王施文， 王鐵軍， 易廣江， 金從卓， 王 正， 倪宜華

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.合肥天鵝制冷科技有限公司，安徽合肥 230051）

0 引 言

ZKAR－36空調(diào)器為205C液壓挖掘機(jī)配套，標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)工況的設(shè)計(jì)制冷量和蒸發(fā)風(fēng)量分別為3 600 W和350 m3／h，原樣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)的最大制冷量和蒸發(fā)風(fēng)量?jī)H為2 200 W、250 m3／h，不僅嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)，而且在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)霜，導(dǎo)致頻繁停機(jī)故障。針對(duì)上述問題，擬定在原始樣機(jī)外形接口尺寸及配套壓縮機(jī)型號(hào)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)ZKAR－36空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行性能改進(jìn)研究。

1 調(diào)研分析

1.1 原空調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

ZKAR－36空調(diào)系統(tǒng)采用蒸氣壓縮式制冷和發(fā)動(dòng)機(jī)余熱供熱，如圖1所示，制冷循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，其基本構(gòu)成如下。

（1）制冷壓縮機(jī)為上海三電貝洱SE5H14斜盤式，排量138 cc／r，采用R134a制冷劑和300001201潤(rùn)滑油。制冷壓縮機(jī)由挖掘機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)直連驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)工作轉(zhuǎn)速800～2 200 r／min，作業(yè)時(shí)主要在大扭矩低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

（2）冷凝器為平行流式，扁管寬度和高度分別為20 mm、3 mm，冷凝器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水箱和空氣冷卻器前，由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷。

（3）蒸發(fā)器為管帶式，扁管寬度和高度分別為85 mm、5 mm。蒸發(fā)風(fēng)機(jī)為超力牌ZFF－21544離心風(fēng)機(jī)，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)靜壓323 Pa的風(fēng)量為350 m3／h。

（4）節(jié)流裝置為松鷹牌204－3外平衡式熱力膨脹閥，標(biāo)準(zhǔn)制冷量1.5 t。

圖1 ZKAR－36空調(diào)系統(tǒng)

圖2 工程車空調(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)

1.2 故障調(diào)研

對(duì)工程機(jī)械制造商生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)：

（1）空調(diào)器的工作條件和環(huán)境狀況惡劣。具體表現(xiàn)為：挖掘機(jī)駕駛室空間狹窄，氣流組織困難；駕駛室門窗玻璃面積較大，熱密封性不好，設(shè)備熱負(fù)荷較大；作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度高、沙塵多，常工作在低洼處造成局部通風(fēng)不暢；蒸發(fā)器前的過濾網(wǎng)易形成臟堵，且得不到規(guī)范、及時(shí)清理。

（2）ZKAR－36空調(diào)器的風(fēng)道由3根Φ50 mm塑料波紋管構(gòu)成，2根1.2 m短管設(shè)置在駕駛室背部出風(fēng)口，1根1.9 m風(fēng)道至操作儀表臺(tái)右側(cè)出風(fēng)口。根據(jù)設(shè)計(jì)風(fēng)量350 m3／h計(jì)算所得平均風(fēng)速為16.5 m／s，最大沿程流動(dòng)損失可達(dá)400 Pa［1－2］，過大的流動(dòng)損失導(dǎo)致蒸發(fā)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)向大壓頭小流量方向變化［3－4］，實(shí)際運(yùn)行時(shí)前、后出風(fēng)口流速在3～8 m／s范圍，蒸發(fā)器過風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重影響了空調(diào)器的工作性能。

（3）平行流冷凝器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水箱和空氣冷卻器前，局部風(fēng)阻大、風(fēng)速低，冷凝器背面的常規(guī)溫度為80℃左右，輻射傳熱較為嚴(yán)重；發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速為1 200 r／min時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得冷凝器平均迎面風(fēng)速≤2.5 m／s；在環(huán)境溫度32℃的太陽直射條件下，測(cè)得冷凝器入口風(fēng)溫和出液管溫度分別為35℃和50.7℃，制冷循環(huán)的過冷度明顯偏小。

1.3 主要問題及影響因素

ZKAR－36空調(diào)原樣機(jī)的3個(gè)主要問題是：制冷量嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值；運(yùn)行過程中常出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)霜，導(dǎo)致頻繁停機(jī)故障；送風(fēng)量小、空調(diào)效果差。綜合上述調(diào)研和計(jì)算分析認(rèn)為影響空調(diào)器工作性能的主要因素如下。

（1）空調(diào)器的預(yù)留風(fēng)道安裝空間狹小，風(fēng)道由3根Φ50 mm塑料波紋管構(gòu)成，總流通截面小，運(yùn)行在設(shè)計(jì)流速時(shí)過大的流動(dòng)損失導(dǎo)致蒸發(fā)風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)向大壓頭小流量方向變化，致使蒸發(fā)器的過風(fēng)量偏離設(shè)計(jì)值。蒸發(fā)風(fēng)量過小對(duì)制冷循環(huán)性能的影響首先表現(xiàn)為制冷量和蒸發(fā)溫度的雙雙下降［5］，當(dāng)蒸發(fā)溫度低于0℃時(shí)，翅片表面的凝結(jié)水結(jié)霜，引起蒸發(fā)器過流風(fēng)量進(jìn)一步減少，蒸發(fā)溫度繼續(xù)下降，如此惡性循環(huán)以致蒸發(fā)壓力小于低壓保護(hù)值，發(fā)生停機(jī)故障［5］，其變化過程如圖3所示。

（2）原樣機(jī)使用的管帶式蒸發(fā)器的翅片結(jié)構(gòu)易造成下水不暢，同時(shí)由于風(fēng)量不足，在一定程度上助長(zhǎng)了水橋的形成，進(jìn)一步阻礙空氣流動(dòng)，影響熱交換，導(dǎo)致制冷量下降、蒸發(fā)溫度向下滑移而結(jié)霜。標(biāo)準(zhǔn)工況性能試驗(yàn)和計(jì)算分析顯示蒸發(fā)器的換熱面積不富裕［6］。

圖3 結(jié)霜故障變化過程

2 空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2 .1 改進(jìn)風(fēng)機(jī)特性

由于配套用戶不允許改變風(fēng)道的結(jié)構(gòu)與尺寸，因此改進(jìn)風(fēng)機(jī)特性，提高風(fēng)機(jī)壓頭是必然的選擇。為此，在ZFF－21544離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)電機(jī)性能和葉片曲線，定制的新風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)見表1所列。

表1 改進(jìn)前后蒸發(fā)風(fēng)機(jī)性能

2 .2 改進(jìn)蒸發(fā)器和冷凝器

ZKAR－36空調(diào)系統(tǒng)原采用管帶式蒸發(fā)器，改進(jìn)后采用層疊式蒸發(fā)器。層疊式蒸發(fā)器具有傳熱效率高、制冷劑側(cè)壓力損失小、質(zhì)量輕和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，傳熱系數(shù)比管帶式約提高10%～15%［7－8］。在體積和安裝尺寸不變的條件下，由于層疊式蒸發(fā)器更為緊湊，總換熱面積和換熱能力都得到相應(yīng)提高。同時(shí)，對(duì)蒸發(fā)器表面作親水防蝕處理，減少凝露水珠高度，避免形成水橋，減小風(fēng)阻。

在裝車尺寸允許的前提下，適當(dāng)增大冷凝器的換熱面積，優(yōu)化流程設(shè)計(jì)［9］，將原冷凝器的流程數(shù)由5減為4，使得制冷劑的流動(dòng)和換熱過程趨于合理。

蒸發(fā)器和冷凝器改進(jìn)前后參數(shù)，見表2所列。

表2 改進(jìn)前后蒸發(fā)器和冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 性能試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓縮機(jī)制冷設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心的汽車空調(diào)性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，依據(jù)文獻(xiàn)［10］，蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)干、濕球溫度分別為27℃、19.5℃，冷凝器進(jìn)風(fēng)干球溫度為35℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1 800 r／min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3所列。改進(jìn)后空調(diào)系統(tǒng)制冷量約增加64%，能效比提高95%。

表3 ZKAR－36空調(diào)改進(jìn)前后性能對(duì)比

3.2 裝車運(yùn)行試驗(yàn)

為了考核改進(jìn)后空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用性能，對(duì)改進(jìn)后的空調(diào)與工程機(jī)械制造商推薦的某空調(diào)（額定制冷量4 000 W）在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。2009年6月23日13時(shí)，2臺(tái)試驗(yàn)車輛（205C液壓挖掘機(jī)）以相同角度置于太陽照射下，環(huán)境條件：太陽直射下空氣干球溫度48℃，背陰通風(fēng)處干球溫度36.8℃、濕球溫度30℃。2臺(tái)試驗(yàn)車輛怠速（約800 r／min）運(yùn)行，蒸發(fā)風(fēng)機(jī)置高速檔，空調(diào)持續(xù)運(yùn)行30 min時(shí)測(cè)得駕駛室內(nèi)空氣參數(shù)見表4所列。

表4 空調(diào)運(yùn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

怠速工況的裝車運(yùn)行及其性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，ZKAR－36改進(jìn)樣機(jī)的空調(diào)性能較優(yōu)，可以滿足工程車輛人機(jī)環(huán)境控制的需求。

4 結(jié)束語

針對(duì)ZKAR－36工程車空調(diào)制冷量嚴(yán)重不足、運(yùn)行過程中結(jié)霜和頻繁出現(xiàn)停機(jī)故障等問題，采取了改進(jìn)蒸發(fā)風(fēng)機(jī)性能、增大冷凝器面積和改用層疊式蒸發(fā)器等措施，在裝機(jī)接口尺寸和壓縮機(jī)型號(hào)不變的條件下，實(shí)現(xiàn)制冷量提高64%、能效比提高95%、送風(fēng)量大幅提高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

應(yīng)用試驗(yàn)表明，改進(jìn)后的空調(diào)系統(tǒng)制冷性能有了顯著的提高，滿足了工程機(jī)械人機(jī)環(huán)境控制的需求。

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