1、汽车空调制冷系统匹配计算及研究摘 要随着汽车工业的迅速发展以及人们对汽车舒适性的更高要求，汽车空调已经成为汽车的标配，汽车空调的制冷系统的设计是否合理不仅对汽车空调的舒适性能起着举足轻重的作用，也对汽车的节能减排性能有着重要的影响。汽车空调的制冷系统的设计本着满足使用要求、各个部件合理匹配的原则进行设计，使汽车空调既能满足车辆的制冷需求又达到经济节能的目的。本文首先讨论汽车空调制冷系统匹配计算及研究的意义，阐述汽车空调制冷系统匹配计算及研究的现状，包括空调舒适性研究的现状和空调制冷系统各个组成部分的特点和研究的现状。然后对汽车空调制冷系统的工作原理进行分析，总结常见类型的经济性轿车制冷系统特点
2、。其次根据经济性轿车舒适性要求选取适当的车内车外参数结合轿车空调的实际工作环境建立热平衡模型，围绕确立的热平衡方程研究汽车车内热负荷的计算方法，根据研究的计算方法对目标车辆车内热负荷进行计算。最后根据车内热负荷的计算结果并结合每个制冷部件的特点对目标车辆制冷系统的各主要部件进行匹配计算和选型，经与同类型车辆的汽车空调制冷系统参数进行比较，计算结果比较接近真实车辆空调的情况，进一步验证计算方法的可靠性。证明本文的汽车空调制冷系统匹配设计计算方法和结果满足经济性轿车空调制冷系统的设计要求，对汽车空调制冷系统的设计起到重要的借鉴作用，对类似车型空调的设计做出有益的探索。关键词：汽车空调；热负荷计算；
3、制冷系统；匹配计算；参数制定IIABSTRACTWith the rapid develpement of the automobile industrial as well as many people have higher requirements about the automobile comfort, the automobile air conditioning has become a standard of the automobile, whether the refrigerating systems design of the automobile air condit
4、ioning is reasonable, not only has a great influence on the comfort of theair conditioning, but also the energy conservation and emissions reduction of the vehicle. The design of automobile air conditioning refrigerating system is according to meet the using needs and coordinate all the parts to wor
5、k together, which makes automobile air conditioning not only meet the vehicle refrigeratings need, but also reach the goal of economical efficiency.First, the article discussed not only the matching calculation and researchs meaning of the automobile air conditioning refrigerating , but also the cha
6、racter and research status of all the parts combined in this system, and then ,it also analyzes of the operating principle of the automobile air conditioning refrigerating system and concludes the character of common typeof economic cars refrigerating system.And in the next place, according to the n
7、eed of comfore of the economic cars we can choose parameters of the car inside and outside properly ,which combines with actual works of the car air conditioning to make a heat balance pattern. And surrounding by this established heat balance equation ,we can research the way of cars internal heat l
8、oad ,and we can compute the internal heat load of the target vehicle by this way . Finally, according to the result of this method and the character of every parts combined in refrigerating system, it helps do the matching calculation and model selections beyon the target vehicles. By compairing wit
9、h the same cars automobile air refrigerating system parameters, parameter the computing result comes close to the reality cars condition, which further testify this computing method is reliability. It proves that the matching of the air conditioning refrigerating and the design of the computing meth
10、od and conclusion in this article meets the needs of the design of economic cars air conditioning refrigerating system, which not only has a great influence on being referred, but also benefits to explore thedesign of air conditioning among the similar vehicle models.IIIKey Words: Automobile air con
11、ditioning; Heat load calculation, Refrigerating system; Matching comput, Parameter formulationIV目 录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 汽车空调制冷系统匹配计算及研究的意义 .11.2 国内外汽车空调制冷系统匹配计算及研究的发展现状 .11.2.1 空调的舒适性研究 .21.2.2 压缩机对空调调制冷效果影响的研究 .61.2.3 冷凝器对空调调制冷效果影响的研究 .71.2.4 储液干燥过滤器对空调调制冷效果影响的研究 .91.2.5 节流装置对空调调制冷效果影响的研究
12、 .101.2.6 蒸发器对空调制冷效果影响的研究 .121.3 论文的主要研究内容 .13第二章 汽车空调制冷系统研究 .162.1 汽车空调制冷系统的工作原理 .162.2 汽车空调制冷系统的类型及特点分析 .192.3 本章小结 .21第三章 汽车空调热负荷的设计计算 .223.1 汽车空调的舒适环境 .223.1.1 车内设计参数的选择 .223.1.2 车外设计参数的选择 .233.2 汽车空调热负荷的组成 .233.2.1 热平衡模型 .233.2.2 热平衡方程 .243.3 汽车空调热负荷计算 .243.3.1 各部分热负荷计算 21 .243.3.2 太阳辐射特性计算 22
13、.303.4 空调热负荷设计计算与分析 .333.5 影响空调热负荷的主要因素及减少热负荷的途径 .46V3.6 本章小结 .47第四章 空调制冷系统各部件的匹配设计和主要参数制定 .484.1 汽车空调制冷系统的热力计算 .484.1.1 制冷系统设计工况的确定 .484.1.2 制冷系统的热力计算 .504.2 汽车空调用压缩机的匹配设计 .524.3 汽车空调系统换热器的匹配设计 .524.4 节流机构的匹配设计 .674.5 储液干燥过滤器匹配设计 .694.6 汽车空调系统管路设计 .694.7 风机的匹配设计 .704.8 本章小结 .70第五章 汽车空调制冷系统性能的测定 .72
14、5.1 试验依据 .725.2 试验准备 .725.2.1 车辆准备 .725.2.2 设施和环境条件要求 .745.2.3 测试使用到的仪器 .745.3 试验过程及数据统计分析 .755.3.1 汽车空调制冷系统稳定工况降温性能试验 .755.3.2 汽车空调制冷系统稳定工况舒适性试验 .785.3.3 汽车空调制冷系统变工况降温性能试验 .805.3.4 汽车空调制冷系统结霜试验 .815.3.5 汽车空调制冷系统压力试验 .825.4 本章小结 .83总结与展望 .84攻读硕士学位期间取得的研究成果 .85参考文献 .86致 谢 .90第一章 绪论1第 1 章 绪论1.1 汽车空调制冷
15、系统匹配计算及研究的意义自汽车诞生以来，经过 100 多年发展的历程，人们一直在对其进行完善并创新，可以说汽车是人类智慧的结晶，不同时期人类的最新科技发展结晶都在汽车上得以应用，特别是得益于近代石油、钢铁、铝、塑料、化工、电力、机械设备、道路网、电子技术等行业飞速发展的有利影响，汽车保有量迅速增长，根据 2014 年的数据统计，我国当年的汽车产量和销量都超过了 2300 万辆，作为汽车标配之一的汽车空调，其对汽车的乘坐舒适性和汽车的能耗都有重大的影响 1。汽车空调的作用是对汽车乘座空间内的空气的温度、湿度、空气的循环、空气的洁净程度、空气的流动速度等进行调节，随着汽车的产量和普及率的不断提升，
16、改善车内空气的质量，提升乘坐的舒适性就是在提升人们的生活品质和改善人们的健康状况，良好的汽车空调提供的舒适环境也对驾驶人员的心理生理有良好的调节作用，使得驾驶人能更好地对汽车进行操作，降低了交通事故的发生率。由于汽车空调的运行环境比较特殊，使用要求不同于其他类型的空调，需要针对其进行专门的研究。汽车不仅仅局限于满足最基本的出行需求，同时也要为乘员提供舒适的乘坐环境，所以汽车空调的发展空间巨大，一部好的空调并不是使用的元件优良就行，每个元件的匹配配合也是关键因素，元件之间匹配良好的空调不仅节约制造成本，更能发挥出最佳的运行效率，所以对汽车空调制冷系统的匹配计算及研究意义重大。1.2 国内外汽车空
17、调制冷系统匹配计算及研究的发展现状近年来基于汽车空调的研究主要集中在以下几个方面的研究：(1）空调舒适性的研究：汽车的内部空间比较狭小，乘员和座位都比较密集，乘员和座位基本上都不移动，由于拥挤的空间造成的气流的流动障碍，在车内很难形成均匀的温度和均匀的气流。于是在设计空调系统时如何使温度均匀和气流均匀，让空调带来更加舒适的乘车环境成了一个研究的课题。(2）汽车空调负荷的分析计算的研究：与其他类型的空调对比，汽车空调为了使车内能迅速地调节好温度，必须具备较大的负荷变化能力；汽车空调的还具有受外界华南理工大学工程硕士论文影响较大的特点，例如车窗面积较大容易受太阳辐射的影响、汽车发动机温度较高向车厢
18、内传递热量的影响；汽车空调的工作环境也经常变动，例如汽车速度的变化、汽车外部环境温度的变化、汽车使用地区的不同、四季的变化等；另外，车体各部件的热容量也比较小。在设计汽车空调时对汽车空调负荷的计算分析以稳态的方法为主，非稳态的计算分析方法做为辅助。(3）汽车空调制冷系统的研究：安装于汽车上的空调制冷系统与应用于别的环境下的制冷系统是不同的，必须满足汽车所处的环境频繁变化的需求；由于汽车可利用空间的限制，冷凝器一般布置于汽车的前方，这样吹到冷凝器表面的气流就会受车外环境变化的影响，也会受到汽车行驶速度的影响；汽车空调制冷系统的部分元件也会受到汽车其他部件的影响，例如发动机的热量的影响等；汽车空调
19、的压缩机是由发动机带动的，但是发动机的转速又是经常变化的，也必须想方法减少这对制冷系统工作的影响；因此，对汽车空调制冷系统的研究也是一个相当复杂的过程。1.2.1 空调的舒适性研究汽车空调的工作原理虽然与其他空调的工作原理相同，但是汽车空调的运行条件跟其他类型空调的运行环境是不同的，由于汽车的移动性，汽车所处的外部环境会随着汽车的移动不断地变化，而且由于汽车的外观形状和内部空间等方面的制约，汽车空调要达到舒适的要求会有很多的限制，目前很多汽车装配的空调仅能起到调节温度的作用，这是达不到人们的舒适要求的。人们对周围环境的感觉不仅仅由温度的高低来决定，还受到风速、湿度、噪声、压力、气味、灰尘、细菌
20、、个人的生活习惯、衣着情况和年龄性别等的影响，然而，当人身体产生的热量和人体散发到周围环境中的热量相等时，人体就因为处于热平衡状态下而感觉到舒适，人体热平衡的影响因素包括了车内温度、车内湿度、车内空气的污染情况、车内空气的流动速度和流动方向等。根据目前的研究，评价客车空调舒适性的量化指标主要考虑以下三个：车内热环境评价指标、车内空气品质评价指标、车室内气流组织评价指标 2。下面对这三个指标一一说明。(1) 车内热环境评价指标车内热环境的评价不能简单地使用唯一的指标来评估，因为人体的舒适感觉是由多种因素的综合作用产生的，所以评价的指标必须能反映出是多种因素共同作用产生第一章 绪论3的结果，根据国
21、际标准化组织(ISO)公布并且使用的标准 ISO7730，室内热环境的评估采用以下两项指标来衡量，它们是 PWV 和 PPD3。PMV 是大部分人对周围热环境的感受的投票结果的平均数；PPD 表示不满意百分比的预测数，并推荐在热环境中-0.5PMV+0.5、 PPD10。这些指标是综合的指标，是考虑了温度、湿度、空气品质、每个人的穿着情形、空气的流动情况、光照情况等综合作用结果的指标。这些指标比较科学合理并已经成为了有效的评估热环境的参数。PWV=(0.303e-0.036M+0.028)M-W-3.0510 -35733-6.99(M-W)-Pa-0.42(M-W)-58.15-1.710-
22、5M(34-ta)-3.9610-8fcl(tcl+273)-(tr+273)-fclhc(tcl-ta)/3.6 (1-1)(1-2)0.2179PWV+-(0.35P249e1=PD式中：M 一人体热量代谢率，Wm 2；W 一人体所作的机械功，Wm 2；ta 一人体周围空气温度，；Pa 一人体周围的水蒸气分压力，Pa；fcl 一穿衣面积系数，与衣服热阻有关；tcl 一衣服外表面温度，；tr 一车内的平均辐射温度， ；hc 一对流换热系数，KJ (m 2h)。坐在车内的乘员的穿着情形和在车内的位置是很少改变的，而且当车内的相对湿度不大于 66%时，乘员的感受变化很小。所以，按照影响大小情况来
23、排序，对人体影响情况排在前三位的应该是空气的湿度温度和车内的气流流动情况，PWV 和 PPD 的数值大小取决于三个参数：分别是车内的气温、阳光辐时对车内的影响、车内的空气的流动的速度。(2) 室内空气质量评价指数虽然对空气质量影响的因素有很多，污染物的种类也有很多，但是评价指标只能考虑到主要的影响因素，目前主要考虑并量化的指标主要有十项，包括了：新风的补充量、CO 、CO 2、能随呼吸进入人体的微型颗粒、SO 2、甲醛、细菌量、湿度、温度、风速。根据美国暖通工程师协会提出的其中一个标准中规定了一个可接受的空调环境被认为是要达到 80%以上的人对其满意而且没有达到威胁人体健康的浓度的污染物 4。
24、华南理工大学工程硕士论文同样，作为一个可移动的空间的乘用车，其内部的空气质量是影响乘客的舒适性的一个重要因素。通常用以下五个参数来评价车内空气质量的好坏，包括了：新风的补充量、CO、CO 2、氧气的浓度、能随呼吸进入人体的微型颗粒浓度。新鲜空气的补充量是影响车内乘员舒适感觉的其中一个重要的方面，考虑了车内的空间是比较狭窄的，通常用以下的计算公式来计算需要补充的新鲜空气的量：(1-3)V(kg/s)n4-10 2.7=Gw式中：n 一车室内乘员数；一车室内的空气密度，kg/m 3；V 一乘员的平均新鲜空气量，通常要求人均 10 30m3/h。此外，为了防止车外的空气未经过过滤等空气处理装置的处理
25、就通过缝隙进入车内，补充的新风量应足够让车内空间保持正压状态，补充的新鲜空气的量必须大于换气装置和车身缝隙排出的风量的和。如果式 1-3 计算出来的值小于让车内空间保持正压状态所需要的新风量，那补充的新风量就应以让车内空间保持正压状态所需要的新风量为准。(3) 车室内气流组织评价指标车内气流的组织包括了车内气流的流动方向和流动速度等，如果气流组织科学，那么车空间的温度就会比较均匀，湿度比较合理，气流的速度符合人体需求，一个科学合理的气流组织既要让乘员感觉舒适，又要满足节能的要求，气流的组织是否科学，通常可以通过以下的参数进行评估。1) 表示车内空气温度不匀称程度的指数 Kt、 表示车内空气速度不匀称程度的指数Kv、在规定温度和速度范围内的测试点占总测试点的比例数 F在车内空间找出 n 个点并且对它们的温度 tx 以及速度 vx 进行测量，然后算出车内空间的温度算术平均值 tpj 和速度的算术平均值 vpj 以及工作区温度均方根偏差 t、速度均方根偏差 v，然后计算车内空气温度不匀称的指数 Kt 和车内空气速度不匀称的指数Kv。（1-4）nttxpj
