耿李姍、浮翔、楊濤、王琳

（河南牧業(yè)經濟學院 450000)

0 引言

本文結合某乘用車空調系統(tǒng)的研制，采用數值模擬方法研究車內空調系統(tǒng)的性能匹配及優(yōu)化。在原車空調系統(tǒng)模型基礎上，對比分析了不同尺寸結構的蒸發(fā)器和冷凝器及其空氣側氣體流量等因素對制冷量的影響，并以此設計出相應的優(yōu)化方案，同時匹配計算了排量140 mL和120 mL壓縮機的空調系統(tǒng)降溫性能。結果表明，該車用空調系統(tǒng)經優(yōu)化后，在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的制冷性能均達到整車需求。采用數值方法可以為車內空調系統(tǒng)的優(yōu)化提供有效指導[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的換熱計算，采用如下公式[2]。

式中：Nu為空氣側的努賽爾數；Re為空氣側的雷諾數；Pr為空氣側的普朗特數；η為翅片效率；c1、c2和c3分別為由風洞試驗數據計算的無量綱常數。

本文所建蒸發(fā)器和冷凝器均為微通道平行流式結構類型，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試數據。

1.2 壓縮機模型

壓縮機模型的主要參數分別是容積效率和等熵效率，其計算公式如下。

式中：m為制冷劑質量流量，單位為kg/s；ρ為壓縮機入口制冷劑密度，單位為kg/m3；n為壓縮機轉速，單位為r/s；Vh為壓縮機排量，單位為m3。

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

這里通過試驗獲得相應的壓縮機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，在上述模型基礎上，分別設計了不同的蒸發(fā)器和冷凝器的空氣側氣體流量方案，以及不同的蒸發(fā)器和冷凝器的結構尺寸方案，從而進行影響蒸發(fā)器制冷量的模擬分析[3]。如圖2所示即為各參數變化對制冷量的影響。

圖1 壓縮機特性曲線

圖2a為制冷量隨蒸發(fā)器空氣側流量的變化。圖中可見，隨著空氣側流量的增大，其制冷量逐漸增高。例如，在40 km/h工況，當空氣側流量從400 m3/h增加到520 m3/h時，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%，可見蒸發(fā)器空氣側流量對制冷效果有重要影響。圖2b中，隨著冷凝器空氣側氣體流量的增加，制冷量雖有增大趨勢，但相比蒸發(fā)器的影響，其制冷量的變化相對要小一些。例如，當冷凝器空氣側氣體流量增加60%時，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，當蒸發(fā)器尺寸增加40%時，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，當冷凝器尺寸增加20%時，其制冷量只提高約2%，而在100 km/h時，增加甚至不到1%。

圖2 不同影響因素對制冷量影響對比

總體來看，相比冷凝器參數的變化，蒸發(fā)器空氣側流量及其結構尺寸的變化，對制冷量的影響更明顯。但模擬結果表明，增大蒸發(fā)器空氣側流量的同時也會導致其空氣側出口溫度提高，而增大冷凝器結構參數，不但會使蒸發(fā)器空氣側出口溫度降低，還會使壓縮機排氣壓力降低，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，增加冷凝器結構尺寸，也會降低冷凝器空氣側的出口溫度，從而降低整車發(fā)動機艙內的溫度，有利于改善整車發(fā)動機艙熱管理水平。

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

3 結束語

采用數值方法搭建的車用空調系統(tǒng)模型能夠準確反映實車空調的工作情況，能夠為車內空調系統(tǒng)的匹配優(yōu)化提供有效途徑。

圖3 冷凝器尺寸影響對比