压缩机是汽车空调系统

1、压缩机是汽车空调系统的重要组成部分，其作用是将来自于蒸发器的低温低压的制冷剂气体压缩成高温高压气体，并将其送进冷凝器，从而确保制冷循环的正常进行。压缩机性能优劣在某种程度上直接会影响汽车空调系统的能耗、噪音污染以及工作的可靠性。现 在 汽车 空调 上应 用 的压 缩机 种类 至 少不 低于 3a 种 。因 其 运 行方式不同分往复式与旋转式，根据其主要零件形状的不同，又有如下具体分类：空调压缩机的匹配计算步骤是：先根据设计工况和负荷 Q0求出所需要的压缩机排气量 VP，再根据 VP选用压缩机，并根据选用的压缩机校核其实际制冷量。1. 选型（ 1 ） 单 位 质 量 制 冷 量 ： q 0 =h

2、 1 / -h 3 / =130KJ/kg（ 2 ） 制 冷 剂 质 量 流 量 ： q m =Q0 /q 0 =0.2799kg /s（ 3 ） 压 缩 机 的 理 论 输 气 量 ： Vp = q m · v1/ / / =0.03143m 3 /s（4）查压缩机产品目录，按压缩机选型原则选择适当的型号，使得压缩机总输气量Vp 大于 或等 于 计算 的 Vp 。Vp =D2 · S· Z· n240式 中 ： Vp 为 压 缩 机 总 输 气量 （ m 3 /s ）； D 为 气 缸 直 径 （ m ）； S 为 活 塞 行 程（ m ）； Z 为

3、汽 缸 数 ； n 为 压 缩机 转速 （ r/min ）。选用 6FW8 开 启式 活 塞压 缩 机 ：D=70mm ，S=55mm ，Z=6 ，n=1540r/min 。（ 5 ） 校 核 ： Vp =D2 · S· Z· n= 3.14 × 0.07 2 × 0.055 × 6 ×240240-25-1540=0.0321m3 /s 0.03143m3 /s汽车空调系统中的换热器是指冷凝器和蒸发器。由于汽车运行条件的限制，汽车空调系统中的换热器都是采用空气作为冷却介质，即都是所谓的空冷式换热器。对冷凝器来说，压缩机排出

4、的高温高压的制冷剂过热蒸汽进入冷凝器中，制冷剂在管内流动，利用与外界环境的温差，通过传热面把热量传给外界环境空气后，制冷剂蒸汽逐步凝结成高压中温的液体。对蒸发器来说，由节流机构出来的两相状态的低温低压的制冷剂进入蒸发器中，制冷剂在管内流动，利用与车内回风进入蒸发器的空气之间的温差，通过传热面吸收空气的热量，使车内空气降温、除湿，达到制冷的目的。在该过程中由热力计算结果可知：制冷量约等于 1.1 倍的热负荷量。Q0=36.387kw ， 蒸 发 温 度 t0 0 ；制 冷剂 R134a 的 循 环 量 为 qm0.1682 kg /s ；已 知 ：进 蒸发 器的 回 风温 度 ta127，相对湿

5、度50 %；为了便于布置和安装，蒸发器选用管片式蒸发器。分成两个并联的蒸发器。其中一个蒸发器冷负荷为，/Q036.38718.194kW 。Q022二、有关结构参数及物性参数：传 热 管为 紫铜 管：外 径 d0 =9.3mm, =0.35mm,机械胀管后尺寸为d0 =10mm ， =0.35mm ， 导 热 系 数 铜 =395W/m· K。翅 片 为 铝 翅片 ： 翅 片 厚为 f =0.15mm ， 翅 片 间 距 e=2.2mm， 导热 系 数 铝 =236W/m · K。蒸 发 盘 管 采 用 正 三 角 形 错 排 ： 管 间 距 S1 =25mm ， 排 间

6、距 S2 = S1 cos300 =25 × cos30 0 =21.65mm 。-26-三、计算蒸发器的几何参数：翻 边 后总 外径 db ：db = d0 +2f =10+2 × 0.15=10.3mm1. 单位管长的参数值：2(S1S24db2 )单 位 管长 肋片 表面 积 ： F f =e；单位管长肋片基管外表 面 积 ： Fb = db (1f e) ； 单位 管长 总 外表 面积 ： Ft = F f + Ft ；单 位 管长 管 内 表 面积 ： Fi = d i （ 按 胀 管后 计 算 ）； 肋 化系 数 ：= Ft ； 净 面Fi比 ； =Am in=

7、(S1db )(S2 f ) 。依 次 代入 相 关数 据得 ：2/m),AfF f =0.4163(mS1SfFb =0.0302(m2 /m)四、确定空气在蒸发器内的状态变化过程：在汽车空调中，送回风温差一般为 1215。本设计中选温差t =13 ， 即 出风 温度 ta 2 =14 ； 选 取相 对 湿 度=85% 。dt a1=271t a2=142wh空 气状 态变 化 过 程 在 h- d 图 上 的 表示由 给 定的 回风 、出 风 参 数 查 湿 空 气 的 h -d 图 得 出 ： h1 =55.6kJ/kg干 空 气 ， h2 =35.3 kJ/kg干 空 气 ，d1 =1

8、1.2g /kg干 空 气 ，d 2 =8.3g /kg干 空 气 。在湿空气的焓湿图上连接空气的进出口状态点 1 和点 2，并延-27-长 与 饱 和 空气 线（100 %）相交 与 W 点 。点 W 的 参 数 是 hw/ =29.2kJ/kg干 空 气 ， tw =10 ， dw =7.6 g /kg 干 空 气 。在蒸发器中空气的平均焓值：/+h1h255.635.3（ kJ/kg 干 空 气 ）hm = hw/=29.2+=43.1ln h1hw55.629.2ln29.2h2hw/35.3在 h -d图 上 按 过 程 线 与 hm =43.1kJ/kg干 空 气的 线 的 交 点

9、 读 得 tm=19.0 ， dm =9.5 g /kg干空气，由此可求得如下的析湿系数：=1+2.46dmdw /=1+2.46 × 9.57.6 =1.52tmtw19.010五、循环空气量的计算：Gda =Q0=18 .1941033.6h255.6=3227(kJ/h)h135.3在进口状态下的空气的比容：1= RaT1 (10.0016d1 ) = 287.4(27327)(1 0.0016 11.2) =0.877PB (10.001d1 )100108(10.001 11.2)（ m 3 /kg ）故空气的体积流量为：Va = Gda1 =1939 × 0.8

10、77=2830（ m 3 /h ）六、计算干工况下空气侧换热系数0 ：1.选取迎面风速f =2.5m/s 。2.最窄截面处空气流动速度maxf =2.54.56 （ m/s ）0.54793. 取沿 空气 流 动方 向的 管排 数 n=44. 沿气流方向的肋片长度 L为：L =n S2 =4 × 21.65 × 10 -3 =0.0866 （ m ）-28-5. 计算 当量 管 径 de f ：def =2(S1db )(ef )2 (25 10.3) ( 2.2 0.15)（ mm ）S1dbe=25=3.5 98f10.3 2.2 0.15t a1ta 2271420.

11、5可查得：6. 由 tam22运 动 粘度 f15.7510 6 m 2 /s,f2.52 10 2 W/m · K7. 计算 雷诺 数 Re f ：Ref =max def4.56 3.598 10315.7510 61042fnLm的适 用 范围 是 Re f =500 10 4Sf0.18 式 子 ：Nu f C Re f()；defdb0.35 ； t f =- 40 40 ； L def =4 50 ； S1db =2 5 ， 上 面 所 得 的 Ref等均满足此条件。所以可以采用此式计算换热系数，即有：n(LmNu f fNu f C Re f)0defdef或 ：C R

12、e f nfL)m0def(def公式中各项系数分别计算为：A =0.518 - 0.02315( L def ) + 0.000455( L def )2 - 3.0 10 6 (L def )将 L def24.07代入上式中，得出： A=0.15C = A(1.360.24 Re f) = 0.15 (1.360.241042) =0.16710001000n =0.455+0.0066(L def ) =0.455+0.0066× 24.07=0.596m =- 0.28+0.08 Re f1000 =- 0.28+0.0810241000=- 0.196C Re f nfL

13、m中得到：将上述各项数值代入式 0def()def-29-0 53.27 （ W/m 2 · K）考虑到错排0 应 有所 放大 ：取 放大 系 数 k =1.1则 ：/k 01.153.2758.60 （ W/m 2· K）08. 当量 换热 系 数 j：/L0.3B1.27式 中 ：BB25db10.3L、 B分别是三角形的长短边距，因管簇按正三角形排列，所以 L1B/1.27L 0.3B =1.27251 0.3 2.554B10.3当量翅高：h/db(/1)(1 0.35ln/)10.32(2.544 1) (1 0.35 ln 2.554)2=10.73mm由此可求

14、出凝露工况下的翅片效率fw ：fw = th(mw h/ )mw h/式 中 ： mw(2 0 )12铝 f铝铝片的导热系数mw (20)1 22 53.271.52 58.58铝f236 0.210 3th(mw h/ )th(58,580.01073)fwmwh/58.580.8860.01073-30-故当量换热系数j ：j =0( fw FfFb ) =F fFb0.8860.41480.02971.52 53.270.4445=72.38 （ W/m 2 · K）七 、 R134a 在 管 内蒸 发时 换热 系数 的 计算 ：与 R134a 在管 内冷 凝 时 的 换 热

15、系数 方 法 相 同 ，在 计 算 R134a 在管内蒸发时的换热系数，也可以利用相同工况下 R12 换热系数的计算 公 式 ， 求 出 结果 后， 再 乘 以 修 正 系 数 （ k =1.33 ） 得到 R134a 在 管内蒸发时的换热系数。由 热 力计 算已 知： R134a的 质 量 流 量 qm =0.1682kg/s=605.52kg /h ，估 计 管 内 表 面 热 流 量 qi =13100W/m2 ； 初 步 取 R134a的 质 量 流 速 m=250kg /m 2 ·s，则 R134a 的 总流 通面 积 为 ：Aqm605.526.75 10 4m25036

16、00（ m 2 ）每 根 管子 的有 效流 通 截面 为： Aidi240.009326.7910 5（ m 2 ）4故蒸发器的分路数为：ZA6.7510 49.93Ai6.7910 5取 Z10 ； 则 每 一 分 路 R134a的 流 量 为： Gdqm0.016823600 Z（ kg /s ）在 t 00，按制冷剂为 R12 时，查得 B1.85于是按计算 R12管内蒸发时换热系数的公式有：iBGd0.2qi0.61.85 0.016820.2 qi0.68.6qi0.6di0.00930.6对 上 述结 果乘 以修 正 系数 k1.33， 则 得 R134a 在 管 内 蒸发 时 的

17、换热系数：-31-/ki1.33 8.6q 0.611.44q 0.6iii八 、 传热 系数 K 0 及 传 热 温 差tm 的 计 算 ：由 于 R134a 与 润滑 油 相互 溶 解 ，可 忽 略 管 内 污 垢 。 设 翅片 侧污垢热阻、管壁导热热阻和翅片与管壁之间接触热阻之和为 4×10 - 3 m 2 · K/W ， 则 总 的传 热系 数 K 0 为 ：K 0111Ftrw rsFi ri114.740.00410.01728 1.288di FiFmj11.44qi0.672.38qi0.6如 果 不 计 R13 4a 流 动 阻 力 对 蒸 发 温 度 的

18、 影 响 ， 则 传 热 温 差 为 ：ta1ta 227.0 14.019.79（ ）t mln 27.0ln t a1t00t a2t014.00九、单位热流量及蒸发器结构尺寸的确定：由 以 上计 算结 果可 得 ： q0K 0 tm19.791.2880.01782qi 0.6或 ：qiq015.3419.791051.2885.87440.00.017820.60.6qiqi用 试 凑法 解上 式可 得 qi 13139W/m2,与原假设值很接近，故不需qi 13139856.5 （ W/m 2 ）要 再 重 新 计算 。 q015.34从而可求得所需要的换热面积：Q018.194 1

19、0001.382 ）Fi13139（ mqiQ018.194100021.24（ m 2 ）F0856.5q0据此可以确定蒸发器的结构尺寸。所需传热管总长：F021.2447.57（ m ）lt0.4465Ft-32-迎 风 面 积 ： AfV28300.314 （ m 2 ）f2.5 3600取 蒸 发器 长 A =724mm ，高 B=250mm ， 则：Af0.181（ m 2 ）（ 实 际 迎 风面 积 ）已选管间距 S1B25025 mm ， 故 每 排 管 子 数 为 ： n110S125深度方向计 4排，共可布置 40 根传热管，其总长为：Lt/0.72441028.96 （ m

20、 ）它大于计算值，约有 5%的裕度。十、计算管内换热系数i 和传 热系 数 K 0 ：由上面计算可知：i11.44qi0.611.4413139 0. 63385 W/(m2·K)传热系数K0：K 01145.1 W/(m2· K)0.017821.2880.017821.288qi0.613139 0.6十一、管内流动阻力及其对传热温差的影响的计算：R134a 在管 内 蒸 发 时 的 质量 流速m 为：4Gd40.01682247.74 kg /(m2· s)m0.00932di 2按 设 计值 Fi/28.960.0292 0.847(m 2 )/Q018.

21、194103(W/m2 )qiFi/0.84721480由于沸腾准则数： K/4qi9.814 2148038019.81dim0.0093247.74雷 诺 准则 数：Remdi247.740.00938408.6（ 按 t00查 得 ）0.24710 3于 是 ：摩擦 阻 力 系 数 ： f0.037( K / )0 .250.037( 2284.57) 0.250.02671Re8408.6-33-由图 2-1可知，从 3/点到 4点是等焓节流过程，因而有h3/h4275(kJ/kg)。可 查 得 0 时 ，h1/200(KJ/kg)，h1/397.22 (KJ/kg) 。所 以 ，制

22、冷剂 节流 后 进入 蒸发 器的 干 度 x1 为 ：x1h3/h/275200h1/h1/397.220.38200出 口 干度 x21.0 ， 则平 均 干 度 x(x1x2 ) 0.381.00.6922由 t 0 0 ，/0.0077208 ，/0.068891 ，由 x0.69可 得：11x 1/(1x)1/0.690.0688910.310.00772080.04993弯 头 个数 n = Z1=10-1=9，局部阻力系数 11.0，由于弯头半径RS125212.5(mm) ；所 以 摩 擦 阻 力 系 数 ：220.094 R0.09412.50.126di0.0093由 于 每

23、根 管子 长 l0.724 (mm)由下列公式可求出流动阻力的损失f l2(x2x1 )/2Pn( 12 )mdix20.026719(10.126)2(10.38)0.04993247.7420.3581050.00930.692Pa十二、空气侧的阻力计算：在蒸发器中空气的平均参数：比 容 ：RaTm 1 0.0016dmm1 0.001dmPB287.4(27320.5)(10.00169.5)100108(10.0019.5)0.847 (m 3 /kg)-34-密 度 ：11m1.181 (kg /m 3 )m0.847空气流过单套翅片管簇，在干工况下的阻力可按下式计算得出：P9.81

24、A( L de )(max)1.7df式中： A考虑翅片表面粗糙度的系数，对粗糙的翅片表面 A=0.0113 ；L沿气流方向的翅片长； Pd 9.81 0.0113 86.6 (1.181 4.56)1.7 46.69 Pa 3.598根据析湿系数1.52， 查得系数1.21于 是： PwPd 1.21 46.69 56.49Pa3.4 冷凝器设计计算1. 根据 热力 计 算结 果确 定冷 凝器 的 热负 荷 Qk由 前 面的 热力 计算 结 果可 知， 客车 空 调系 统冷 凝器 热 负 荷 Qk 总=50.4kW（ 制 冷 剂 为 R134a ）。冷 凝 器 由 两 个 相同 的 冷 凝

25、器 并 联组 成，这样每个冷凝器的热负荷为：Qk= Qk总= 50.4 =25.20 （ kW ）222.空气流量的确定设 冷 凝器 的进 口温 度 t 1 =36 ,相 对 湿 度=75% ；冷 凝 器出 口 温度 t 2 =44 , 空 气 在 冷 凝 器 中的 温升 为 8 ，则 空气 流 量 可 由下 式确定 ：Qk（ m 3 /s ）V =C p (t 2t1)式 中 ： C p 和应 为 湿 空 气（ 即 干 空 气 +水 蒸 汽 ）的 数 值 ，具 体 求法如下：-35-根 据 t 2 =44 , t 1 =36 ， 可得 tm = 3644 =40 ， 在 此 温 度下 ，湿2

26、空 气 的 饱 和蒸 汽压 力 Pvs =73.75 × 10 2 Pa ，故 湿 空 气 的 含 湿 量 ：d=622Pvs=622×0.7573.7510 22 =36.4 （ g/kgPvs1.013 1050.7573.75 10P干空气）故干空气的质量成分：X a =11=0.965=10.00110.001d36.4所以，水蒸气的质量成分：X v = 1 - X a =1 - 0.965=0.035已知：干空气的比热C pa =1.005kJ/kg · ； 水 蒸 汽 的 比 热C pv=1.885kJ/kg· ；则 ： 湿 空 气 的 比

27、热 C p 为 ： C p=C pa · X a+ C pv · X v =1.005×0.965+1.885× 0.035=1.036（ kJ/kg · ）湿 空 气 的 气 体 常 数 为 ： R = Ra · X a + Rv · X v=287 × 0.965+461×0.035=293（ J/kg · K）由 =RT2933133）P=1.013105=0.9053 （ m/kg则湿空气的密度为： =1=1=1.1046 （ kg /m 3 ）0.9053于是便可确定冷凝器冷却空气流量

28、 V。Qk=252003 /s)即：V=2.75(mC p (t2t1 )1.1046 1036 ( 44 36)3. 冷凝器型式及结构尺寸初步规划（ 1）冷凝器采用管片式结构。制冷剂在管内流动，管外套有铝质肋片、空气掠过管外带走制冷剂放出的热量，达到制冷的目的，-36-其主要参数为：传 热 管为 紫铜 管：外 径 d0 =9.3mm,=0.35mm,机 械 胀 管 后 尺 寸 为d0 =10mm ，=0.35mm ， 导 热 系 数铜 =395W/m · K。传 热 片 为 平铝 片 ： 翅 片厚 为f =0.15mm ， 翅 片 间 距 e =2.2mm ，导 热 系 数铝 =2

29、04W/m· K。（ 2 ）采 用 正 三 角 形 错 排 ：管 间 距 S1 =25mm ，排 间距 S2 = S1 cos300=25 ×fcos300 =21.65mm ， 沿 空气 流动 方向 管簇 设 为 3 排 。 选 择 迎面 风 速 为f =6m/s。表 3-2主要结构尺寸参数表参翻 边总肋内肋片面积基管面积数后总外径传热 面化系 表面积m 2 /mm 2 /m积 m 2 /mm2 /m据mm数Ff =db =Fb =FtFm2(S1S2db2 )db (1 f e)= F f + Ft=Ft= dmd0 +2 f4Fie10.30.41630.03020.

30、10.44655.280308（3）求空气侧换热系数0及肋片效率净 面 比： Am = Am in = ( S1db )( S2 f ) ；最 窄 流 通 截 面空 气 流 速 max =AfS1Sff；Amdef = 2( S1db )(ef ) ； Re f =max def 。S1db e ff-37-依 次 代 入 式 中 各 参数 值 得 ：Am =0.5479 ， max =10.95(m/s)，de f =3.598（ mm ）取 m =3 排 ， L =3 S1 cos300 =3 × 25 × cos300 =64.95 （ mm ）L= 64.95 =1

31、8.05def3.598Nu f = C Refn (L de )mf定性温度为空气进出口平均温度，定性尺寸为当量直径，上式中有关参数为：C = A(1.360.24 Re f )1000A=0.518 - 0.02315 (L de f ) + 0.000455(L def )2 - 3.010 6 ( L def )将 L =18.05 代 入上 式 ，得 A=0.329 de fC = A(1.360.24 Re f(1.360.242323) = 0.329) =0.1010001000n =0.455+0.0066(L def ) =0.455+0.0066× 18.05=

32、0.569m =- 0.28+0.0823230.08 Re f 1000 =-0.28+1000=- 0.094Nu f = 0 def = C Re fn ( L def )mf对于叉排管束，修正系数为 1.10 1.2 1.1C Re f ( L def )mf ， 代 入 数值 ，得 0 109.35def(W/m2· )（ 4）翅片效率：对于叉排管束：BS125；/1.063 2.64；h/db(/1)(1 0.35ln/)dbdb2.487210.3-38-10.3(2.641)(10.35ln 2.64)11.32 ； m2 0 =2109.35=2铝 f2040.00

33、01584.75mh/ = 84.750.011320.9594 翅片效率fth( mh/ ) = 0.7432 =0.77mh/0.9594表面效率F f(1 f )0.4163(1 0.655)0.79s11Ft0.4465（5）求管内侧冷凝换热系数i ：由于对 R12的管内冷凝放热已有较为成熟的公式可供使用，对于 R134a 的冷 凝 放 热虽 然 目 前 国 内 外已 经 开 展 了 广 泛 的 研 究 ， 但真正实用的公式并不多见。比较简单可行的方法是以 R12 的计算公式为 基 础 进 行计 算，然 后乘 以一 个修 正 系数 ，即得 R134a 的 计 算结 果 。对管内沸腾放热

34、系数的计算也可采用上述方法进行。a. 采 用 R12 时 管 内 冷 凝 放热 系 数 的 计 算R12在管内凝结放热根据下式计算：Nu mC (GaK Pr)n m氟利昂蒸汽在空冷冷凝器管内冷凝时一般处于液态层流层，此方程式可改为：i0.683rs1 4 B(tktw)1 4 d 1 4mi式 中 ： rs1 4 , Bm 均 为 物 性 参 数 ， t w 为 管 道 壁 温 。5060=55，由此查得：假 设 tw =50 ， 定 性 温 度 为 ： tm =2rs1 467.055， Bm =18.574.i 0.683rs14Bm (tkt w ) 1 4 di1 40.68367.

35、05518.5740.0093 1 4 (tkt w ) 1 42379(tk tw ) 1 4-39-忽略铜管热阻，由于管内外换热量应相等，故有：i ·di · (t ktw ) =i ·0 · Ft · (t ktam )式 中 ： tam 空 气 进 出 口 平 均 温 度； 其 余 符 号 意 义同 前 。2379 × 3.14 × 0.0093 × (tktw )0.75 = 0.79 × 109.35 × 0.4465×(tktam )解 之 ：t w =50.5 ， 与

36、假 设 相 近 ， 不再 重 新 计 算 i =2739 × (60 48.1) 1 4 =1524.8 （ W/m 2 · ）b. R134a 管 内 冷 凝 放 热系 数的 计算 由 上面 的讨 论可 知 ，当 制冷剂 为 R134a 时 ，管 内冷 凝 换 热 系 数i 为 ：i =1.3 × 1524.8=1982.24（ W/m 2· ）（6）求传热系数 K在 汽 车空 调中 ，冷 凝 器 管 外污 垢接 触 热 阻 可取 r0 =0.0002m 2 ·/W ， 忽 略 管 内 污 垢 热 阻， 即 ri0K1( 1ri ) Ftt

37、Ft1r0iFi铜 Fmf010.002 (10) 0.44650.000350.446510.791982.240.03023950.03078109.3551.95 （ W/m 2 · K）（7）传热温差t mt a2ta1=819.73tkt a16036lnt a2ln44tk60（8）传热面积为：FQk25.2010324.59 （ m 2 ）K tm51.9519.73-40-F24.59 所 需总 管长 ： Lt55.1 （ m ）Ft0.4465（9）冷凝器结构：取冷凝器垂直于气流方向上管子数为 16 根，沿气流方向上管排数为 3 排，因而每根管长为：l55.1（ m

38、 ）161.1473冷凝器宽为B 16250.4 m, 深 C3 21.65 64.95 mm ， 考虑 到 气流的不均匀因素， 设计 时 ， 留 一定 的裕 量 ，取 管 长 为 0.72m 。迎风面积为 ： 0.72× 0.4=0.288 （ m 2 ）实际风速为：Vf2.759.5486 （ m/s ）Af与原来的假设值0.288f9 m/s 很 接 近 ， 故 不需 重 新 计 算 。（10）空气横掠整个套片错排管簇时，沿程阻力可由下式计算：P 1.2 9.81 A( L def ) · ( max )1. 7式中：1.2为错排的修正系数，对于粗糙翅片， A 0.0113 P =1.2 × 9.81 × 0.011