耿李?yuàn)?、浮翔、楊濤、王?/p>

（河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 450000)

0 引言

本文結(jié)合某乘用車空調(diào)系統(tǒng)的研制，采用數(shù)值模擬方法研究車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的性能匹配及優(yōu)化。在原車空調(diào)系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了不同尺寸結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器和冷凝器及其空氣側(cè)氣體流量等因素對(duì)制冷量的影響，并以此設(shè)計(jì)出相應(yīng)的優(yōu)化方案，同時(shí)匹配計(jì)算了排量140 mL和120 mL壓縮機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)降溫性能。結(jié)果表明，該車用空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的制冷性能均達(dá)到整車需求。采用數(shù)值方法可以為車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化提供有效指導(dǎo)[1]。

1 模型原理

1.1 換熱器模型

蒸發(fā)器和冷凝器在空氣側(cè)的換熱計(jì)算，采用如下公式[2]。

式中：Nu為空氣側(cè)的努賽爾數(shù)；Re為空氣側(cè)的雷諾數(shù)；Pr為空氣側(cè)的普朗特?cái)?shù)；η為翅片效率；c1、c2和c3分別為由風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的無(wú)量綱常數(shù)。

本文所建蒸發(fā)器和冷凝器均為微通道平行流式結(jié)構(gòu)類型，尺寸分別為190 mm×180 mm×34 mm和540 mm×354 mm×16 mm。表1和表2分別為蒸發(fā)器和冷凝器的性能測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2 壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)模型的主要參數(shù)分別是容積效率和等熵效率，其計(jì)算公式如下。

式中：m為制冷劑質(zhì)量流量，單位為kg/s；ρ為壓縮機(jī)入口制冷劑密度，單位為kg/m3；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/s；Vh為壓縮機(jī)排量，單位為m3。

式中：hout為壓縮機(jī)出口焓值，單位為kJ/kg；hin為壓縮機(jī)入口焓值，單位為kJ/kg；△hi為等熵焓差，單位為kJ/kg。

這里通過(guò)試驗(yàn)獲得相應(yīng)的壓縮機(jī)容積效率和等熵效率，如圖1所示。

2 性能優(yōu)化影響因素

為提高制冷效果，在上述模型基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了不同的蒸發(fā)器和冷凝器的空氣側(cè)氣體流量方案，以及不同的蒸發(fā)器和冷凝器的結(jié)構(gòu)尺寸方案，從而進(jìn)行影響蒸發(fā)器制冷量的模擬分析[3]。如圖2所示即為各參數(shù)變化對(duì)制冷量的影響。

圖1 壓縮機(jī)特性曲線

圖2a為制冷量隨蒸發(fā)器空氣側(cè)流量的變化。圖中可見(jiàn)，隨著空氣側(cè)流量的增大，其制冷量逐漸增高。例如，在40 km/h工況，當(dāng)空氣側(cè)流量從400 m3/h增加到520 m3/h時(shí)，其制冷量從3.34 kW提高到3.65 kW，提高了9.28%；而在100 km/h工況，其制冷量更是提高約15%，可見(jiàn)蒸發(fā)器空氣側(cè)流量對(duì)制冷效果有重要影響。圖2b中，隨著冷凝器空氣側(cè)氣體流量的增加，制冷量雖有增大趨勢(shì)，但相比蒸發(fā)器的影響，其制冷量的變化相對(duì)要小一些。例如，當(dāng)冷凝器空氣側(cè)氣體流量增加60%時(shí)，各工況下的制冷量只提高約3%～5%。

圖2c和圖2d為蒸發(fā)器和冷凝器尺寸變化對(duì)制冷量的影響。圖2c中，隨著蒸發(fā)器尺寸的增加，其制冷量有明顯提升。例如，在40 km/h和100 km/h工況，當(dāng)蒸發(fā)器尺寸增加40%時(shí)，其制冷量則分別提高15%和26%。而圖2d中，隨著冷凝器尺寸的增加，其制冷量的增加并不明顯。例如，在40 km/h工況，當(dāng)冷凝器尺寸增加20%時(shí)，其制冷量只提高約2%，而在100 km/h時(shí)，增加甚至不到1%。

圖2 不同影響因素對(duì)制冷量影響對(duì)比

總體來(lái)看，相比冷凝器參數(shù)的變化，蒸發(fā)器空氣側(cè)流量及其結(jié)構(gòu)尺寸的變化，對(duì)制冷量的影響更明顯。但模擬結(jié)果表明，增大蒸發(fā)器空氣側(cè)流量的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其空氣側(cè)出口溫度提高，而增大冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)，不但會(huì)使蒸發(fā)器空氣側(cè)出口溫度降低，還會(huì)使壓縮機(jī)排氣壓力降低，如圖3所示。排氣壓力的降低，一方面提高了車用空調(diào)系統(tǒng)安全性和可靠性，另一方面也減少了制冷劑的年平均泄漏量。另外，增加冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸，也會(huì)降低冷凝器空氣側(cè)的出口溫度，從而降低整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的溫度，有利于改善整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理水平。

鑒于此，這里選擇增加蒸發(fā)器、冷凝器空氣側(cè)氣體流量及兩者結(jié)構(gòu)尺寸的方案來(lái)改善整車空調(diào)系統(tǒng)的降溫性能。根據(jù)整車空間布置需求和可提供的蒸發(fā)器、冷凝器結(jié)構(gòu)尺寸，最終確定的優(yōu)化方案為，將蒸發(fā)器、冷凝器的結(jié)構(gòu)分別增大30%和17%，同時(shí)將兩者在空氣側(cè)的流量分別增加40%和60%[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用數(shù)值方法搭建的車用空調(diào)系統(tǒng)模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)車空調(diào)的工作情況，能夠?yàn)檐噧?nèi)空調(diào)系統(tǒng)的匹配優(yōu)化提供有效途徑。

圖3 冷凝器尺寸影響對(duì)比