蔣東章，梁林，陳希，郭富男

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

基于Flowmaster的車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)數(shù)值模擬

蔣東章，梁林，陳希，郭富男

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

隨著汽車(chē)越來(lái)越普及，人們對(duì)汽車(chē)舒適性的期望值不斷提高。汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)決定了汽車(chē)內(nèi)空氣的質(zhì)量、溫度、濕度等，其性能對(duì)舒適性有直接的影響。利用一維流體系統(tǒng)模擬仿真軟件Flowmaster分別對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：隨著制冷劑充注量的增加，制冷量和制冷系數(shù)呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，這期間均會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，但是，最大制冷量并沒(méi)有對(duì)應(yīng)制冷系數(shù)的最大值。通過(guò)動(dòng)態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)：壓縮機(jī)的排氣壓力和冷凝溫度會(huì)隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的降低而顯著下降，空調(diào)系統(tǒng)的制冷系數(shù)也會(huì)由于壓縮機(jī)吸氣壓力和蒸發(fā)溫度的升高而改善。

汽車(chē)空調(diào)；Flowmaster軟件；數(shù)值模擬；穩(wěn)態(tài)特性；動(dòng)態(tài)特性

0 引言

對(duì)于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在空調(diào)制冷系統(tǒng)上的運(yùn)用，可以追溯到20世紀(jì)六十年代[1]。到了20世紀(jì)九十年代，集中參數(shù)和分布參數(shù)的研究得到了進(jìn)一步的發(fā)展，并向?qū)嵱眯娃D(zhuǎn)化[2]。R N N KOURY等[3]構(gòu)建的模型中，蒸發(fā)器和冷凝器被分解成大小一樣的控制單元，通過(guò)能量、動(dòng)量方程、質(zhì)量方程列出每個(gè)單元與時(shí)間相關(guān)聯(lián)的平衡方程，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算求解。王瑞等人[4]發(fā)現(xiàn)尖角波紋翅片的傳熱效果優(yōu)于圓角波紋翅片。陳友明等[5]著重研究空調(diào)冷水系統(tǒng)的流量、壓力及溫度分布，簡(jiǎn)化模型，不建立冷水機(jī)組的仿真模型。全靜[6]利用Flowmaster對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，并分析了制冷部件中的流量、壓力的分布變化情況，了解制冷系統(tǒng)的運(yùn)行特性。梅星新等[7]利用建立的冷水系統(tǒng)模型得到參數(shù)的仿真數(shù)值，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較分析。

隨著汽車(chē)工業(yè)的不斷發(fā)展，近年來(lái)車(chē)載空調(diào)系統(tǒng)的研究越來(lái)越得到關(guān)注。X YANG等搭建了一個(gè)新的電動(dòng)車(chē)空調(diào)系統(tǒng)[8]，對(duì)空氣葉片壓縮機(jī)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。陸強(qiáng)等人[9]也利用Flowmaster軟件對(duì)列車(chē)用空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。S P DATTA等[10]設(shè)計(jì)了具有電荷狀態(tài)變化的系統(tǒng)蓄電池，用于改善汽車(chē)空調(diào)的性能。G ZHOU等利用熱泵聯(lián)合除霜性能試驗(yàn)，研究純電動(dòng)汽車(chē)低溫空調(diào)系統(tǒng)[11-12]。李麗等人[13]針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)了一套蒸汽壓縮式冷暖雙模式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)果表明熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有可行性。C YUE等[14]分析了與車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)耦合的ORC系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)對(duì)于系統(tǒng)有著顯著的影響。目前，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的研究多為實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，對(duì)于穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)下參數(shù)的變化對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)性能影響的一維模擬研究還比較少。

作者利用一維流體系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster搭建汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)模型。在穩(wěn)態(tài)下改變汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的充注量，觀(guān)察空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的變化及系統(tǒng)的運(yùn)行特性；在動(dòng)態(tài)下降低汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，觀(guān)察系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

1 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)建模

在Flowmaster軟件中選擇汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的元件目錄，選取空調(diào)系統(tǒng)中的主要部件如壓縮機(jī)、冷凝器等，逐一拖拽到網(wǎng)絡(luò)中并按空調(diào)系統(tǒng)的工作原理逐一連接起來(lái)，輸入空調(diào)系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)[15-16]，最后形成了如圖1所示的空調(diào)系統(tǒng)模擬仿真設(shè)計(jì)圖。

圖1 汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)模擬仿真設(shè)計(jì)圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工質(zhì)對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的影響

汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能與工質(zhì)有密切關(guān)系，需要在相同的工況條件下，分析和比較各種工質(zhì)的循環(huán)性能，來(lái)篩選確定最佳的工質(zhì)[17]。

如圖2所示：在模擬工況下，R141b的系統(tǒng)熱效率最高，單位工質(zhì)的循環(huán)凈功Wnet和不可逆損失I中僅次于R152a。分析各工質(zhì)的狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)R152a、R134a的冷凝溫度低于0 ℃。在實(shí)際情況下，這樣的低溫?zé)嵩礋o(wú)法獲得，故不予考慮。因此選擇R141b作為循環(huán)工質(zhì)。

圖2 各工質(zhì)的模擬參數(shù)

2.2 制冷劑充注量對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的影響

保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，以R141b作為循環(huán)工質(zhì)，冷凝器、蒸發(fā)器的通風(fēng)量分別為0.25、0.66 m3/s。改變系統(tǒng)中制冷劑的充注量為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 kg。

由圖3和圖4可以看出:當(dāng)制冷劑的充注量增多時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑相變管段變長(zhǎng)，在充注量為0.7 kg時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)沿流動(dòng)方向的制冷劑溫度變化最快。因整個(gè)蒸發(fā)器的管道長(zhǎng)度不變，則制冷劑的過(guò)熱管段變小，所以蒸發(fā)器出口過(guò)熱度變小，壓縮機(jī)的吸氣溫度降低。

圖3 壓縮機(jī)吸氣溫度、蒸發(fā)器過(guò)熱度隨充注量的變化

圖4 蒸發(fā)器內(nèi)沿流動(dòng)方向的制冷劑溫度在不同制冷劑充注量下的變化曲線(xiàn)

從圖5可觀(guān)察出制冷量隨制冷劑充注量的增多而變大，在到達(dá)最高點(diǎn)后開(kāi)始變小。

圖5 制冷量、制冷系數(shù)COP隨充注量的變化曲線(xiàn)

由圖6可以看出,冷凝器內(nèi)的相變管段隨著制冷劑充注量的增多而變小。由于系統(tǒng)中制冷劑充注量變多，系統(tǒng)用于制冷循環(huán)的制冷劑量也因此變多，導(dǎo)致制冷劑發(fā)生相變的管段變長(zhǎng)。又因?yàn)橄嘧儞Q熱對(duì)整體換熱量的影響較明顯，因此系統(tǒng)的制冷量變大。但是隨著制冷劑的充注量越來(lái)越多，蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度也在升高，蒸發(fā)器與周?chē)諝庵g的傳熱溫差開(kāi)始減小。雖然蒸發(fā)器管道中的有效傳熱面積增長(zhǎng)，但與傳熱溫差的降低速度相比，有效傳熱面積增加的速度較慢，傳熱溫差減小對(duì)于制冷量的影響更加明顯，所以制冷系統(tǒng)的制冷量開(kāi)始下降，故產(chǎn)生了一個(gè)峰值。

圖6 冷凝器內(nèi)沿流動(dòng)方向的制冷劑溫度在不同制冷劑充注量下的變化曲線(xiàn)

2.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)系統(tǒng)的變化

當(dāng)汽車(chē)減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，由于壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，因此，在車(chē)輛減速的過(guò)程中，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速也在降低，轉(zhuǎn)速降低會(huì)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。模擬壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，整個(gè)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。

保持系統(tǒng)中除壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速外的所有參數(shù)不變，其中循環(huán)工質(zhì)為R141b，冷凝器、蒸發(fā)器的通風(fēng)量分別為0.25、0.066 m3/s，制冷劑的充注量為0.9 kg，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化如圖7所示。

圖7 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖8 壓縮機(jī)排氣壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

由圖7—8可以看出：壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，排氣壓力下降，在變化的過(guò)程中振幅較大。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，R141b 蒸汽被壓縮，排氣壓力迅速下降，但是由于滑片在甩出滑槽時(shí)受到潤(rùn)滑油黏度引起的黏性阻力的影響，不能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)瞬間就完全甩出滑槽，從而與氣缸壁面達(dá)到很好的壓力接觸。這就造成前、后壓縮腔之間的氣體泄漏量很大，要達(dá)到穩(wěn)定需要一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程是漸緩的，所以排氣壓力下降速度先快后慢。

由圖9—10可以發(fā)現(xiàn)：蒸發(fā)溫度隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的降低而升高，溫度的變化相對(duì)平穩(wěn)；系統(tǒng)制冷量、壓縮機(jī)軸功率在轉(zhuǎn)速降低的過(guò)程中都在下降，但壓縮機(jī)的軸功率下降更加明顯，所以整個(gè)系統(tǒng)的制冷系數(shù)在轉(zhuǎn)速降低時(shí)是增加的。

圖9 蒸發(fā)溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

圖10 系統(tǒng)制冷量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

利用一維流體系統(tǒng)仿真軟件Flowmaster建立了汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)模型，主要對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了模擬分析。主要結(jié)論如下：

(1)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)研究表明：增加制冷劑的充注量后，壓縮機(jī)排氣壓力和排氣溫度也隨之升高；制冷量和制冷系數(shù)在這個(gè)過(guò)程中，均呈現(xiàn)出先增加后減少的變化趨勢(shì)，并存在一個(gè)最大值；然而，當(dāng)空調(diào)制冷量達(dá)到最大時(shí)，對(duì)應(yīng)的制冷系數(shù)還未達(dá)到最值。

(2)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)研究表明：通過(guò)降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠明顯降低壓縮機(jī)的排氣壓力、提高吸氣壓力；蒸發(fā)溫度也會(huì)隨著冷凝溫度的升高而下降；但是，當(dāng)排氣壓力和冷凝溫度變化時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)較大的不穩(wěn)定振幅。

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NumericalSimulationofVehicleAirConditioningSystemBasedonFlowmaster

JIANG Dongzhang, LIANG Lin，CHEN Xi,GUO Funan

(School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

With more population of automobiles, people have more expectation for economic and comfort towards car driving. Automobile air conditioning (AC) system determines the quality of air, temperature and humidity in the car, and therefore the capability of AC system has a direct impact on the people’s comfort.The steady-state and dynamic characteristics of automotive air conditioning system were simulated and analyzed by using one dimensional fluid system simulation software Flowmaster respectively. The results show: with the refrigerant capacity increasing, both the refrigeration capacity and coefficient are rising before dropping, and there exists a maximum, but the corresponding refrigeration coefficient is not at the peak while the refrigerant capacity is the maximum. In the dynamic analysis, the compressor speed is reduced,and then the compressor discharge pressure and condensing temperature drop significantly; while the suction pressure of the compressor and the evaporation temperature are slightly increased, the coefficient of refrigeration is rising.

Air conditioning system; Flowmaster software; Numerical modeling; Steady-state characteristics; Dynamic characteristics

U463.85+1

A

1674-1986(2017)11-018-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.004

2017-06-24

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃(20160223)

蔣東章(1995—)，男，本科生，主要研究方向?yàn)榈蜏赜酂崂谩-mail:17145419@cumt.edu.cn。

梁林，E-mail:lianglin@cumt.edu.cn。