余延斌

摘要：汽車空調(diào)是為駕駛員及乘客帶來舒適感受的重要裝置，對提高生活質(zhì)量和整車的舒適感及駕駛員安全方面有著舉足輕重的作用。隨著近幾年汽車空調(diào)技術(shù)的不斷進步，以及各個機械行業(yè)對汽車空調(diào)技術(shù)的深度探索，汽車空調(diào)逐漸在工程車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前雖有很多空調(diào)廠家從事工程車空調(diào)方面的研發(fā)工作，但普遍存在的問題是，運用于工程車的空調(diào)其制冷系統(tǒng)都是通過以往的經(jīng)驗以及后續(xù)試驗估算所得，存在產(chǎn)品開發(fā)耗時長、成本高，且不能完美地與駕駛室匹配等問題。

關(guān)鍵詞：重裝叉車;空調(diào)系統(tǒng);制冷量;匹配設(shè)計

0? 引言

汽車空調(diào)是為駕駛員及乘客帶來舒適感受的重要裝置，對提高生活質(zhì)量和整車的舒適感及駕駛員安全方面有著舉足輕重的作用。隨著近幾年汽車空調(diào)技術(shù)的不斷進步，以及各個機械行業(yè)對汽車空調(diào)技術(shù)的深度探索，汽車空調(diào)逐漸在工程車領(lǐng)域得到了廣泛的使用。目前雖有很多空調(diào)廠家從事工程車空調(diào)方面的研發(fā)工作，但普遍存在的問題是，運用于工程車的空調(diào)其制冷性能都是通過以往的經(jīng)驗以及不斷試驗后估算所得。這種工程車空調(diào)往往不能很好地與駕駛室進行匹配。在汽車空調(diào)性能參數(shù)中，制冷量是其中重要一項，制冷量大小反映了該空調(diào)制冷能力的強弱，因此計算空調(diào)制冷量是汽車空調(diào)匹配設(shè)計、選型的前提及關(guān)鍵。選擇匹配的空調(diào)安裝，才能充分利用資源，既不消耗過多的動力增加發(fā)動機的負荷，又使空調(diào)價格合理。另外，選擇與之匹配的空調(diào)，使駕駛室環(huán)境達到最佳狀態(tài)，為駕駛員提供一個最舒適、安全的駕駛環(huán)境，也是一種永恒的目標。

本文通過對某廠重裝叉車空調(diào)制冷量、冷凝器能力、送風量等幾個重要參數(shù)的計算，旨在對后期該重裝叉車選配空調(diào)時具有一定的指導作用，使后續(xù)所選空調(diào)能夠更加完美的與該叉車駕駛室匹配，提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，通過本文的一系列計算，希望對叉車空調(diào)性能匹配計算形成一個參考案例，對后期其他型號叉車空調(diào)匹配計算過程有所裨益。

1? 設(shè)計參數(shù)

某廠重裝叉車駕駛室為獨立全封閉駕駛室，駕駛室模型可簡化為圖1所示長寬高為 1461×1557.5×1703（mm），額定乘員1人，駕駛室內(nèi)容積 3.3m;前窗為夾層綠玻璃，面積1.76m2，水平夾角75°;后窗、側(cè)門（全玻璃門）為鋼化綠玻璃，面積分別為1.65m2和3.3m2，夾角均為90°;頂頂玻璃為鋼化綠玻璃，面積為0.7m2，近似水平;駕駛室頂、底板、后圍、前圍金屬結(jié)構(gòu)面積分別為 0.75m2、2.3m2、1.0m2和1.8m2;側(cè)面近似為全玻璃;夏季維持人舒適體感溫度一般為 25～28℃，體感舒適濕度 30～70%，可設(shè)定室內(nèi)溫度為 25℃、濕度 50%，另外，夏季汽車車室內(nèi)空氣流速為 0.5m/s，推薦車內(nèi)氣流速 0.25～0.5m/s，設(shè)定車內(nèi)氣流流速為 0.3m/s。各駕乘人員所需新鮮空氣量大概為 20～30m3/h，設(shè)定駕駛員需求新風量為 25m3/h[1][2]。根據(jù)國標GB/T 19933.4-2014，空調(diào)制冷性能須達到降溫12℃以上，故可設(shè)室外環(huán)境溫度為38℃。

2? 蒸發(fā)器制冷量計算

空調(diào)系統(tǒng)熱負荷穩(wěn)態(tài)算法計算式：

QT =Q玻+Q金+Q風+Q人+Q電+QE

其中：

Q金=Q頂 +Q側(cè)+Q底，Q玻=Q輻射+Q對流[2] [3] [4]

①以太陽輻射及對流方式通過門窗玻璃傳入的熱負荷Q玻

輻射得熱計算式：Q輻射=K玻F玻（tH-tB）

K玻為玻璃傳熱系數(shù)，取 6.4W/（m2K）;

F玻為玻璃總面積;tH為室外溫度;tB為車內(nèi)溫度。

Q輻射=616.5（W）

對流得熱計算式：Q對流=（η+ραB/αH）US

η為太陽輻射通過玻璃的透入系數(shù)，取 0.84;

ρ為太陽輻射通過玻璃的吸收系數(shù)，取 0.08;

αB為內(nèi)表面放熱系數(shù)，取 16.7W/（m2K）;

αH為車外空氣與外表面對流放熱系數(shù)，取 40.6W/（m2K）;

S 為玻璃遮陽系數(shù)，取 0.77;

U 為車窗的太陽輻射量，U=F′IG+（F玻-F′）IS。

F′為玻璃陽面投影總面積，F(xiàn)′=1.76×cos75°=0.46（m2）;

IG為太陽直射輻射強度，取 1000W/m2;

IS為太陽散射輻射強度，取 41.7W/m2。

U=660.2（W）;Q對流（前）=443.7（W）;Q對流（后+側(cè)）=138.3（W）;Q對流（頂）=468（W）

則，Q對流=Q對流（前）+ Q對流（后+側(cè)）+ Q對流（頂）=1050（W）

Q玻=Q輻射+Q對流=1666.5（W）

②通過駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)傳入車廂的熱負荷Q金

在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，駕駛室金屬壁面?zhèn)鳠嶝摵捎嬎闶綖椋篞=K車F車（tM-tB）

tM為駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)表面綜合溫度，tM=tH+ε（IG+IS）/（αH+K車）

ε為駕駛室金屬表面吸收系數(shù)，與駕駛室金屬面顏色有關(guān)，該款駕駛室標準色為亞光黑，取值為 0.9。

K車=4.41×V^0.8 為駕駛室金屬結(jié)構(gòu)各部分外表面放熱系數(shù)，跟車速有關(guān)，叉車速度為5-10m/s，故取K車=4.4W/（m2K）。

F車 為駕駛室金屬外表面總面積。

1）駕駛室頂部及前檔水平方向得熱量。

綜合溫度tM頂=tH+ε（IG+IS）/（αH+K車）=58（℃），Q頂=175.7（W）

2）駕駛室側(cè)面及前檔豎直方向得熱量。

車身側(cè)面的傳熱，太陽直射強度及散射強度可取半值，則車身側(cè)面的綜合溫度

tM側(cè) =tH +ε（IG+IS）/2（αH+K車）=48.4（℃），

Q側(cè)=179.8（W）

3）駕駛室底部得熱量。

車底板表面溫度綜合溫度 tM 底 =tH +（2～3）℃=41（℃），Q底=141.7（W）

因此，駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)總熱負荷為：

Q金=Q頂+Q側(cè)+Q底=497.2（W）

③新風產(chǎn)生的漏熱量Q風

Q風=NV風ρ空（h0-h1）

N 為乘員人數(shù);V風為新風量，取 25m3/h·人，這個數(shù)值包括工程車駕駛室因密封問題而導致背壓造成室外熱風進入駕駛室產(chǎn)生的負荷;ρ空為空氣密度，取 1.13kg/m3;h0為室外空氣的焓值，h1為室內(nèi)空氣的焓值。此工況下，車室外空氣相對濕度為 70%，車室內(nèi)空氣的相對濕度為 50%，查 H-D 圖，得 h0=99.89kJ/kg，h1=55.7kJ/kg。

Q風=1248.4（W）

④乘員發(fā)熱量Q人

額定乘員人均發(fā)熱量按 116W，考慮到只有一位駕駛員，群集系數(shù)?。繙?1

Q人=N？準×116=116（W）

⑤駕駛室內(nèi)電器（閱讀燈、收音機及風機等）工作產(chǎn)生的熱量，按 Q 電≈200（W）計

⑥由發(fā)動機一側(cè)傳入車內(nèi)的熱量QE

叉車發(fā)動機距離駕駛室比較近，對駕駛室內(nèi)溫度影響比較大。

QE=Ke·Fe（te-tb）

Ke鈑金材料導熱系數(shù)（W/m·℃）=45，F(xiàn)e=0.3m2考慮到該重裝叉車實際情況，可參考選取te=75℃

QE=13.5×（75-25）=675W[4]

綜合以上，整車熱負荷為：QT=Q玻+Q車+Q風+Q人+Q電 =4203.1（W）

制冷量 Q0=kQT，k 為修正系數(shù)，k=1.05～1.15，取 1.1，則Q0=4623.4（W）。

3? ?制冷循環(huán)熱力計算

3.1 設(shè)計工況的確定

空調(diào)系統(tǒng)的工作R134a壓焓圖如圖2所示。

其中：

冷凝壓力Pk=1.6MPa（絕對壓力）;

對應(yīng)的冷凝溫度tk=57.92℃;

蒸發(fā)壓力P0=0.3MPa（絕對壓力）;

對應(yīng)的蒸發(fā)溫度t0=0.65℃;

蒸發(fā)器過熱度Sh=5℃; 冷凝器過冷度Sc=5℃。

3.2 各狀態(tài)點參數(shù)的確定（查圖2可得）

點1（蒸發(fā)器出口）：

壓力P1=0.3MPa;溫度t1=5℃;焓值h1=395kJ/kg;

比容v1=0.069380m3/kg

點2（壓縮機出口）：

壓力P2=1.6MPa; 溫度t1≈95℃。

點3（膨脹閥前）：

壓力P3=1.6MPa; 溫度t3=57.9-5=52.9℃;

焓值h3=276.6kJ/kg。

點4（蒸發(fā)器進口）：

壓力P1=0.3MPa; 溫度t4=0.65℃;

焓值h4=h3=276.6kJ/kg。

3.3 制冷劑質(zhì)量流量和體積流量

4? 壓縮機選型及校核

Vp=V/（n×ηv），Vp壓縮機排量，V——體積流量，如上計算，取V=2532ml/s;[6]

n——壓縮機轉(zhuǎn)速，取n=1800rpm;

ηv——壓縮機容積效率，取0.8。

跟該重裝叉車所配幾款發(fā)動機預留壓縮機安裝尺寸，可選取GY5H14（排量為138 ml/r）以上壓縮機滿足要求。

5? 冷凝器能力計算

Q0為系統(tǒng)制冷量，？準為冷凝器負荷系數(shù)，其值與制冷劑種類與運行工況有關(guān)，具體數(shù)值可查氟利昂系統(tǒng)？準時間的關(guān)系曲線（此處略），取值1.5。實際設(shè)計中還要考慮20-40%的富余，取值n=40%。所以Qk=1.4×1.5×4623.4=9709W=9.7kW。

冷凝器傳熱面積：冷凝器實際換熱量Qk=kA

A為冷凝器傳熱面積，K為單位換熱量，推薦使用4m/s時對應(yīng)換熱量6W/cm2[5]。

故冷凝器傳熱面積：A=0.16m2。根據(jù)駕駛室實際預留安裝尺寸，冷您器寬度不超過0.38m，長度不超過1.1m。

6? 送風量的確定

風機的送風量：V=Q0/（h入-h出）

式中：Q0——蒸發(fā)器制冷量;h入——蒸發(fā)器入口空氣焓值;h出—蒸發(fā)器出口空氣焓值。

蒸發(fā)器入口的空氣狀態(tài)：

入口溫度t出=25℃，入口空氣相對濕度50%。

出口空氣狀態(tài)取為：

出口溫度t出=8℃，出口空氣相對濕度90%。

蒸發(fā)器進出口空氣狀態(tài)確定后，就可以通過查濕空氣焓濕圖確定各參數(shù)值：

所以，風機的理論送風量：

實際送風量的確定還需要綜合考慮蒸發(fā)器迎面風速、駕駛室氣流組織、風道及散流器結(jié)構(gòu)等。因此實際送風量應(yīng)有個1.1-1.3的矯正系數(shù)。本文根據(jù)實際情況選取系數(shù)為k=1.3，因此：

7? 結(jié)論

本計算結(jié)果是根據(jù)環(huán)境溫度為38℃得來，在該工況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷量為4.623kW。壓縮機可選型為5H14（排量為138ml/s）以上排量斜盤式壓縮機。

在該工況下，冷凝器換熱能力應(yīng)大于9.7kW，傳熱面積應(yīng)大于0.16m2，根據(jù)駕駛室實際預留安裝尺寸，冷凝器選用平行流式冷凝器，寬度不超過0.38m，長度不超過1.1m。蒸發(fā)器制冷量為4.623kW，單層散熱面尺寸根據(jù)整車預留空間。送風量應(yīng)不小于572m3/h。

參考文獻：

[1]陳天祥.電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017.

[2]潘仕瑯.電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量的計算分析，2018-10-15.

[3]李明，等.汽車空調(diào)負荷計算方法對比[C].2010中國汽車工程學會年會論文集，2010，07.

[4]曾國文.汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配計算及研究[D].華南理工大學，2016-09-01.

[5]許振華.汽車空調(diào)冷凝器選型設(shè)計研究[J].汽車電器，2017-04.

[6]李昕.淺析某輕卡空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車實用技術(shù)，2017-09-15.