毕业设计（论文）-奥迪A6型轿车空调系统设计

AUTHORlidonliang FILENAME奥迪A6型轿车空调系统设计 -PAGE3-奥迪A6型轿车空调系统设计摘要本设计是为奥笛A6这款轿车配备空调系统，由于对车内温度精度的要求较高，为了减少噪音，选择了涡旋压缩机，冷凝器采用最新的换热效果更好的平流式冷凝器，这样就减少了换热面积，使整个空调系统显得更加的紧凑，蒸发器采用的是翅片管式结构，用coot节流管节流，由于其没有运动部件，减少了噪音。通过对空调系统各个主要部件的选配，达到系统的优化，提高了系统的性能。关键词空调系统平流式冷凝器涡旋压缩机翅片管蒸发器AbstractTheair-conditioningsystemisdesignedforthecaroftypeAUDIA6.Thescrollcompressorischoseninordertoreducenoises,onlyinthiswaycanwemeetthehigh-qualityrequirements.Anewtypeofcondenser,theparallelcondenserwhichisexcellentinheat-exchangingisusedtomakethewholesystemseemmoresmall.Thealar-pipeevaporatorandcootisused.Noisescanbereducedbecausetheccothasfewermotionparts.Inthisdesign,throughchoosingthemainpartsoftheair-conditioningsystem,thesystemhasbeenoptimized.Keywordsair-conditioningsystemtheparallelcondenserscrollcompressoralar-pipeevaporator1引言空气调节，广义的讨论即是一年四季保持室内的空气温度、湿度、空气流速、洁净度、噪声以及余压等在热舒适的标准范围的技术。空气调节可分为生产工艺性的空气调节和舒适性的空气调节。无疑，汽车空调是舒适性的空气调节。汽车空调是空气调节工程的一个重要分支。它是对汽车车室内或驾驶室内空气的质量和数量，为了达到热舒适的标准而进行调节的装置。汽车空调的普及，不仅仅是人们生活水平提高及豪华的标志，而且是提高汽车竞争能力的重要手段之一。随着汽车工业的发展和人民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。汽车工业是支柱产业，发展汽车工业的同时，如不顾及汽车空调的开发、研究，那么我国汽车工业将缺乏竞争力。汽车空调装置，比普通空调装置使用的条件要苛刻的多。汽车室外气候环境变化急剧，变化幅度又大；车室的空间是有限的狭小容积，因此乘员占空间比大；尤其是汽车行使速度的变化是偶然的，车速变化引起压缩机主轴速度的变化，这种偶然性使空调系统变工况运行中更加复杂和难以控制。根据汽车空调的特点，要求空调装置具有快速制冷和低速空调性能。我国现有主要汽车空调生产厂家20多家，其中绝大部分是引进国外技术生产线和生产设备，还有一些是中外合资企业，国内汽车空调技术的研究和开发与国外的差距正在逐渐减小。当前，从市场需求方面看，汽车空调装置应进一步降低成本，提高燃油经济性；从车身制造方面看，随着车厢地板的降低以及车辆向大型化、高级化发展、需进一步提高汽车空调各组成装置的紧凑性和效率；从乘客和驾驶员方面看，车内温度要合理分布，设备操作要简便，空调装置应向全季型发展。早期的汽车空调系统，其进出风系统冷气系统和暖气系统彼此间相互独立，因而它们的控制系统也自成一体，且汽车空调都是手动控制，仅凭人的感觉来调节开关，因而温度、湿度及风量很难控制。近年来，随着电子计算机的普及并逐步应用到汽车空调系统，使得空调系统的控制效果日趋完善，空调设备的性能也越来越高。运用这种空调系统能进行全天候的空气调节，集制冷、采暖、通风于一体，在人为设定的最佳温度、湿度及风量下，该系统可根据车室内人员数量及其他情况的变化进行多档位、多模式的微调，从而达到设定的最佳值，使车内始终保持舒适的人工气候环境。同时还可以进行故障自动诊断和数字显示，缩短检修和准备时间。要进一步降低空调装置的重量和外形尺寸，必须提高各组成部分的结构紧凑性和效率。为此各国正致力于改进各部件的结构，完善各个部件的制造工艺，改进空调装置的布局，提高空调装置的性能。在压缩机方面，以往的空调系统多采用斜盘压缩机，这种压缩机制冷能力相对较低，性能系数和容积效率也相对较小。为了提高压缩机性能，现已开发使用了制冷效率高的涡旋式压缩机。在冷凝器和蒸发器方面，管片式换热器已逐渐被管带式换热器取代，而目前散热性能更佳、结构更为紧凑的平行流冷凝器和层叠式蒸发器又有取代管带式换热器的趋势。在制冷管路方面，进行优化设计使管路结构更为合理，并在管路上安装和装配防振橡胶块以防共振等。轿车空调一般采取的是直连式驱动，其基本结构形式如图：本设计选择的是奥笛A6型的轿车，拟从这款车的尺寸、隔热材料、通风等方面严格计算其热负荷。在此基础上，确定制冷量并选择压缩机、设计两器和其他辅助设备。2冷负荷计算汽车空调室内，维持一定温度的空气参数的舒适环境，在内外热扰量的作用下，即某一时刻进入车室内的热量称为在该时刻内的得热量。汽车空调室内的得热量，主要由太阳辐射热量、室内外温差引起的经车身壳体、隔层等传入的热量、人体散热量、车内和发动机等设备散发出热量、以及门窗缝隙、密封不严、换气通风等传入的热量而构成的。为了消除室内多余热量以维持温度恒定所需要向室内供应的冷量，称为冷负荷。下面就来计算轿车在夏季工况下的冷负荷。2.1轿车的面积参数所选车的长是4.888m，宽1.863m，高1.475m通过实地测量可以得出车顶，车侧壁，发动机室，车底，车窗，行李箱的面积如下：A顶=1.15×2.82m2=3.243m2A侧=3.088×1.175×2m2=7.2568m2A发动机=1.28×1.18m2=1.5104m2A底=1.863×4.888-A发动机=7.5959m2A侧窗=0.30/2×（2.82+3.088）×2m2=1.7724m2A前后玻璃=1.863×0.60×2m2=2.2356m2A窗=A侧窗+A前后玻璃=（1.7724+2.2356）m2=4.008m2A行李箱=2.840m22.2制冷系统的设计参数车的颜色是黑色，所以取吸收系数为0.9，车内设计温度为25℃相对湿度为55％，空气流速为0.3m/s，新鲜空气量30m2/（小时.人）车外设计温度为35℃,相对湿度为60％，太阳直射辐射强度车顶IG=1000w/m2,车侧IG=133.5w/m2太阳散射强度IS=40w/m2车窗玻璃是反射的黑色玻璃吸收系数是0.27,白色窗帘的透射率是0.45,所以总的系数S=0.27×0.45=0.12152.3轿车的各个部分的热负荷计算空调车室的壁面一般由外板、隔热层、内饰板组成，车身壁可以认为是均匀壁面，故可以按大平板传热模型计算。2.3.1辐射及太阳照射的得热量QT太阳照射得热，由于车身表面照射得热后温度升高，温差作用下传递到车室，因此可将太阳辐射强度化成相当的温度形式，与室外空气温度叠加在一起，组成太阳照射表面的综合温度tC。用这一综合温度表示外界条件来进行围护结构传热计算是一个通用方法。一般采用以下公式计算Q=KA(tC-ti)这里取K=4.67w/(m2.k)取车速为40km/h,则车的外表面的对流系数αo=1.163×（2+10根号v）×4.18/3.6=1.163×（2+10根号40/3.6）×4.18/3.6w/(m2.k)=47.71w/(m2.k)对车顶而言tC顶=ε（IG+IS）/αo+to=0.9×(1000+40)/47.71+35=54.62℃对车侧而言tC侧=0.9×(133.5+40)/47.71+35=38.3℃对车底而言tC底=to+2=37℃所以各个部分的得热量分别为Q顶=KA顶(tC顶-ti)=4.67×3.243×(54.62-25)w=448.6wQ侧=KA侧(tC侧-ti)=4.67×7.2568×（38.3-25）w=451wQ底=KA底(tC底-ti)=4.67×7.5959×（37-25）w=425.7wQ行李箱=KA行李箱(tC行李箱-ti)=4.67×2.84×（54.62-25）w=392.8w2.3.2玻璃窗渗入热量Qb太阳辐射通过玻璃窗时，可简化为一部分被玻璃吸收，从而提高玻璃本身温度，然后通过温差传热将热量传入室内，还有大部分辐射热将通过玻璃直接射入室内。因此，玻璃窗的渗入热量是由温差传热和辐射传热两部分组成，其表达式为Qb=AbK(tb-ti)+CAqbu=QG1+QG2式中：Ab为玻璃窗面积，m2K为玻璃窗的传热系数，w/(m2.k)；tb为玻璃温度，取室外温度，℃；ti为车室内温度，℃；C为玻璃窗的遮阳系数；U为非单层玻璃校正系数； qb为通过单层玻璃的太阳系辐射强度， qb=τGIG+τsIS,w/m2 式中τG为透过窗户的太阳直射的透射率，％；τs为透过窗户天空散射的透射率，％。用反射玻璃，白色窗帘，则可得S=0.27×0.45=0.1215u=F′玻璃

I+(F玻璃-F′玻璃)IS=2.004×133.5+(4.008-2.004)×40=347.7QG2=(ηu+ραi/αou)S=[0.84×347.7+0.08×8.71/47.71×347.7]×0.1215=36.1wQG1=K玻璃F玻璃(to-ti)=5.5×4.008×(35-25)w=220.44w所以，总的玻璃渗入热为Qb=QG1+QG2=36.1+220.44=256.54w2.3.3人体散热人体散热与性别、年龄、衣着、劳动强度以及环境条件等多种因素有关。在人体散热的热量中，对流成分占20﹪，辐射成分占40﹪，其余40﹪则为潜热。潜热、对流热量、辐射热可认为是瞬时冷负荷。从性别上看，女子总散热量约为男子的85﹪，儿童则约为75﹪。既然人体散热与性别、年龄有关，则在人员群集的场所就有不同比例的成年男子、女子、儿童数量。为了计算的方便，可以成年男子为基础，乘以考虑了各类人员组成比例的系数，称群集系数。于是人体散热可写成经验公式如下：Qm=QS+116nn′,w式中Qm为车室内人体散热量，w；QS为司机热体散热量，w；QS取170～175w；n为车室内人员数；n′为群集系数，取0.89。式中116是男性成人乘员小时发热量，以w计。Qm=QS+116nn′=172+116×0.89×4=584.76w。2.3.4室外空气热QA室外空气进入车室内主要由两种来源，即新风量和泄漏风量。新风是指满足车室内的一定的卫生标准，按人体呼吸需要量及降低CO2等有害气体浓度时的需要量而输入新鲜空气进入车室内。新鲜空气量还应考虑室内吸烟和除臭气等应增加的量。新鲜空气量也应顾及局部排风和造成室内正压所需的量。空气总引入量必须大于同一室内的抽风量，方能保持室内压力略大于室外压力，避免空气不通过空调装置而直接进入车室，以致影响室内温度和湿度。不保持室内正压，不仅室外空气会渗入车室，而且排出热空气也会通过回风道进入空调装置，增加热负荷。室外空气进入室内，会带进热量，QX=l1ρ(hot-hin),w式中l1按人体卫生标准需要的空气量，l1=nlo取lo为11m3/（人.小时）；n=5ρ为空气密度取为1.2kg/m3hot室外空气焓，hin室内空气焓。所以QX=l1ρ(hot-hin)=11×5×1.2×（90-53）/3.6w=678.3w漏入空气量，即泄漏风量，它是由门缝不严而泄进车室内的。用Ql表示。则Ql=l2ρ((hot-hin),w式中l2为总漏风量，其他参数如前。所以Ql=l2ρ(hot-hin)=9.152×1.2×（90-53）/3.6w=112.85wQA=QX+Ql=678.3+112.85=791.15w2.3.5发动机室传热QEQE=KF(tE-tin)=4.7×1.5104×(55-25)w=213w由于轿车风管很短，所以就不再单独计算，而以仪器、设备、照明等在车室内散热进行估算。2.3.6仪器、设备、照明热Qq仪器、设备、照明等主要是在车室内以散热的形式传热。这类得热不需要按换热公式进行计算，可依据这些热源的额定功率，机器设备的效率，使用周期，负荷系数等因素而确定。根据奥笛A6这款车的实际情况估算的Qq为356w则计算得热量QJ=1.4(Q顶+Q侧+Q底+Q行李箱)+Qb+Qm+QA+QE+Qq=1.3×（448.6+451+425.7+392.8）+256.54+584.76+791.15+213+356=4434.98w取制冷量为4500w。选用较为先进的噪音小的涡旋式压缩机，型号为TRF105,其制冷量为4660w，外壳尺寸为128mm，许用转速r/min：连续min7000，连续max10000，瞬时max12000，转速n=3500r/min。3热力计算3.1工况及状态参数的确定制冷工质为R134a冷凝温度tk=62℃过冷度t0=6℃蒸发温度t0=-1℃过热度10℃制冷工质在系统中的循环图为：1点的状态参数t1=t0=-1℃，p1=p0=0.28Mpa1′点是压缩机吸气点t1′=9℃,p1′=p0=0.28Mpav1′=0.078m3/kg,h1′=409kJ/kg(3)3点的状态参数t3=tk=62℃,p3=pk=1.76Mpa(4)2′点的状态参数p2′=pk=1.76Mpa,h2′=452kJ/kg,t2′=80℃(5)4点的状态参数t4=56℃,p4=pk=1.76Mpa,h4=276kJ/kg3.2单位质量制冷量q0=h1′﹣h4=(409-276)kJ/kg=133kJ/kg3.3单位质量理论功wth=h2′-h1′=（452-409）kJ/kg=43kJ/kg3.4单位容积制冷量qv=q0/v1′=133/0.078kJ/m3=1705.13kJ/m33.5制冷剂循环流量qm=Q0/q0=(4.5×3600)/133kg/h=121.80kg/h3.6指示比功wi=wth/ηi=43/0.8kJ/kg=53.75kJ/kg3.7制冷系数ε0=q0/wth=133/43=3.093,εi=q0/wi=133/53.75=2.473.8冷凝器单位热负荷qk=h2′﹣h4=(452-276)kJ/kg=176kJ/kg3.9压力比εdk=p2′/p1′=1.76/0.28=6.2857h2s=h1+wi=(409+53.75)kJ/kg=462.75kJ/kg4冷凝器设计4.1基本已知量冷凝器换热量Qc=qk×qm=（176×121.8）/3.6w=5954.7w冷凝液有6℃的过冷，已知te=-1℃，tc=62℃时，排气温度td=96℃，空气进风温度ta1=35℃.其中“r”表示制冷剂侧，“a”表示空气侧，下标“1”表示进口，“2”表示出口。取进出口的空气温差为ta2-ta1=12℃，则空气的体积流量qva=Qc/[ρacpa（ta2-ta1）]=5954.7/[1.1378×1.0076×103×12]m3/s=0.519m3/s4.2结构初步规划冷凝器选用平流式结构，多孔扁管截面与百叶窗翅片的结构形式及尺寸如图所示：翅片宽度wF=16mm，翅片高度hF=8.1mm,翅片厚度δF=0.135mm,翅片间距pF=1.4mm,百叶窗间距pL=1.1mm,百叶窗长度lL=6.5mm,百叶窗角度αL=27°,多孔扁管分四个内孔,每个孔高度为2mm,宽度为3.35mm,扁管外壁面高度为3mm,宽度为wT=16mm,分三个流程,扁管数目依次为12,8,5.取迎面风速va=4.5m/s.根据该初步规划可计算下列参数4.2.1每米管长扁管内表面积Ar为Ar=[2×(2+3.35)×10-3]×4m2/m=4.28×10-2m2/m4.2.2每米管长扁管外表面积Aba为Aba=2×(16+2)×10-3m2/m=3.8×10-2m2/m4.2.3每米管长翅片表面积Afa为Afa=（2×8.1×10-3×16×10-3）÷（1.4×0.001）m2/m=0.1851m2/m4.2.4每米管长总外表面积Aa为Aa=Aba+Afa=(3.8×10-2+0.185)m2/m=0.223m2/m4.2.5百叶窗高度hL为hL=0.5×PL×tgαL=(0.5×1.1×tg27°)mm=0.2802mm4.2.6扁管内孔水力直径Dh,r为Dh,r=(4×2×3.35)÷[2×(2+3.35)]mm=2.5047mm4.2.7翅片通道水力直径Dh,a为Dh,a=[2×(1.4-0.135)×(8.1-0.135)]÷[(1.4-0.135)+(8.1-0.135)]mm=2.183mm4.3计算空气侧表面传热系数根据已知条件,最小截面处风速va,max=[4.5×1.4×(8.1+3)]÷[(1.4-0.2802-0.135)×(8.1-0.135)]m/s=8.916m/s按空气进出口温度的平均值tm=(ta1+ta2)/2=(35+47)/2℃=41℃查取空气密度为ρ=1.1025kg/m3,动力粘度μ=19.2×10-6kg/(m.s),热导率λ=2.78×10-2w/(m.k),普朗特数Pr=0.699,并计算得出雷诺数Re,传热因子j,努塞尔数Nμ,及空气侧表面传热系数αa如下:Rea=ρva,maxPL/μ=(1.025×8.916×1.1×10-3)/(19.2×10-6)=563J=0.249×563-0.42×0.28020.33×(6.5/8.1)1.1×8.10.26=1.548×10-2Nμ=jReaPr1/3=0.01548×563×0.6991/3=7.735αa=Nμλ/PL=(7.735×2.78×10-2)/(1.1×10-3)=142.5w/(m2.k)4.4计算制冷剂侧表面传热系数根据tc=62℃查R134a饱和状态下的热力性质表和热物性图,可以求得:液态制冷剂的密度ρ1=1044.2kg/m3,气态制冷剂的密度ρv=92.32kg/m3液态制冷剂的动力粘度μ1=135.35×10-6kg/(m.s)液态制冷剂的热导率λ1=66.64×10-3w/(m.k),液态制冷剂的Pr=3.3325在冷凝器中,由于制冷剂进口过热而出口过冷,因此计算制冷剂当量质量流量时,取其平均干度χ=0.5,于是当量制冷剂质量流量qmr,eq为qmr,eq=[(1-0.5)+0.5×1044.2/92.32]0.5×0.056243=0.1395kg/s4.4.1第一流程的参数计算单一内孔当量制冷剂质量流量q′mr,eq=qmr,eq/(4×12)=0.1395/48=2.906×10-3kg/sReq,r=[q′mr,eq/(π/4×Dhr2)]Dhr/μl=4q′mr,eq/（πDhrμl）=（4×2.906×10-3）/（π×2.5047×10-3×135.35×10-6）=10914.2Nμ=0.0265Req,r0.8Pr，l0.333=0.0265×10914.20.8×3.33250.333=67.255制冷剂侧的传热系数为αr=NμλL/Dhr=(67.255×66.64×10-3)/(2.5047×10-3)=1789.4w/(m2.k)4.4.2第二流程的参数计算当量制冷剂质量流量q′mr,eq=qmr,eq/(4×8)=0.1395/32=4.359×10-3kg/sReq,r=[q′mr,eq/(π/4×Dhr2)]Dhr/μl=4q′mr,eq/（πDhrμl）=（4×4.359×10-3）/（π×2.5047×10-3×135.35×10-6）=16371Nμ=0.0265Req,r0.8Pr，l0.333=0.0265×163710.8×3.33250.333=93.02制冷剂侧的传热系数为αr=NμλL/Dhr=(93.02×66.64×10-3)/(2.5047×10-3)=2475w/(m2.k)4.4.3第三流程的参数计算当量制冷剂质量流量q′mr,eq=qmr,eq/(4×5)=0.1395/20=6.975×10-3kg/sReq,r=[q′mr,eq/(π/4×Dhr2)]Dhr/μl=4q′mr,eq/（πDhrμl）=（4×6.975×10-3）/（π×2.5047×10-3×135.35×10-6）=26196Nμ=0.0265Req,r0.8Pr，l0.333=0.0265×261960.8×3.33250.333=135.49制冷剂侧的传热系数为αr=NμλL/Dhr=(135.49×66.64×10-3)/(2.5047×10-3)=3605w/(m2.k)4.4.4由于制冷剂侧三个流程的表面传热系数不同，传热面积也不同，因此应按面积百分比计算平均值αm=（1789.4×12×10-3+2475×8×10-3+3605×5×10-3）/[（12+8+5）×10-3]=2372w/(m2.k)4.4.5忽略管壁及接触热阻，忽略制冷剂侧污垢热阻，并取空气侧的污垢热阻ra=0.0003m2.k/w则k=1/[（Aa/Ar）/αr+ra+1/αa]=1/[(0.2231/0.428)/2372+0.0003+1/142.5=132.7w/(m2.k)对数平均温差Δtm=（ta2-ta1）/㏑[（tc-ta1）/（tc-ta2）]=12/㏑[（62-35）/（62-47）]=20.42℃所需传热面积（以外表面为准）Ao=Qc/（kΔtm）=5954.7/（20.42×132.7）=2.198m2所需扁管长度L=Ao/(25Aa)=2.198/(0.2231×25)=0.394m取L=0.400m4.5校核空气流量按迎风面积和迎风风速计算体积流量qv，aqv，a=va(3+8.1)×10-3×25L=4.5×11.1×10-3×25×0.4=0.4995相对误差为3.75℅，不再重算。4.6计算空气侧阻力损失F=5.47Re，pl-0.72hL0.37（lL/hF）0.89PL0.2hF0.23=5.47×563-0.72×0.28020.37×（6.5/8.1）0.89×1.10.2×8.10.23=48.4524×10-3则空气侧阻力损失ΔPa=（4FWF/Dha）ρav2a，max=（45×48.4524×10-3×0.016）/（2.183×10-3）×1.1025×8.9162Pa=124.5Pa冷凝器的扁管长为400mm，而高则为（hF+3）×24+3=269.4mm5蒸发器设计车内的空气，由于乘客的呼吸，增加了CO2的含量和水蒸汽的含量。同时，由于吸烟等原因也污染了空气。为了乘员的健康和舒适，车内的空气要符合一定的卫生标准。因此必须从车外引入新鲜空气以代替车内的空气。这里按10％进行计算。因室外温度是35℃，相对湿度是60％，室内温度是25℃，相对湿度是55％，新风与回风混合后，由杠杆定律得：(tC-tN)/(tW-tN)=10％可得tC=26℃相对湿度经计算为55.5％。所以蒸发器进口温度是26℃，相对湿度是55.5％，而出口温度是12℃，相对湿度是90％。管内R134a的蒸发温度是-1℃。当地大气压为PB=101.32Kpa，蒸发器制冷量为4500w，压缩机的润滑油用聚酯油。5.1 定蒸发器的结构参数选用Φ10mm×0.35mm的紫铜管，翅片选用δf=0.2mm的铝套片，翅片间距Sf=2.2mm.按正三角形叉排排列，垂直于流动方向管间距S1=25mm,沿流动方向管排数nL=6,迎面风速2.5m/s。其布置如图：5.2计算几何参数翅片为平直套片，考虑套片后的管径为db=Do+2δf=(10+2×0.2)mm=10.4mm沿气流流动方向的管间距为S2=S1cos30°=25×0.866mm=21.65mm沿气流方向套片的长度L=4S2=4×21.65=86.6mm每米管长翅片的外表面积af=2(S1S2-π2db/4)×1000/Sf=2[25×21.65-3.1416×10.42/4]×1000/2.2m2/m=0.4148m2/m每米管长翅片间的管子表面积ab=πdb(Sf-δf)×1000/Sf=3.1416×10.4×(2.2-0.2)×1000/2.2m2/m=0.0297m2/m每米管长总外表面积aof=af+ab=(0.4148+0.0297)m2/m=0.4445m2/m每米管长外表面积abo=πdb×1=π×(0.0104)×1m2/m=0.03267m2/m每米管长内表面积ai=πdi×1=π×(0.0086)×1m2/m=0.02702m2/m每米管长平均直径处的表面积am=πdm×1=π×[(0.0104+0.0086)/2]m2/m=0.029845m2/m由以上计算可得aof/abo=0.4445/0.03267=13.6065.3 计算空气侧的干表面传热系数5.3.1空气进口温度的确定由于蒸发器进口温度是26℃，相对湿度是55.5％，而出口温度是12℃，相对湿度是90％。所以进出口空气的平均温度是tm=(ta1+ta2)/2=(26+12)/2=19℃。空气在19℃下的物性如下：ρf=1.2045kg/m3,CPf=1.005kJ/(kg.k),Prf=0.7130,rf=15.11×10-6m2/s5.3.2最窄截面处空气流速wmax=wfs1sf/(s1-db)(sf-δf)=2.5×25×2.2/(25-10.4)×(2.2-0.2)m/s=4.7m/s5.3.3干表面传热系数干表面传热系数α4=0.0014+0.2618（wmaxdb/νf）-0.4(aof/abo)-0.15=0. 0014+0.2618×[4.7×0.0104/(15.11×10-6)]-0.4×(13.606)-0.15=0.00838αo=α4ρfwmaxCPf/(Prf)0.67=0.00838×1.2045×4.7×1005/(0.7130)0.67=59.74w/(m2.k)5.3.4确定空气在蒸发器内的变化过程根据给定的空气进出口温度由湿空气的h-d图，可得h1=56.1kJ/kg,h2=32.1kJ/kg,d1=11.6g/kg,d2=7.8g/kg.在图中连接空气的进出口状态点1、2，并延长与饱和空气线（φ=100％）相交于w点，该点的参数是hw″=27.5kJ/kg,tw=9℃,dw″=7.4g/kg在蒸发器中空气的平均比焓为hm=hw″+(h1-h2)/㏑[(h1-hw″)/(h2-hw″)]=27.5+(56.1-32.1)/㏑[(56.1-27.5)/(32.1-27.5)]=40.6kJ/kg.在h-d图上按过程线与hm=40.6kJ/kg线的交点读得tm=17.5℃，dm=9.2g/kg，则析湿系数可由下式确定：ζ=1+2.46(dm-dw″)/(tm-tw)=1+2.46×(9.2-7.4)/(17.5-9)=1.525.3.5循环空气量的计算25℃时的空气参数为：h1′=53.1kJ/kg,d1′=11.1g/kgqm,da=Qo/(h1′-h2)=4.5×3600/(53.1-32.1)kg/h=771.4kg/h进口状态下干空气的比体积可由下式确定：v1=RaT1(1+0.0016d1)/PB=287.4×(273+26)×(1+0.0016×11.6)/101320=0.864m3/kg故循环空气的体积流量为qv,a=qm,dav1=771.4×0.864m3/h=666.5m3/h5.3.6空气侧当量表面传热系数的计算叉排时翅片的长对边距离和短对边距离之比A/B=1,且ρm=B/db=25/10.4故ρ′=1.27ρm根号下（A/B-0.3）=1.27×25/10.4根号下（1-0.3）=2.554肋片折合高度为h′=db/2(ρ′-1)(1+0.35㏑ρ′)=10.4/2×(2.554-1)×(1+0.35㏑2.554)mm=10.733mmm=根号下（2αoζ/λfδf）=根号下（2×59.74×1.52/(7×0.2×10-3)=61.90故在凝露工况下的翅片效率为ηf=th(mh′)/(mh′)=th(61.90×0.01073)/(61.90×0.01073)=0.58013/0.664=0.8737当量表面传热系数为αj=ζαo[(ηfaf+ab)/(af+ab)]=1.52×59.74×[(0.8737×0.4148+0.0297)/(0.4445)]=80.10w/(m2.k)5.4管内R134a蒸发时表面传热系数的计算5.4.1R134a在to=-1℃时的物性如下：饱和液体比定压热容：CPL=1.33kJ/(kg.k)饱和蒸汽比定压热容：CPg=0.89kJ/(kg.k)饱和液体密度：ρL=1288.8kg/m3饱和气体密度：ρg=14.94kg/m3饱和压力：PS=304.4kPa表面张力：σ=11.56×10-3N/m汽化潜热：r=197.958kJ/kg5.4.2R134a在管内蒸发的表面传热系数的计算已知R134a进入蒸发器时的干度为x1=0.16，出口干度为x2=1.0，则R134a的总质量流量为：Gr=Qo/[r(x2-x1)]=4.5×3600/[197.958×(1.0-0.16)kg/h=97.42kg/h取R134a在管内的质量流速g=100kg/(m2.s),则R134a的总通流面积A=Gr/g=97.42/(100×3600)m2=2.7061×10-4m2每根管子的有效通流面积Ai=π/4di2=3.1416/4×0.00862m2=5.81×10-5m2蒸发器的分路数Z=A/Ai=2.7061×10-4/(5.81×10-5)=4.66考虑到蒸发器有10℃的过热，所以取Z=6根。每一分路中R134a的质量流量为Gd=Gr/(3600Z)=97.42/(3600×6)kg/s=0.004510kg/sgm=Gd×3600=16.2kg/hgi=gm/(3600×Ai)=16.20/(3600×5.81×10-5)kg/(m2.s)=77.63kg/(m2.s)取B=1.382于是R134a在管内蒸发时的换热系数为αi=BGd0.2qi0.6/di0.6=1.382×0.0045100.2×qi0.6/0.00860.6=8.140qi0.65.4.3传热温差的初步计算暂时先不计R134a的阻力对蒸发的影响，则有：θm′=(ta1-ta2)/㏑[(ta1-to)/(ta2-to)]=(26-12)/㏑(27/13)℃=19.2℃5.4.4传热系数的计算由于R134a与聚酯油能互溶，故管内污垢热阻可忽略，据文献介绍翅片侧污垢热阻，管壁导热热阻及翅片与管壁间接触热阻之和（rw+rs+atrt/am）可取为4.8×10-3（m2.k）/w,故Ko=1/[afo/(ηiabo)+(rw+rs+atrt/am)+1/αj]=1/[13.606/(8.140qi0.6)+4.8×10-3+1/80.10]=1/[1.6715/qi0.6+0.01728]5.5核算qiqo=Koθm′=19.2/[1.6715/qi0.6+0.01728]qi=βqo=13.606qo所以qi=19.2×13.606/[1.6715/qi0.6+0.01728]=261.2352/[1.6715/qi0.6+0.01728]应用迭代法编制计算机程序可得qi=11102.38w/m2所以qo=qi/β=11102.38/13.606w/m2=816w/m25.6蒸发器结构尺寸传热面积Ai′=Qo/qi=4500/11102.38m2=0.41m2Ao′=Qo/qo=4500/816m2=5.51m2蒸发器所需传热管总长lt′=Ao′/aof=5.51/0.4445m=12.40m迎风面积Af=qv,a/wf=666.5/(2.5×3600)m2=0.0741m2取蒸发器宽为B=400mm,高H=200mm,实际迎风面积为Af=0.4×0.2m2=0.008m2已选定垂直于气流方向的管间距为S1=25mm,故垂直于气流方向的每排管子数为n1=H/S1=200/25=8深度方向（沿气流方向）为6排，共布置48根传热管，传热管的实际总长度为lt=0.4×8×6m=19.2m传热管的实际内表面积为Ai=8×4×πdi×0.4=12.8×π×0.0086m2=0.5187m2所以Ai/Ai′=0.5187/0.41=1.265lt/lt′=19.2/12.4=1.548可见，面积有26.5％的裕度，长度有54.8％的裕度。考虑到上述计算没有考虑制冷剂蒸汽出口过热度的影响，当蒸汽在管内过热时，过热段的局部表面传热系数很低，所以，上述计算是合适的。5.7R134a的流动阻力极其对传热温差的影响实验证明：R134a在管内的流动阻力比R12要高出10％，R12在管内蒸发时的流动阻力可按下式计算：ΔPR12=5.986×10-5×(qigi)0.91×l/di=5.986×10-5×(11102.38×77.63)0.91×0.4×6/0.0086KPa=4.21KPa所以ΔPR134a=ΔPR12×1.1=4.21×1.1=4.63KPa由于R134a在-1℃时的饱和压力为282.37KPa，故流动阻力损失仅占饱和压力的1.64％，因此，流动阻力引起的蒸发温度的变化可以忽略不计。5.8空气侧的阻力计算At/Ac,t=πDo/(25-10)=3.1416×10/15=2.1Red=wmaxDo/υf=4.7×0.010/(15.11×10-6)=3110,PT/PL=S1/S2=25/21.65=1.155,X=1.0,PT=S1/Do=25/10=2.5,由PT及Red查得ft,z≈0.4，于是ft=ft,zN×Ac,t/At=0.4×6×1×1/2.1=1.143又：ff=0.508Red-0.521(S1/Do)1.318=0.508×3110-0.521×2.51.318=0.0257ΔPf=ft(At/Ac,t)[wmax2/(2ρf)]=1.143×2.1×4.72/(2×1.2045)Pa=22.01PaΔPt=ft(Af/Ac)[wmax2/(2ρf)]=0.0257×(0.4148/1.2045)/[(25-10.4)×(2.2-0.2)×409×10-6]×4.72/2Pa=8.185Pa所以ΔP=ΔPf+ΔPt=22.01+8.185=30.2Pa在凝露工况下，由于凝结水滞留在翅片表面上形成一薄层水膜，故使在同样风速下空气阻力增大。在凝露工况下的阻力在上面干工况下的阻力的基础上乘以修正系数κ，即ΔPw=ΔP×κ=30.2×1.23Pa=37.15Pa根据风量和压力选择风机。6辅助装置6.1节流装置膨胀管是一管形件,制冷剂由进口过滤器过滤,再经节流孔使高压制冷剂液体压力降低,节流孔不起控制流量的作用,制冷系统中变工况的流量改变只是利用压缩机周期性离合方式控制流量的,这种节流又不调节流量大小的膨胀管非常适用于汽车空调制冷装置.同时膨胀管没有运动部件、结构简单、节省能耗,所以本制冷系统的节流装置选ccot膨胀管。另外它靠本体和温度传感器组成电子控制，以发挥过热控制为主的各种机能。6.2过滤干燥储液器因为水分凝结成冰后使通道冰堵，影响制冷装置的正常运转；而有铁屑、尘埃杂质残存系统中，就会发生堵塞，所以制冷系统中必须设置过滤、干燥器。干燥过滤的作用是防止水分和油污、铁屑浸入制冷系统。过滤、干燥器安装串联在高压侧，一般在冷凝器或储液器出液管上。储液器的功用是储存液化后的高压制冷剂，根据制冷循环量的大小，小车将干燥过滤器与储液器组装成一体。6.3油分离器在压缩机工作过程中，一部分润滑油因受高温的影响也随着汽化，混合在制冷剂中排出，当其进入冷凝器和蒸发器后，就会在管壁上凝结成一层油膜，降低了制冷效率。尤其是涡旋压缩机，喷冷冻油的目的不仅是润滑作用，而且要起密封和冷却作用，为此一般喷油量很大。因此制冷剂中的冷冻机油应在压缩之后，进入冷凝器之前加装油分离器进行分离，确保系统高效率的循环。6.4高、低压保护装置为了维持制冷系统的正常运行，当出现故障时不致于损坏整个系统或压缩机，在系统中应安装安全保护装置。主要是高、低压开关、易熔塞、以及温水开关。7配气系统和气流组织汽车的配气系统一般有三个部分构成：第一部分为空气进口段。主要用来控制新鲜空气和室内循环空气的风门叶片和风机组成；第二部分为空气混合段，主要由加热器和蒸发器组成，用来提供所需温度的空气；第三部分为空气分配段，使空气吹向面部，脚部和玻璃上。在汽车空调中第三部分的控制是由汽车仪表盘直接控制的。这种控制方法简单易行，但相对控制精度较低。汽车的配气系统的工作过程为：新鲜空气+车内循环空气进入风机空气进入蒸发器冷却由风门调节进入加热器的空气进入各出风口。空气进口段的风门叶片主要控制新风和车室内回风的比例。当夏季室外温度较高，冬季室外温度较低的情况下尽量开小风门，使压缩机运行时间减少。当汽车长期运行时，车室内的空气品质下降，这时应定期开大新风门。7.1气流组织在汽车空调中，经过处理的空气由送风口送入车内，与车内的空气进行热质交换后，经回风口排出。空气的进入和排出，必须引起车内空气的流动，而不同的空气流动状况有着不同的空调效果。合理的组织车内的空气流动，使车内的温度、湿度、流速等能更好的满足人们舒适性的要求。气流组织直接影响车内的空调效果，关系着车内温湿度的基数和精度，是汽车空调设计中的一个重要环节。因此，在汽车空调中，除了考虑空气的处理、运输和调节外，还必须注意车内的气流组织。影响车内的气流组织的因素很多，如送风口的形式和位置，送风射流参数，车内几何参数及热源的位置。在以上诸因素中，送、回风口的形状、位置和送风射流参数是影响气流组织的主要因素。7.1.1送风口形式汽车空调的气流流形主要取决于送风射流。而送风口形式将直影响气流的混合程度，出口方向及气流断面形状，对送风射流具有重要的作用。本设计由于需要引入新风，所以一次回风与由侧面风口吸入的新风混合后，有前方的送风口送出。7.1.2回风口形式由于回风口附近气流流速急剧下降，对车内气流组织影响不大，因而回风口构造比较简单，类型也不多，最简单的就是在风口上装上金属物，以防杂物被吸入。回风口装有格栅。7.1.3气流组织形式空调送风口和回风口都在前方，送风口在上而回风口在下，这样容易形成均匀气流场和温度场。为了满足人体舒适性要求，送风速度一般不大于0.5～0.7m/s。8空调系统的布置为了使系统的性能更加完善，空调系统在轿车内用以下的方式布置。整个空调装置布置在轿车前部主发动机侧，压缩机4通过主发动机11，由皮带带动组成直连式驱动。冷凝器5与散热器1安装于发动机11之前，冷凝器和散热器由风扇3进行风冷，同时轿车行使时迎风也增加冷却效果，蒸发器9+蒸发器冷却风扇布置在操纵台下方，冷风由蒸发器出风格栅12吹入车室内。在图中已示出干燥过滤器6和自动感温而调节氟里昂134a流量的膨胀阀8的安装及管道连接的情况。这些辅件安装原则是管道尽量短，调试维修方便。汽车空调管道，采用高压气液体软管和低压气液体软管，这样可以减少振动。更为直观的系统结构为9英文翻译9.1流体力学力学是一门研究物体运动极其规律的科学。力学学科经常分为两个大的部分即：运动学和动力学。运动学研究的是物体的几何运动，而不考虑引起这种运动的力，只对物体怎样运动进行描述。动力学则是研究物体上的力极其作用的理论。a：流体流体就分子分布和运动而言有很多特征，在流体中分子的运动范围比固体中大。比如：一块被充分加热的铁块，其分子剧烈运动，因而分子间的束缚力变弱，最终被融化成流体。“流体”的另一个更精确而有用的定义是基于应力作用的。流体是一种在静平衡时不能承受切应力（剪应力）的物质。不论剪应力多么的小，流体都会变形流动。固体与流体在剪应力作用下的这种不同反应，把他们区别开来了。设想有两个金属圆盘用一个铆钉连接，两圆盘都想从另一方分裂出去，剪切趋势就形成了。对于很小的拉力，固体的铆钉在静平衡中承受剪切力，如果一种流体比如，油、水或者空气受到哪怕很小的剪切力，都将会不停的运动下去。流体通常分为气体和液体。液体有固定的体积而与成盛它的容器无关，液体可以有一个像湖面一样的自由表面；气体则会充满整个容器。气体的分子间距比液体要大。蒸汽如水蒸汽、氨蒸汽等，由于它们易液化，因而与其他气体不同。通常认为气体是可以压缩的，液体是不可压缩的。但严格来讲，一切流体在某种程度上都是可压缩的。尽管空气通常认为是可压缩的，但是也有一些流动情况下，其压力和密度变化如此之小以致于可以认为是不可压缩的。液体如油和水在很多情况下被认为是不可压缩的，而在另外一些情况下，其可压缩性又是十分重要的。比如：声波或压力波就是靠流体的可压缩性和弹性传播的。流体将被当作连续介质来讨论，事实上，液体和气体都是有分子和原子构成的。流体的属性和性质与分子运动有很大关系，然而在大多数工程问题中，分子平均自由程与所要考虑的特征尺度相比很小，所以流动性质可以用流体微团来研究而不用考虑分子的运动的各种细节。b：层流和湍流层流和湍流是两种不同类型的流动。在层流中，流体分层流动；在湍流中，不规则运动和速度波动附加在主要运动上。在安静的房间中，由香烟产生的烟柱通常就是这种类型的流动。烟在一段距离上可能有所波动但密度不会减少，这种流动就是层流；在香烟上方的某处，细丝突然变成一个旋涡运动，这就是湍流。当房间的空气受到扰动时，有层流向湍流的转捩就会提前。湍流是非常普遍的，在管流、渠道流或在不同机器间的流动中都存在。在一些流道相当小，速度相当低，并且粘性相当高的情况下，通常是层流。这方面的例子有：轴承中的润滑油流动，人体体液的流动和测量流体性质的仪器中的流动等。当真实流体流过壁面时就会形成边界层。多数情况下，在物体的上游形成层流边界层，而在下游形成湍流边界层，但也有一些情况下，湍流边界层可能覆盖大多数的物体边界。然而值得注意的是，湍流边界层总是在不稳定的条件下由层流边界层转化而来的。表面粗糙度、噪音或层流底层流体的涡流都会引起层流底层的很小扰动。在固定点观测得到的振幅表明在边界层中存在着自由波。微小的湍动速度附加在主要速度的某个方向上，就会给固定点观察者以波动的假象。湍流是随机的，因此有不同的振幅和频率。不论在层流层上最初附加的湍动速度有多大，都会被扩散，放大直到正弦波动的出现。然而，这些大振幅的运动并不构成湍流。扰动的消长取决于传递给脉动的能量大小，这些能量是从边界层主流中吸收，经粘性扩散而传来的。这种能量流动决定了边界层在小扰动下的稳定性。层流边界层的波动是由于一些干扰波顺流通过层流边界层引起的速度波动造成的。当能量足够大时，这种波就会引起迁移。通常是波一开始被放大，接着变得扭曲，最后产生高频振动。动力学上的不稳定性如水波的破坏等是形成湍流旋涡的原因。9.2对流、传导、辐射对流是在流体内部通过循环混合而达到传热的一种方式。如果一种液体或气体各部分的温度不同，就会产生混合。一个常见的例子是用炉子加热锅中的水，锅底热水的密度将会降低，因此就会上升从而被上部冷而重的液体所取代。通过这种方式，对流就在流体内部形成了。并且在容器内部流体将有物理上的运动，这种混合就会使热量从热区传递到冷区。风是一种常见的对流形式，它是由气流从高密度高的地方向低的地方运动引起的。一般来说，热空气的密度比冷空气要低。风通过把热量从热区传到冷区而使空气的密度和温度达到均匀。房间的加热也大多依靠热对流，在墙角处的加热器使其附近的空气温度升高，这样就会改变空气的密度并且形成使室内温度趋于平衡的气流。密度的变化是由散热器散热引起的，这看起来有些令人不解，是什么力量使它们这样从密度低的区域传到高的区域的。热传导是通过组成物质的原子和分子的碰撞来传热的，当这些粒子碰撞的时候，能量从运动快的粒子传到慢的粒子，最终所有的粒子拥有几乎相同的能量。例如：一根在火中加热的铁棍，因为热传导使其手柄端也变热。铁棍一头受热的原子从火中获得能量而变得剧烈振动起来，反过来这些粒子也会使手柄处的粒子也剧烈振动起来，这样的过程一直持续到整个铁棍都完全被加热为止。像热对流一样热传导也是趋向于确立一个全体的平衡的温度场，即使平衡温度场已经形成，分子碰撞仍然在继续，然而对某一个确定的区域而言，传出与传入的热量相等，因此流动是平衡的，温度是不变的。房间的供暖、食物的冷却、汽车发动机的冷却等一些常见的传热都是通过热传导来实现的。房间加热器中的蒸汽散发出来的热量通过传导从器壁传递出来。与此相似，炉火中的热量通过壶或锅传给食物而不用火直接加热；汽车发动机是热传导的第三个例子，它们在运转中产生大量的热，如果这些热量积累起来，足以使引擎融化掉。所有物体都有热辐射，这种辐射包括很多频段的电磁波，从波长很大的红外线经可见光直到波长很小的紫外线。但是热量主要是由红外线传出的，因而尽管紫外线射不进玻璃来，但还是可以把太阳光中的大部分热量传进来的。当电子变换其能级时就会产生热辐射。在所有物质的原子中，电子都绕原子核以一定的能态运动，其能量大小与能态有关。两个运动原子的碰撞可能导致电子跃迁到更高的能态，在此过程中发出光子或者电磁波。在普通温度下，一个物体中的这种跃迁一秒中就发生数百万次。一些产生的辐射能被分子中临近的原子所吸收，这使电子跃些能量使原子或者运动，或者迁到更高的能级。其它的热能以辐射的形式放出。只要物体中的原子或分子有热力能，就会产生热辐射。如果一个物体不能吸收热量，那么它就会释放完所有的能量而降到绝对零度。然而物体在辐射能量时也在吸收，吸收的热量是其他的物体辐射的，结果就在不同的物体间形成持续的能量交换。比如：如果使茶壶开口向天空的放在户外，即使在晴朗的夏夜也会使其中的水结冰。之所以会出现这种现象，是因为暖瓶使水不能有效地通过热传导获得外部的热量，而水的热量则通过热辐射逐渐的失去的缘故。当一个物体与其周围物体的温度相同时，由于它辐射的和吸收的热量相等，所以能保持其温度恒定不变。如果一个物体比它周围的物体温度高的话，它就会放出的多而吸收的少，相反，当它较冷时，就会吸收的多而放出的少。这个规律与组成物体的材料无关，只与它们的温度有关。从太阳到地球的能量传递是热辐射的一个强有力的例证。太阳和地球之间大约是93，000，000英里的真空，传导和对流在这种无媒介的状态下是不可能的，因而热量只能以辐射的形式传到地球上。在这些辐射的能量中有三分之一被地球大气层、海洋、地面反射到外太空中，留下的大部分能量被地球吸收，然后再辐射到太空中，只有很小的一部分太阳辐射能被地球保留下来，虽然如此，这部分很少的太阳能实际上就是人类可以利用的能源。太阳的辐射热通过不同的方式变成其它形式的能量。比如：太阳射线使地球上的海洋变热，引起大量的水的稳定蒸发，得到的蒸汽又会产生云，由云产生的雨水一部分落在山上，尽管水是从较低的地方蒸发的。这样水就获得了势能，当水从山上流下来时，就会获得动能，动能可以用来发电。9.3热力学史热力学是一门研究温度变化对物体或系统各种属性影响的科学。这门学科从微观上看是研究温度变化时，物体内的分子、原子的相互作用。对于这种研究，要建立一个与研究对象对应的具体的模型才能研究。然而，经典热力学的独特的地位却在其宏观方面。在这种情况下，只有物体或大量的辐射时才予以考虑，而任何内部的结构都被忽略。所以经典热力学只与宏观上可测量的量有关。对于热力学初学者而言，从一开始就意识到了日常生活的经验就是热力学术语的直接表达。作为热力学基础的经验是每个人都熟悉的。冷、热这些词仍然保留日常用语的含义，温度、压力的概念也保留原始的含义，因此学生在以后参加热力学讨论时必须记住这些。虽然热力学来自日常经验中，但她的高深领域却成为物理学中极