发展及研究现状 图1 1 为汽车空调系统制冷循环原理图。汽车空调系统由压缩机、冷凝器、膨 胀阀、蒸发器四大部件组成，其他辅助部件包括控制压缩机吸合的离合器、高低 压软管和硬管、储液干燥器、电子风扇、鼓风机以及部分控制元件等等。此空调 制冷系统是典型的非独立式汽车空调系统，压缩机由汽车发动机驱动，它采用的 是单级蒸气压缩式制冷循环。 为了提高汽车空调系统效率，节能减排，国内外很多专家学者采用理论分析、 计算机仿真和试验研究相结合的方法对汽车空调系统及部件的性能进行研究分 析，并提出了相应的优化方案。 1 绪论 篱厩款瞽 图1 1 汽车空调制冷循环系统 f i g1 1r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo fa u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n i n g 罐漆罐 1 2 1 汽车空调系统和部件的性能研究及优化 g h l e e 等【9 】研究了汽车空调系统单个部件在不同运行条件下的性能：在蒸 发器进e l i 空气相对湿度为5 0 的条件下，蒸发器进口空气温度、进口空气体积流 量、蒸发器出口过热度和蒸发压力对蒸发器性能的影响。文章指出蒸发器的总传 热系数是随着进风温度和空气体积流量的增加而增加，蒸发器的总传热系数可表 示为进风温度和空气体积流量比率的一个函数；而对于蒸发器在蒸发压力较低时 总传热系数变化不大，但蒸发压力超过一定值，总传热系数会迅速下降；当蒸发 器出口制冷剂过热度低于1 0 时，总传热系数受过热度变化影响不大，但过热度 在1 5 。c 时，总传热系数会迅速下降到标准值的8 00 4 0 。在冷凝器进口空气温度为 3 5 。c ，进口制冷剂过热度和出口制冷剂过冷度分别为2 5 。c 和5 。c ，冷凝器进口空 气流速，冷凝压力对冷凝器性能的影响。为了获得冷凝器的冷凝能力，文章把每 个翅片作为一个传热单元，采用, f f n t u 法计算冷凝器的传热系数。计算结果与试 验结果数据相差不超过5 。文章还建立了斜盘式压缩机容积效率和排气质量流 量的数学模型及空调管路压降和换热系数的模型。 l i p i n gx i a n g 等 1 0 】利用试验研究和模拟建立了汽车空调平行流冷凝器的数学 模型，模型采用有限容积法预测冷凝器的性能，采用占- n t u 方法计算冷凝器出口 空气侧和制冷剂侧的性能参数，模型的计算结果和试验数据的偏差在5 之内。 c h a n g q i n gt i a n 等 1 1 】通过建立一个变排量压缩机的汽车空调系统稳态的数学 模型来进行汽车空调蒸发器结霜原因的分析研究。为了验证系统模型，文章建立 了一个测试系统，模型计算结果与试验测试结果吻合较好。通过分析不同因素对 系统模型的影响，文章总结出了压缩机运动部件摩擦阻力、控制阀的参数、吸气 重庆大学硕士学位论文 管路压降、冷凝器尺寸的匹配和冷凝器进口空气温度过高等影响蒸发器结霜的主 要因素并提出了相应的解决方法。 v i t om e l i s u r g o 等【1 2 通过在较大范围的试验条件下对汽车空调的多种蒸发器进 行性能测试分析，证明蒸发器的效能( 文中定义为：实际的热流量和理论的最大 热流量之比) 并不依赖于或者轻微受到蒸发器进口空气温度、空气相对湿度、制 冷剂蒸发压力、制冷剂干度和制冷剂质量流量的影响，蒸发器的效能只依赖于空 气的流速和含湿量的影响。 s h u j u nw a n g 等 1 3 】通过对汽车空调系统搭建试验台并进行试验，得出以下结 论：压缩机进口的制冷剂和润滑油质量直接影响系统的c o p 和制冷负荷；为了准 确分析汽车空调系统的性能，需要测试制冷剂的干度；总的制冷剂流量随制冷剂 的充注量，蒸发器进口空气温度、冷凝器水温( 试验台对冷凝器采用水冷) 和压 缩机转速的增加而增大；制冷量不随充注量的变化而变化，但是随蒸发器进口空 气温度和压缩机转速的增加而增加，随冷凝器的水温升高而降低；系统的c o p 随 系统制冷剂充注量、冷凝水温度和压缩机转速的增加而降低，随蒸发器进口空气 温度升高而升高；压缩比随制冷剂充注量和蒸发器进口空气的增加而降低，随冷 凝水温度和压缩机转速的增加而增加；压缩机的容积效率的变化情况和压缩比的 变化情况相反。 曹小林等【1 4 】通过建立汽车空调蒸发器的稳态分布参数模型和试验验证，对采 用亲水膜和未采用亲水膜的蒸发器传热性能进行了研究，发现采用亲水膜之后的 蒸发器，空气侧换热系数稍微有降低，但是换热量比未采用亲水膜的蒸发器大5 。 张兴群等【l5 】对r 1 3 4 a 汽车空调制冷系统在含油工况下的性能建立数学模型进 行仿真计算，并对不同含油率的空调系统进行性能试验，得到相应的参数。将计 算结果与仿真计算结果进行对比，发现试验结果与模型吻合较好。模型可用于进 行空调系统性能分析，预测汽车空调系统的运行状况。 s h u j u nw 姐g 等【1 6 】通过对在不同压缩机转速、压缩比和压缩机进出口制冷剂干 度下的压缩机进出口压力、温度、润滑油浓度、总的质量流量和蒸汽的质量流量 进行测试，得到以下结论：制冷剂的干度对压缩机的容积效率没有影响，但是影 响压缩机的等熵效率，压缩机的容积效率和压缩比与压缩机的转速有关；当制冷 剂干度在8 0 9 0 的范围时，压缩机的等熵效率随干度的增加而降低；在压缩过程 中，只有部分的制冷剂液体会蒸发，然而在压缩机的出口，制冷剂和润滑油的混 合物不会达到一个稳定的状态，蒸发率随压缩机转速的增加而降低，随干度的增 加而降低。 y o u nc h e o lp a r k 掣1 。7 】利用连续性方程、能量守恒方程和实际气体状态方程建 立了可变速涡旋式压缩机的热力学模型，该模型包括压缩机低压壳体、吸气加热、 4 1 绪论 电机效率、容积效率( 将泄漏作为压缩机频率的函数) 的能量平衡，仿真计算结 果与试验数据偏差在1 0 之内。 1 2 2 汽车空调系统及部件性能衰减 现有的研究成果表明运行工况对空调系统和部件的性能影响较大，而汽车空 调运行环境比较恶劣，运行工况也不稳定，当换热器运行一段时间后，换热面上 常会积起油污、微生物和腐蚀产生的覆盖物垢层，这些污垢增加了换热热阻，减 小了空气流通面积，造成换热器性能衰减，能耗增加。关于空调系统及部件的性 能衰减，目前的研究主要集中在两个方面：一是换热器的性能衰减，二是压缩机 性能衰减。 b e l l 等【l8 】采用a s h r a e 的标准方法对混合热交换器盘管进行人工加垢，通过试 验研究分析结垢对混合换热器换热和空气侧压降的影响。试验结果表明：在所有 试验条件下，严重结垢的盘管空气侧的压降要比正常情况下的盘管压降增力h 5 0 ， 而结垢对换热的影响很小。 s t e f f e nk a i s e r 等 19 】通过采用专门的试验设备对换热器表面的结垢情况进行分 析得出以下结论：污垢沉降量、沉降物的湿度、沉降物的结构主要取决于换热器 表面气体的湿度和换热器表面温度与气体温度之间的差距，并且和气体的冷凝参 数有关；实际上垢层生长最主要的前提条件是它的湿度，如果垢层是干的，固体 颗粒不能够黏贴在一起，垢层在超过一定水平后就不会再生长，增加垢层的水分 含量可以增加垢层的生长；在结垢的开始阶段，较多的气体冷凝可以帮助固体颗 粒黏附在干净的管道表面，但是，当冷凝过多时会导致较大的污垢颗粒脱离换热 器表面。 b i l a la q u r e s h i 等【2 0 】通过结垢的试验数据建立了蒸发冷却器和冷凝器的结垢 模型，结合模型可以对传热速率随污垢生长的衰减情况进行预测。通过将详细的 蒸发冷却器和冷凝器的模型与结垢模型结合在一起用来研究在不同的空气进口湿 球温度下，结垢对这些换热器换热性能的影响。结果表明，结垢所导致的蒸发冷 却器和冷凝器的性能衰减可以分别达到5 5 和7 8 。 j e f f r e ya s i e g e l a 等c 2 1 】结合h v a c 换热器典型的速度和几何参数，建立了污垢 颗粒形成机理模型来预测换热器表面的结垢情况：沉积物的试验范围从小于2 的 小颗粒( 小于1 “m ) n 5 0 1 0 0 的大颗粒( 大于5 0 p m ) ；较大的空气流速会冲击 翅片边缘和管路，也会产生紊流，从而会使污垢增加；较低的流速通过布朗扩散 作用和重力作用也会导致污垢的增加；较大的翅距也会导致污垢的增加。模型值 和试验测得的数据吻合较好，尤其是在低流速和较小粒径的情况下。 赵建凯【2 2 1 认为在系统中制冷剂适量的条件下，制冷系统性能下降的主要原因 是换热器的热交换能力下降，造成制冷剂不能充分蒸发和冷却，因此对冷凝器和 重庆大学硕士学位论文 蒸发器的维护保养极为重要。对冷凝器和蒸发器的维护和保养主要是防止结垢、 结霜和腐蚀以及保持系统运行工况的稳定性。 魏文建等【2 3 通过建立换热器的稳态分布参数模型发现润滑油对蒸发器性能影 响较大，对压降的影响较换热更为显著。系统中润滑油循环量为3 和5 时，蒸发 器换热量的衰减约为5 和1 0 。 浦晖等【2 4 为了分析微生物结垢对换热器性能的影响，采用人工加速培养的方 法，对三个波纹管翅片换热器进行加速霉变处理，处理后的换热器霉菌面积占整 个空气侧迎风面积的1 0 、3 0 、6 0 ，通过试验和理论分析，作者得到了不同雷 诺数下微生物污垢对换热器空气侧换热和压降的影响。 樊绍胜 2 5 】提出一种基于灰色理论的冷凝器污垢预测方法。并采用灰色模型分 别描述软垢和硬垢的变化趋势，并将二者结合起来获得较为精确的污垢预测模型。 赵宇掣2 6 】通过人工盐雾试验研究分析腐蚀对换热器性能的影响，通过对翅片 管蒸发器分别进行4 8 小时和9 6 小时盐雾腐蚀后发现蒸发器换热量最多会降低 1 2 5 ，而蒸发器的风阻变化很小，而总的换热系数最多会降低1 6 6 ，热阻最多 增力n 2 0 。 压缩机是空调器制冷系统的动力核心，经常使用中的空调系统不容易出现压 缩机的损坏，而较长时间没有使用的空调，在启动运行时压缩机很容易损坏，经 过对损害和失效的压缩机进行检查发现：液击、失油、压缩机运行工况恶劣是造 成压缩机不能正常工作的主要原因。 胡青等 2 7 】分析含油制冷剂的性质以及制冷剂含油对空调压缩机性能的影响， 并得出以下结论：当系统中油循环率低于4 - - - , 5 时，随着油的增加，压缩机的性 能得到提高，此后随着油循环率的增加，压缩机性能开始衰减。 张宏波等【2 8 分别分析了造成汽车空调压缩机损坏的几个原因：液击损坏、失 油损坏、环境温度异常、高速运行的冲击损坏。对上述几个引起压缩机提前失效 的原因，作者除了详细分析其产生的原因，而且也分别介绍了解决这些问题的策 略及改进措施。 1 2 3 汽车空调系统制冷剂泄漏 除了结垢、结霜、腐蚀、失油等因素可能造成汽车空调系统及部件性能衰减 外，制冷剂泄漏对系统的性能影响也较大。与家用空调相比，汽车空调的使用环 境更为恶劣，制冷剂泄漏更严重。汽车在行驶途中会承受剧烈、频繁的振动和冲 击。所以汽车空调的零部件应该有足够的强度和抗震能力，接头牢固并防漏，但 是汽车空调系统还是极容易发生泄漏，可以说制冷剂的泄漏在每辆车上都会发生 只是个泄漏的速度问题。所以，汽车空调的各部件要牢固且大量采用软管接头来 实现连接，同时要经常检查制冷系统中制冷剂的储量。正常情况下每辆轿车的年 6 1 绪论 泄漏量在2 0 5 0 克间，相对于4 0 0 1 0 0 0 克制冷剂添加量，它的年泄漏率为3 - 5 左右，而制冷剂的泄漏在超过其标准添加量的1 0 左右就会使制冷效果下降此时 就需要适当的补充制冷剂了。 由于空调系统各组件中制冷剂的泄漏率不一致，泄漏率与组件的变化，磨损 和退化，振动的影响，局部温度等因素有关，现有文献很少有关于制冷剂泄漏量 的动态模型。s a ej 2 7 6 3 t 2 9 】通过搭建一定的试验台，将各组件放置在密闭的腔体中， 通过不断测试系统运行过程中腔体中制冷剂的浓度变化情况，对现在市场上通用 的大部分汽车空调部件和系统分别进行制冷剂泄漏量测试，s a ej 2 7 2 7 3 0 结合上面 的试验测试值，得到市场上通用的汽车空调压缩机、换热器、软管、接头、控制 设备等的年泄漏量预测模型，该模型预测值与欧洲和日本建立的制冷剂泄漏模型 偏差较小，可以在实际中进行应用。 同时为了分析制冷剂泄漏对空调系统的影响和进行更好的维护，很多研究者 在不同的制冷剂充注量下检测了各种空调系统的性能，通过分析可以得到制冷剂 泄漏对空调系统及空调系统各部件的性能影响情况。 i n g r a c e 3 1 】对一个三吨的空调住宅空调系统研究表明，在制冷剂充注量低于 设计值的8 0 时，制冷剂量对系统的性能有很大的影响。而对于制冷剂充注量为 9 0 的系统，性能系数和制冷量几乎与充注设计量的系统相同。即使制冷剂量很小， 在系统第一次打开时，系统仍然会提供制冷，但是由于制冷剂的量很少，制冷剂 的温度就会很低，从而蒸发器盘管上形成冰层，盘管上的冰层，阻碍了制冷剂和 空气的传热，也阻碍了空气流经蒸发器盘管，系统的制冷量和性能系数大幅度下 降。形成冰层耗费了制冷剂，造成了能源的浪费。用户不容易发现制冷量的下降， 直到制冷剂量降至8 0 左右的时候，才会发现系统没有起到制冷的作用，尤其是当 系统频繁开关的时候。长期处在缺少制冷剂的情况下，就会给系统的造成损害， 尤其是压缩机在缺少制冷剂的情况下很容易损坏。 d y g o s w 眦1 i 3 2 的试验表明空调系统中制冷剂量对空调系统的性能有很大的 影响，制冷剂充注量对系统性能影响的敏感度取决于系统的设计，热交换机的型 号和制冷剂的储存量。但是制冷剂对系统性能的影响的趋势大致上是不变的，当 空调系统充注适量的制冷剂的时候，系统会工作在最佳状态。当制冷剂的量过低 或过高系统的性能都会下降。制冷剂泄漏或者其它原因都会引起制冷剂量的减少， 导致系统的热性能将低，运行费用升高日常例行维修可以避免这个问题，防止 能源浪费。 i n a t s u 等 3 3 】进行了汽车空调系统在低充注量下的检测，证明检测制冷剂量的最 好方法是在液管测量气液流量。该试验设计成当制冷剂量下降到正常水平的6 0 的 时候用来监视到制冷剂的量。 重庆大学硕士学位论文 b a i l e y e 3 4 】研究了不同制冷剂量下的空冷机组的运行，作者总结：当制冷剂量高 于正常量的7 0 的时候，每输出一吨制冷剂耗能量与制冷剂充注量成正比。低于 7 0 时机组耗功耗和过热度与制冷剂充注量成反比。 f a r z a d 和o n e a l c 3 5 检测了不同制冷剂充注量下，1 0 l 制冷量的住宅空调系统 的性能。该系统使用的膨胀装置为毛细管。研究发现少充注量的情况下，系统性 能下降严重。蒸发器出口的过热度随压缩温度和充注量的上升而下降。局部制冷 情况随充注量的上升而上升。 也有学者 3 6 采用试验方法测试系统运行过程中，各个组件中制冷剂含量。测 量汽车空调系统中的制冷剂质量比较困难，因为系统中制冷剂状态始终都有两相。 很多研究都涉及到制冷剂质量的测定，过程基本上都是先用阀门将制冷系统的各 部件分开，然后用接收器分别把各部件的制冷剂移出，其中可以通过加热制冷系 统的受测部件的方法强迫制冷剂进入接收器，直接称接收器的重量，就可以得到 该部件中制冷剂的质量。这种方法的误差来源主要是不可能把制冷剂全部移出系 统，始终都会有制冷剂留在制冷系统的各部件中，而且在接收器连接和断开的时 候都会有制冷剂漏出。为了得到空调系统中制冷剂的含量，分析制冷剂量对系统 性能的影响，许多学者通过建立空隙率模型来理论计算系统中制冷剂含量。基于 空隙率模型，我们可以通过仿真软件，理论计算系统中制冷剂含量以及制冷剂泄 漏对系统性能的影响。 d a m a s c e n o 等 3 7 】建立了一个理论模型来预测不同充注量下的制冷和制热量。 作者发现想要确定系统中制冷剂的质量，精确测量系统元件的内体积是必要的。 空隙部分模型的小改动也有助于预测值更接近测量值。 综上所述，近年来许多学者对影响空调系统的换热器和压缩机等部件性能的 因素进行了研究分析，并建立了相应的数学模型和试验方法，利用这些研究基础， 我们可以对汽车空调部件和系统进行性能优化，控制其性能衰减，在降低系统制 冷剂充注量，控制系统制冷剂泄漏量的基础上，提高系统的性能和效率，这对于 节能和环保具有重要的意义。 1 3 汽车空调系统仿真 自2 0 世纪7 0 年代末以来，国际上开始有学者利用仿真技术对制冷空调性能 进行研究。经过几十年的发展，集中参数模型、分布参数模型等纯数值计算的仿 真技术已经发展纯熟，并在制冷空调的很多方面 3 8 , - 4 0 得到了广泛的应用。现有的 制冷空调产品的开发模式为“理论预测+ 试验+ 经验”，其中“试验+ 经验”发挥着主要 的作用。经验规律的可靠性受多方面因素的影响，有效使用范围有限。试验手段 最直接、可靠，但是大量的试验导致产品开发成本高、周期长。利用计算机仿真 1 绪论 技术代替试验，即提高了研发效率，又缩短了研发周期，为制冷空调产品的开发 提供了有效的途径。虽然传统的仿真算法已经发展纯熟并得到广泛的应用，但进 一步的发展却遇到了阻力。模型计算方法的复杂性影响其实用性，而简单的模型 又没法保证精度和适用性，因此要进一步使得仿真实用化，必须在方法上寻求突 破，近年来，以专家系统、人工神经网络和模糊理论为代表的现代人工智能技术 在制冷空调行业已逐渐得到广泛的应用，其实用化效果要优于传统的仿真方法。 对于汽车空调系统的研究开发，试验也是必不可少的环节，但是如果只依靠 试验来对系统及部件的研发进行指导花费太高，如果采用普通精度的传感器和控 制器搭建汽车空调综合性能试验台就要花费百万以上，为了提高控制和测量精度， 建成一个稳定性、精度较高的试验台要花费几百万，而搭建一个汽车空调环境模 拟试验室更是要花费上千万，而且试验周期还比较长。现有的应用于汽车空调系 统及部件开发的数学模型已经日渐完善，而用于性能模拟的稳态和动态仿真算法 也己成熟，相应的仿真的精度也比较高，将该计算机仿真方法用于汽车空调系统 的研究开发可以有效减少工作的复杂性和难度，缩短产品的研制、设计、开发的 周期，节约资金，而且还能够得到与试验相吻合的结果。 k u i j p e r s 等 4 1 首先考虑到空泡系数的影响，并将其引入到制冷空调仿真研究 中，在它们的动态仿真模型中运用空泡系数和可变控制容积模型，避免通过修正 基本方程来提高精度及达到模型内部的一致性。 王永等【4 2 】为汽车空调系统建立了一种采用模块化建模思想和控件技术的仿真 软件。该软件可以用于汽车空调系统的性能计算机分析，而且具有一定的系统匹 配及优化功能。 郝亮等 4 3 】采用稳态分布模型对某个由2 2 块散热板构成的层叠式蒸发器建立仿 真模型，通过模型研究散热板中隔板的深度和流程布置对蒸发器传热和压降的影 响，仿真结果表明，当隔板与换热板底部流通间隙的大小达到直流道宽度的 o 1 6 0 1 8 倍时，层叠式蒸发器换热量达到最大，这一结果和国外的研究结果一致。 同时，在此基础上将蒸发器的流程配置设置为第一流程散热板数小于第二流程散 热板数的两流程结构，此时蒸发器的性能最好。 王荣汉【删采用稳态分布参数法，研究扁管总数和流程数已知的情况下，扁管 的分配布置方式对平行流冷凝器性能的影响。结果显示：扁管的分配布置对冷凝 器的性能有很大的影响，随着流程数逐渐减少扁管个数，用这种扁管布置方式所 得到的换热量最大，压降最小，过冷度最大，换热器综合性能最优，应依据逐渐 减扁管数的原则分配冷凝器的各个流程。 张凯【4 5 1 采用新的仿真方法a m e s i m 建立平行流冷凝器仿真模型，模型忽略了 制冷剂加速压降，模型仿真结果与试验结果吻合较好。仿真结果表明：通过合理 重庆大学硕士学位论文 布置制冷剂回路流程可以有效改善平流式冷凝器性能；随着流程数的增加换热量 也会增加，但是也会造成压降增大；在保证制冷剂侧横截面积不变的情况下，增 加扁管内微通道的数目，换热量增加；空气流速较小时，换热量随翅片间距的减 小而增加；与传统仿真方式相比，a m e s i m 仿真能更有效地用于平流式冷凝器的 仿真。 通过以上学者利用计算机仿真对汽车空调系统性能模拟得到的结果可以看 出，仿真方法得到的性能结果准确有效，可以应用于汽车空调系统的设计和研究 开发。 1 4 本文的主要研究内容和方法 1 4 1 研究内容 本课题以重庆某汽车公司提出的生产实际课题为技术背景，通过建立汽车空 调系统及部件性能仿真计算模型，对汽车空调部件和系统性能衰减以及制冷剂泄 漏程度进行研究分析，为汽车空调系统的优化设计提供一定的依据。本课题主要 完成以下几方面工作： 对国内外汽车空调相关方面研究成果进行文献调研，熟悉汽车空调的基本 原理、特点； 建立过冷式平行流冷凝器、层叠式蒸发器、滑片式压缩机、储液干燥器、 热力膨胀阀、管路和制冷剂物性的计算模型，并将各部件模型耦合为汽车空调系 统计算模型； 通过试验验证冷凝器、蒸发器和压缩机计算模型的有效性和准确性；并通 过试验结果对模型进行修正； 在汽车空调系统及部件仿真模型的基础上，分析预测结垢、腐蚀、制冷剂 含油、制冷剂泄漏对空调系统及部件性能衰减的影响。 1 4 2 研究方法及技术路线 本课题采用理论研究、软件仿真与试验测试相结合的技术路线，首先通过市 场调研向售后服务单位和汽车空调客户进行意见征询，收集汽车空调系统性能衰 减的原因。调研内容应包括汽车空调各主要部件常见故障以及性能衰减的主要原 因以及制冷剂泄漏情况分析。在此基础上，通过理论研究建立汽车空调系统性能 衰减、制冷剂泄漏的理论模型并建立一定的分析软件，为提高汽车空调系统效率、 降低制冷剂充注量积累设计经验。 1 0 2 汽车空调系统部件性能仿真模型 2 汽车空调系统部件性能仿真模型 国内外车用空调换热器主要朝着如何强化传热、降低热阻、提高换热效率以 及减轻质量、缩小体积、提高单位体积的传热面积的方向发展。在轿车空调系统 中，蒸发器原来较多采用管带式结构，现在主流的汽车空调蒸发器主要是层叠式 结构，而平行流蒸发器也在逐步的研究和应用中。为了减轻设备质量、缩小设备 体积，将制冷剂的储液干燥器、过冷器、平行流冷凝器三者做成一体，形成过冷 式平行流冷凝器，这样既减小了设备体积和质量，又可以保证节流装置前的制冷 剂过冷从而提高制冷循环效率，还可以减少制冷剂的充注量。车用空调压缩机也 正在由定排量发展为可变排量，变排量压缩机不仅可以很好地解决蒸发器的结霜 问题，而且可以将许多很好的控制算法引入汽车空调系统的控制中，通过改变控 制信号的大小，便可使控制点根据系统的不同运行工况相应调节压缩机排量。变 排量压缩机的应用，不仅满足了空调系统自动控制的要求，而且容易达到系统高 效运行的目的。汽车空调用节流装置也由原来的f 型热力膨胀阀发展为h 型热力 膨胀阀，并随着传感器和微电子技术的发展，新型的电子膨胀阀也将在汽车空调 系统中大量运用。通过查阅相关文献，本文分别建立了单工作腔滑片式压缩机、 双工作腔滑片式压缩机、层叠式蒸发器、过冷式平行流冷凝器的仿真模型，对管 路和h 型膨胀阀也进行了计算。 2 1 压缩机模型 压缩机是压缩式制冷空调装置的“心脏”，现在汽车空调上使用的压缩机是容积 式压缩机，主要类型为往复式和旋转式，具体分类及每种压缩机的特点见图2 1 。 对于汽车空调压缩机模型，主要是要建立压缩机的流量与压缩机功率、蒸发 器性能和冷凝器性能的关系，以及计算出其他影响空调系统性能的参数，如压缩 机的排气温度。 对汽车空调压缩机建立仿真模型的方法通常有三种【4 6 】：通过对从压缩机生 产商得到的压缩机性能试验数据进行整理、回归 4 7 】，得到压缩机性能计算的数学 模型，此种方法简单而且精确度较高，但是只针对某一类型压缩机，而且需要由 大量的试验数据支持；将压缩机中的流动和换热简化为半经验公式进行计算，然 后根据计算模型和压缩机标准测试工况下性能数据的偏差乘上相应的修正系数； 通过建立压缩机工作腔的质量、能量、动量方程，求解压缩机的性能参数，这种 方法虽然通用性比较好，但是计算过程较为复杂，也不方便仿真模拟。由于压缩 机每一转中的吸气与排气量都是不相等的，从空调系统的性能角度出发，每一转 中存在的流量的不连续性可以忽略，压缩机运行过程可以看作是稳态的，因此常 采用稳态仿真来计算压缩机性能。 曲轴连杆式一缺乏安装灵活性，转速受限制 图2 1 汽车空调压缩机分类 f i g2 1c o m p r e s s o rc l a s s i f i c a t i o no fa u t o m o t i v ea i rc o n d i t i o n e r 2 1 1 单工作腔滑片式压缩机数学模型 4 8 】 单工作腔滑片式压缩机基元容积： k 2 2 l _ b r 2 e ( 2 叫+ 吉般2 ( o s ( 2 卅s i