汽車空調系統(tǒng)設計

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畢業(yè)設計（論文）任務書課題名稱： 汽車空調系統(tǒng)設計 系 別： 汽車工程系 專業(yè)班級： 車輛工程 082 姓 名： 學 號： 指 導 教 師： 教研室主任： 系常務副主任： 二〇一一 年 十一 月 二十二 1摘 要汽車空調系統(tǒng)是實現(xiàn)對車廂內空氣進行制冷、加熱、換氣和空氣凈化的裝置。它可以為乘車人員提供舒適的乘車環(huán)境，降低駕駛員的疲勞強度，提高行車安全?？?調裝置已成為衡量汽車功能是否齊全的標志之一。汽車空調的作用已是眾所周知。汽車空調裝置已不再是豪華奢侈的象征，不僅轎車、客車 上采用空調，貨車、工程車上也紛紛安裝空 調裝置。人們對空調的需求越來越迫切，對 汽車空調質量的要求也越來越高。近幾年來，國內公路大量新建，尤其是高速公路迅速發(fā)展，有力地 帶動了公路客運事業(yè)特別是高速客運事業(yè)的迅猛發(fā)展。同時，隨著地球表面日益變暖和人民生活水平的提高，促進城市公交開始采用空調客車， 這兩方面因素造成對客車空調器的需求大增。由于客車車型基本上都是國內自行開發(fā)的，其空調系統(tǒng)需國內客車廠和空調器廠自行設計、配套，所以汽車制造廠、空 調器制造廠及空 調器維修站迫切需要了解汽車空調的有關知識。伴隨汽車空調的普及與發(fā)展，汽車空調的發(fā)展大體上歷經了五個階段：單一取暖階段、單一冷氣階段、冷暖一體化階段、自動控制階段、計算機控制階段?？照{的控制方法也歷經了由簡單到復雜，在由復雜到簡單的過程，作為汽車空調系統(tǒng)的電路控制方面也在不斷更新改進。關鍵詞:汽車空調 故障診斷 維修 注意事 項1AbstractAutomotive air conditioning system is the realization to the inside of the train air for refrigeration, heating, ventilation and air purification devices. It can provide comfortable for a ride by bus driver of the environment, reduces the fatigue strength, improve the driving safety. Air conditioning unit has become a car is all ready function to measure one of the marks. The role of automotive air conditioning is well known. Automotive air conditioning unit is no longer a luxury, not only the symbol of cars, buses, trucks, the air conditioning engineering installation of air-conditioning equipment in the car. People of the air conditioning needs more and more urgent, to the requirements of the quality of the automotive air conditioning more and more is also high. In recent years, the domestic highway, especially a new highway rapid development, effectively drive the highway passenger transport business, especially the rapid development of high speed passenger transport business. At the same time, with the surface of the earth is warming and the improvement of people's living standard, promote the city bus began to USES air conditioning coaches, the two factors of air conditioner fuelled by the demand for passenger cars. Due to the passenger cars were largely developed by the domestic, and the air conditioning system should be domestic car factory and air conditioner factory to design, form a complete set, so the car manufacturers, air conditioner manufacturers and the urgent need to understand automobile air conditioner pit on the knowledge of air conditioning. Along with the development and popularization of automotive air conditioner, air condition in the development through five stages: a single heating stage, a single air conditioning phase, the changes in temperature and integration phase, automatic control stage, computer control stage. Air conditioning control method also after from simple to complex, from simple to complex in the process, as the air conditioning system of the car circuit control are constantly updated improvement. Keywords: Automotive air conditioning Fault Diagnosis Maintenance Note 1目錄摘要…………………………………………………………………………………Abstract……………………………………………………………………………第 1 章 緒 論……………………………………………………………………第 2 章 方案論證…………………………………………………………2.1 汽車安裝空調的提出……………………………………………………2.2 汽車空調的特點…………………………………………………………2.3 汽車空調的組成…………………………………………………………2.3.1 汽車空調壓縮機的選用………………………………………………2.3.2 蒸發(fā)器的選用…………………………………………………………2.3.3 冷凝器的選用……………………………………………………2.3.4 節(jié)流膨脹機構………………………………………………………2.3.5 其他部件……………………………………………………………2.4 貨車空調制冷劑的選擇……………………………………………………2.5 初步方案………………………………………………………………………第 3 章 貨車空調系統(tǒng)的設計及計算……………….3.1 確定空調制冷量…………………………………………………………3.1.1 工況條件的確定……………………………………………………3.1.2 制冷量的確定……………………………………………………………3.2 壓縮機的選配……………………………………………………………3.2.1 循環(huán)狀態(tài)參數(shù)的確定…………………………………………………3.2.2 循環(huán)熱力計算……………………………………………………………3.2.3 壓縮機選配………………………………………………………………3.3 膨脹閥的選擇………………………………………………………………3.4 蒸發(fā)器的設計計算…………………………………………………………3.4.1 工況參數(shù)確定………………………………………………3.4.2 初步規(guī)劃…………………………………………………………3.4.3 干工況和濕工況下空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算…………………3.4.4 計算析濕系數(shù)與濕工況下空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………… 13.4.5 初步估算迎風面積和總傳熱面積……………………………………3.4.6 計算制冷劑側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)……………………………………3.4.7 計算總傳熱系數(shù)和傳熱面積……………………………………….3.4.8 計算空氣側阻力損失 ……………………………………………pa?3.5 冷凝器設計計算…………………………………………………3.5.1 工況參數(shù)確定………………………………………………………3.5.2 結構初步規(guī)劃………………………………………………………………3.5.3 空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算…………………………………………………3.5.4 制冷劑側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) ……………………………………………r?3.5.5 冷凝器長度計算……………………………………………………………3.5.6 校核空氣流量………………………………………………………………3.5.7 計算空氣側阻力損失………………………………………………3.6 汽車空調電子控制系統(tǒng)的設計…………………………………………………3.6.1 汽車空調的壓力控制系統(tǒng)……………………………………………3.6.2 安全保護系統(tǒng) ……………………………………………………3.6.3 溫度控制系統(tǒng)…………………………………………………………3.6.4 風機控制系統(tǒng)…………………………………………………………3.6.4.1 冷凝器風機繼電器………………………………………………3.6.4.2 蒸發(fā)器風機轉速控制器……………………………………………第 4 章 程序的設計………………………………………4.1 壓縮機的選配………………………………………………………………4.2 蒸發(fā)器的計算………………………………………………………………4.3 冷凝器的計算……………………………………………………………結 論…………………………………………………………………………………致 謝…………………………………………………………………………………參考文獻…………………………………………………………………………………1第一章 緒 論空調是空氣調節(jié)器（Air Conditioner or A/C）的簡稱。在炎熱的夏季或寒冷的冬季里，空調作為改善室內環(huán)境舒適性的主要途徑，正在我們的生活中發(fā)揮重要的作用。汽車------作為生活中主要的交通工具，其駕駛室環(huán)境更加惡劣------ 冬冷夏熱。因此汽車也需要使用空調來改善駕駛室內的環(huán)境舒適性。汽車空調的功能是用來調節(jié)駕駛室和車廂內空氣的溫度、濕度和潔凈度，并使車廂內空氣流通，讓駕駛員和乘客感到舒適的一種汽車附屬裝置。汽車誕生距今已有 100 多年了，但第一臺汽車空調裝置直到 1927 年才出現(xiàn)。當時汽車空調的內容僅僅是加熱器和通風系統(tǒng)。1940 年，英國 Packard 汽車公司第一次提供了通過制冷方式使車內空氣涼爽的方法。第二次世界大戰(zhàn)后，汽車空調開始有了實質性的發(fā)展，在技術上和數(shù)量上都有了很大的提高。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，汽車開始走進千家萬戶。人們在一貫追求汽車安全性、可靠性的同時，如今也更加注重對舒適性的要求。因而，空調系統(tǒng)作為現(xiàn)代轎車基本配備，也就成了必然。目前，汽車空調已經廣泛應用在現(xiàn)代汽車上。它不僅可以改善駕駛員的工作條件，提高其工作效率和駕駛安全性，同時還可以提高汽車等級，改善汽車的乘坐舒適性。汽車空調不再是一種奢侈品，而是汽車現(xiàn)代化的重要標志之一。目前發(fā)達國家乘用車空調安裝率已達 90%以上，而且大多數(shù)采用自動控制。我國雖然起步較晚，但近年來發(fā)展也很快。近年來環(huán)保和能源問題成為世界關注的焦點，也成為影響汽車工業(yè)發(fā)展的關鍵因素。各種替代能源動力車的出現(xiàn)為汽車空調業(yè)提出了新的課題與挑戰(zhàn)。隨著我國國民經濟水平的日益提高及汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車正逐步進入家庭，在近幾年汽車保有量急劇增加的同時，人們對汽車舒適性的要求也越來越高了。汽車空調裝置作為汽車舒適性的一個重要方面，在汽車上已經相當普及 [1]。我國汽車空調的安裝隨著汽車工業(yè)的發(fā)展已達到 100%的普及型，空調已成為現(xiàn)代汽車的一項基本配備，給汽車空調的使用與維修帶來了新的挑戰(zhàn)。論文最后以汽車空調的故障檢修的方法，對汽車空調系統(tǒng)的在深入探究，已達到對汽車空調系統(tǒng)的了解，并運用在實際工作中。汽車空調系統(tǒng)采用的是蒸發(fā)壓縮式制冷原理，主要有以下幾大部件：① 蒸發(fā)器、② 壓縮機、 ③ 冷凝器、 ④ 干燥器、⑤膨脹閥、⑥ 其他附屬裝置。它的制冷原理是利用冷媒在其氣液兩相變換過程1中的熱量交換實現(xiàn)對車輛內部環(huán)境的調整：當液態(tài)制冷劑流經蒸發(fā)器時，吸收車輛內部的熱量，使得駕駛員和成員感受到頭涼腳暖的效果。本次設計的系統(tǒng)采用R-134a制冷劑，平流式冷凝器，層疊式蒸發(fā)器和渦旋式壓縮機。該設計講述了貨車空調系統(tǒng)組件的選擇過程，并對冷凝器和蒸發(fā)器做出設計。1第二章 方案論證2.1 安裝汽車空調的提出空調是汽車現(xiàn)代化標志之一，已成為現(xiàn)在汽車的標準配置。汽車空調的基本功能是在任何氣候和駕駛條件下，都能改善駕駛員的工作條件和創(chuàng)造舒暢的行駛環(huán)境。隨著汽車技術的不斷發(fā)展，對舒適性的要求越來越高。舒適性是由舒適性是人對車內的溫度，濕度，空氣流速，含氧量，有害氣體含量，噪聲，壓力，氣味，灰塵，細菌等參數(shù)指標的感覺和反映決定的?，F(xiàn)代汽車空調就是將車內空間的環(huán)境調整到人體最適宜的狀態(tài)，創(chuàng)造良好的工作環(huán)境和勞動條件，以提高駕駛員的勞動生產率和駕駛安全；同時，保護駕駛員的身體健康，利于乘員旅游觀關，學習或休息。為此，現(xiàn)在汽車空調系統(tǒng)的功能可以概括為以下幾方面；1.調整車內溫度 2.調整車內濕度 3.調整車內氣流速度 4.凈化車內空氣 5.定期更換車內空氣 6.調節(jié)送風方向 7.控制車內溫度分布及波動。等等這些，汽車業(yè)主更愿意花錢買有空調的汽車。2.2 汽車空調的特點①汽車直接暴露在室外，承受日曬雨淋和泥沙侵蝕，環(huán)境條件惡劣，乘員的出入頻繁及車內乘員占空間比大，要求車室內的空氣參數(shù)能迅速調節(jié)到位因此需要空調系統(tǒng)必須有一定的儲備能力。②汽車的門窗面積占整車外表面積的比例較大，給密封和隔熱帶來一定困難。③車速變化的偶然性（尤其是對于被動式驅動方式的汽車空調系統(tǒng)，因車速變化直接影響到空調系統(tǒng)壓縮機的轉速）增加了對汽車空調系統(tǒng)變工況運行控制的難度。④車內空間的限制不但給空調系統(tǒng)的布置造成困難，而且由于部件間的間距有限，在一定程度上影響了換熱器的換熱效果。 ⑤路面顛簸不平引起的振動或因沙石的撞擊，泥沙的腐蝕性等容易引起制冷劑的泄漏。⑥車用空調裝置的結構、外觀設計和布置，除必須與車身內飾和外觀協(xié)調、統(tǒng)一，保持整車的完美以外，必須考慮其對汽車底盤、車身等結構件及汽車行駛穩(wěn)定性、安全性的影響，這是普通空調設計不會碰到的。⑦動力源多樣⑧結構緊湊、質量小2.3 汽車空調的組成汽車空調的組成和其他空調系統(tǒng)的組成大都相同，都是由空調壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流膨脹機構和其他部件等幾部分組成。下面針對每一個組成部件進行具體的討論，對他們的選用給出具體的依據。2.3.1 車空調壓縮機的選用力空調壓縮機是汽車制冷系統(tǒng)的心臟，是推動制冷劑在制冷系統(tǒng)中不斷循環(huán)的1動源，變排量壓縮機還起著根據熱負荷大小調節(jié)制冷劑循環(huán)量的作用。除部分客車空調（獨立式空調）壓縮機是由專門的輔助發(fā)動機驅動外，大部分汽車空調壓縮機均由汽車主發(fā)動機驅動（非獨立式空調），壓縮機的轉速與發(fā)動機呈一定比例在很大的轉速范圍內同步變化，再加上其固定是通過支架與發(fā)動機剛性連接。因此汽車空調制冷系統(tǒng)對壓縮機有更高的要求：①. 由于汽車使用區(qū)域廣，各地的熱、濕負荷變化大，在設計、選用壓縮機時，應能保證在；極端情況下仍能具有令人滿意的降溫性能；②. 要有良好的低溫性能，在怠速和低速運轉時，具有較大的制冷能力和較高的效率。③. 降溫速度要快，即乘員進入車內后，制冷系統(tǒng)應能在最短的時間內滿足乘員的舒適性需要；④. 由于汽車空調系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力變化大，怠速時達到很高的冷凝壓力，要求壓縮機有較好的耐壓性和耐滲透性，同時為安全起見，應裝有泄壓閥。壓縮機類型特 點立式壓縮機 傳統(tǒng)結構，工藝成熟，零件數(shù)量少，可靠性好，但是其效率低，尺寸大，轉速不易提高斜板式壓縮機往復活塞式結構，通過多缸化、全鋁化、改進潤滑方式、簡化結構等措施，更加小型、輕量化。但其零件數(shù)較多，零件互換性較差，工藝要求高。它的能量調節(jié)是突變性的、有級的，不利于車內環(huán)境的穩(wěn)定，而且對發(fā)動機的穩(wěn)定工況有不利的影響，且節(jié)能效果不顯著臥式壓縮機旋轉式壓縮機結構緊湊、效率高、轉速高、工藝要求更高，渦旋式和三角轉子式是近年來出現(xiàn)的許多體積小、重量輕、效率高、省動力、節(jié)能型車用空調壓縮機的代表。它們的能量調節(jié)是無級變化的，節(jié)能效果顯著三角轉子式壓縮機由于加工難度大，質量難以保證這以致命弱點，現(xiàn)在國外已不再生產。渦旋式壓縮機 密封性好、容積效率高、一般可達 90%以上；結構簡單，零件數(shù)少；國內已經可以批量生產，已有廠家實現(xiàn)流水線作業(yè)生產汽車空調壓縮機一般采用開啟式、容積式結構，除部分由輔助發(fā)動機直接帶動外，1大多靠電磁離合器由帶輪與發(fā)動機通過傳動帶進行連接。中、小型汽車空調壓縮機以擺動斜盤式、旋轉斜盤式、蝸旋式和滑片式為主。斜盤壓縮機又分旋轉斜盤式和擺動斜盤式兩種，是目前應用最多的機型，其結構緊湊，便于向變排量壓縮機轉化。目前，批量生產的變排量壓縮機，基本上都是由斜盤壓縮機衍生而來的，蝸旋變排量壓縮機只占市場份額的極小部分。旋轉壓縮機以結構緊湊、效率高、允許轉速高為主要特點，但工藝要求高，加工困難，怠速時效率降低。由于結構上迎合了汽車廠追求高轉速的要求，隨著工藝的進步、結構形式的改進，蝸旋壓縮機的蝸旋盤加工等工藝問題已基本得到解決。從目前空調壓縮機的發(fā)展趨勢來看，空調壓縮機制造技術不斷追求的目標：①. 結構緊湊 ②. 高效節(jié)能 ③. 微振低噪 ④. 綠色環(huán)保。如圖2.3.2 蒸發(fā)器的選用首先綜述一下空調熱交換器。汽車空調的熱交換器有冷凝器和蒸發(fā)器兩大主要器件?，F(xiàn)在這兩大部件都在采用鋁質材料方面的技術已經比較成熟；再加上鋁材質輕；加工性能良好，可以采用多種成型和裝配技術；其在低溫下不易發(fā)生斷裂，有較好的延伸性；鋁材沒有毒性，沖擊后不產生火花，不帶磁性，使用安全。所以本課題采用鋁質換熱器。蒸發(fā)器芯和加熱器芯的結構型式主要有管片式、管帶式和層疊式。管片式 管片式換熱器主要結構和冷凝器類似，只是由于兩者的安裝位置和空間限制的影響，在具體形狀和尺寸上有所差別。其方法是將厚度很薄的鋁箔，按管組排列方式，在高速沖片機上沖出折邊孔，肋片可以做成整張的，也可以由幾張拼制而成。然后將圓管穿入肋片孔中，為保證鋁箔的孔邊與圓管接觸良好，減小接觸熱阻，必須將安裝好的管片在專門的脹管機上進行脹管，以使管子和肋片之間的接觸面上有一定的接觸應力。管帶式與管片式相比，一般說來管帶式的傳熱效率比管片式高 10%左右，并且管帶式重量輕；零件數(shù)少，便于管理；管子接頭焊接點少，制冷劑泄漏的可能性小，1抗震性能比管片式好。但是管帶式的管子與散熱帶的連接需焊接，鋁焊接工藝比較復雜，難度較大，且其一般式一條通路，制冷劑要通過整個管道，阻力損失較大。故此次的課題不選擇管帶式。層疊式（板翅式） 層疊式蒸發(fā)器是由兩片沖成復雜形狀的鋁板，疊在一起形成夾板組成制冷劑通道，每兩個夾板之間放置有波浪形散熱帶，然后一層層疊起來。層疊式蒸發(fā)器同樣需要雙面復合鋁材，并且焊接要求較高，兩片鋁板之間只要存在未焊住的微小隙縫，就會發(fā)生制冷劑泄漏。因此這種形式的蒸發(fā)器的加工難度很大，但換熱效率也很高，結構緊湊。是現(xiàn)在最常見的蒸發(fā)器芯體結構形式。本課題采用此結構作為蒸發(fā)器芯體的結構層疊式蒸發(fā)器芯體盡管在熱工性能及體積和質量等方面有其優(yōu)點之處。然而，它也在一些方面存在問題。例如：對模具制造的要求更高，制造費用昂貴；制造、裝配、焊接的工藝復雜，要求高；有時還存在制冷劑流動噪音較大等問題。下面對于管片式、管帶式、層疊式在各個方面進行比較，結果如表12.3.3 冷凝器的選用冷凝器的作用是使由壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進行熱交換，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑轉變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，并把熱量散發(fā)到車外環(huán)境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態(tài)，發(fā)生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發(fā)生集態(tài)變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結階段釋放的。汽車用冷凝器均采用鋁，主要是考慮鋁的重量比較輕，作為鋁質的冷凝器來講需要采取防腐蝕措施，如陽極氧化、化學處理、陰極防腐等方法。 冷凝器的結構型式有：管片式、管帶式、鰭片式、平行流式。由于平行流式冷凝器是目前較流行的結構型式，也是我們本課題所采用的主要型式。管片式的冷凝器與蒸發(fā)器基本相同，管帶式冷凝器與管帶式蒸發(fā)器有兩點主要的不同：一是扁管是橫向布置的，二是扁管寬度略窄些?，F(xiàn)在我們就不再討論管片式和管帶式，重點討論一下鰭片式和平流式。鰭片式結構是在特殊形狀型材的散熱管表面直接銑削出鰭片狀散熱片而得名的。1鰭片式這種形式由于管、片式一體，提高了抗振性、散熱性能，節(jié)省了型材，并且管片之間無須焊接，可以在常溫下加工，節(jié)約了能源消耗曾經被認為是最先進的車用冷凝器。但是由于需要專用的銑削設備，彎管也需專用夾具，一時難以大量推廣。由于我國現(xiàn)在需要安裝空調的貨車量非常大，鰭片式的不能滿足迅速大批量投產的要求，故本次的課題設計不采用鰭片式。平流式的冷凝器平行流式冷凝器是由管帶式冷凝器演變而來，也是由扁管和散熱翅片組成。不同的是平行流式的扁管不是彎成蛇形，而是每根截斷的。兩端各有一根集流管，制冷劑由管接頭進入圓柱形或方形的集流管，然后分流進入橢圓形扁管，地流到對面的集流管，最后通過跨接管回到管接頭座或另一管接頭。集流管在中間有隔片，起到分流和匯流的作用。每段的管子數(shù)目不等，進入冷凝器時制冷劑為氣態(tài)，比體積最大，管子數(shù)也最多。隨著制冷劑逐漸冷凝成液體，其比體積逐漸減小，所占容積逐漸減小，管子數(shù)也相應減少。這種變化管子數(shù)目的結構設計使冷凝器的有效容積得到最合理的利用，使制冷劑的流動和換熱情況更趨于合理。平行流式冷凝器吸收了管帶式冷凝器的各種新技術，已成為目前使用最廣泛的冷凝器結構型式。另外，平行流式冷凝器還有過冷式，即在冷凝器上集成了儲液干燥器的結構。平行流式冷凝器與其它結構型式的對比見下表。2.3.4 節(jié)流膨脹機構1在汽車空調系統(tǒng)中，常用的節(jié)流裝置有膨脹閥和節(jié)流短管兩種型式。熱力膨脹閥除了節(jié)流降壓，使進入蒸發(fā)器的制冷劑在低溫低壓下蒸發(fā)氣化吸熱，實現(xiàn)制冷外，還能根據蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的大小來調節(jié)制冷劑流量。由于H 型熱力膨脹閥可靠性高，又便于機械手裝配，在汽車空調系統(tǒng)中運用愈來愈廣泛。熱力膨脹閥的工作原理為膨脹閥的感溫包感受蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度的大小來調節(jié)制冷劑流量，當在某一時刻系統(tǒng)的制冷量達到某種平衡，在下一時刻外界溫度升高了，蒸發(fā)器內的制冷劑過熱度增加，熱力膨脹閥會動作，增大制冷劑的流量來降低蒸發(fā)器內的制冷劑過熱度增加，以維持一個制冷系統(tǒng)的動態(tài)平衡。H型熱力膨脹閥的外形和結構它的特點如下：1、系統(tǒng)回氣直接通過閥體內腔作為感應信號，結構簡單，感受系統(tǒng)的靈敏性高；2、抗振性能好；3、充注系統(tǒng)的熱慣性極小，滿足汽車空調起動時降溫快的要求；4、靜止過熱度調整為外調式，便于系統(tǒng)匹配調試；5、可以安裝在離開蒸發(fā)器的 其他地方，安裝、調換膨脹閥方便?；谝陨咸攸c，目前汽車空調廣泛采用 H 型。本課題也采用 H 型。2.3.5 其他部件在這里講的其他部件包括儲液干燥器及液體指示器，連接軟管與接頭等。而對于他們的選擇我們將在以后的設計過程中詳細的闡述，這里就不做過多的談論了。2.4 汽車空調制冷劑的選擇我們已經了解了汽車空調的組成主體，但是僅有這些還不夠，空調要工作還需要有冷媒即制冷劑的參與，下面講一下制冷劑的選擇問題。在當前比較成熟的空調技術前提下，可供選擇的制冷劑有氟里昂 12（R12） 、氟里昂 22（R22） 、R134a 三種。但是由于氟里昂類制冷劑對大氣臭氧層的破壞作用。危及了人類的健康及生存環(huán)境，目前已經有相關文件出臺，規(guī)定新裝空調不得采用氟里昂類制冷劑，故這里就不再講 R12 和 R22 了。R134a 由于其良好的制冷性能被選1做了氟里昂類制冷劑的替代品，這里談到的替代品是因為 R134a 對大氣的溫室效應影響較大。由于現(xiàn)在制冷劑技術水平的限制，我們目前只能選擇 R134a 作為這個課題的制冷劑了。2.5 初步方案在初步選擇了主要器件之后，所以設想的方案如下圖，具體布局待計算完尺寸以后確定。請老師批評和指導。1. 壓縮機 2.蒸發(fā)器 3.冷凝器 4.儲液干燥器 5.主發(fā)動機 6.風機7，加熱器。1第 3 章 汽車空調系統(tǒng)的設計及計算3.1 確定空調制冷量選擇設計車型為吉利 LG—1。在汽車車通常的運行狀態(tài)下，取其駕駛室內人數(shù)為4 人，車速為 50Km/h，采用 R134a 為空調制冷劑。3.1.1 工況條件的確定轎車一般的工況條件：室外溫度 =35℃，室內溫度 27℃，冷凝溫度out ?int=60℃，蒸發(fā)溫度 =0℃ 膨脹閥前制冷劑過冷溫度 5℃，蒸發(fā)器出口過熱度取tc et10℃，則壓縮機的吸氣溫度為 t1=10℃，貨車正常行駛速度 =40km/h，壓縮機正常we轉速為 n=1800r/min，過冷溫度 t4=58℃.3.1.2 制冷量的確定 我國交通行業(yè)標準 JT/T216—95“客車空調系統(tǒng)技術條件”中規(guī)定：客車空調設備的最大標定值應符合人均裝機制冷量不應小于 1880KJ/h。并根據規(guī)定 4 人的座位轎車進行制冷量計算，取 4 人進行計算，并對其進行安全修正，修正系數(shù)為k=1.05。則有汽車空調的制冷量 =4×1880KJ/h=7520KJ/hQg=7520 KJ/h÷3.6=2088.9 Wg實際冷負荷 = ·k=2088.9 W×1.05=2193.3 W s )12(?取機組制冷量 =2500 W 0所以，取機組制冷量為 =2.5KW.3.2 壓縮機的選配3.2.1 循環(huán)狀態(tài)參數(shù)的確定根據公交車運行工況條件，畫出其壓焓圖如圖 6 所顯，各狀態(tài)點的參對空調壓縮機進行工況設定表 2： 各循環(huán)狀態(tài)點參數(shù)狀態(tài)號 參數(shù) 數(shù)值 單位 備注10 0ht0397.22℃KJ/Kg1 11vt104060.07℃KJ/KgKgm/32 2ht58450.5℃KJ/Kg查圖得 his12????2s st272442.5℃KJ/Kg4 4ht55279.31℃KJ/Kg5 5x0.43= +0.0025×0=0.82 tTbkei0???327 273??tTe6?tk對 R12,R134a 或 R22，b=0.0025 =406+ KJ/Kg?ish1212???45082.064??3.2.2 循環(huán)熱力計算單位制冷量： =397.22-279.31 KJ/Kg= 117.91 KJ/Kg 40hq??)2(?機組制冷量： =2500W= =9000KJ/h 0QhKJ/103625? )32(?制冷劑循環(huán)量： G = = 76.33Kg/h =0.0212Kg/s (2-gq/9.70?14)取壓縮機等熵效率 , KJ/Kg 則82.0?s?5.4hs(2-5)450.KJ/g KJ/g82.06461212 ??????sShh單位壓縮功：(2-6)J/g 5.4 J/g 406-5.121 ???hW壓縮功： N = =76.33kg/h×44.5 W÷3.6=943.52W (2-7)1GW取輸氣系數(shù) ，由經驗公式求得：?≈0.94-0.085 ①??????????????12pn， 分別為壓縮機吸排氣壓力，估算時可分別用蒸發(fā)壓力 ，冷凝壓力12 p0代入 R134a n=1.14～1.15 選取， =18.0 Bar =2.93 Bar (查壓焓pk?p0k圖得)取 n=1.15 代入①式 得≈0.94-0.085× =0.61309≈0.6??????????????193.285.壓縮機的排量： n=1800r/min( 2-8 ) ?nqvQVh 014167.??rcmrc/62.8/6.89.0167. 334 ???3.2.3 壓縮機選配根據壓縮機排量 = ，可選南京奧特佳冷機有限公司生產的渦hVrcm/2.3旋式壓縮機 WXH-106，其排量 = 106cmcm3 = ，該壓縮機的制hhVrcm/62.831冷量為： =3207.5W =2500W，所以所選擇的壓1400 6.3167. vnqvQh???Q0縮機滿足需求。3.3 膨脹閥的選擇系統(tǒng)制冷量 ，即 2500/3300=0.76 冷噸，故選用 0.8 冷噸的膨脹閥。WQ250?外平衡式膨脹閥的內部壓力從外部（蒸發(fā)器出口）導入，反映出蒸發(fā)器出口處的實際壓力，彌補了蒸發(fā)器內部壓力損失的影響。與內平衡式的相比，要達到同樣的開度所需求的過熱度要小得多，能充分發(fā)揮蒸發(fā)器傳熱面積的作用個提高制冷裝置的效果。所以選擇 0.8 冷噸的外平衡式 H 型膨脹閥。3.4 蒸發(fā)器的設計計算3.4.1 工況參數(shù)確定進口空氣狀態(tài)參數(shù)：干球溫度 =24℃，相對濕度 50%；出口空氣狀態(tài)參數(shù)：1at干球溫度 =13℃，相對濕度 90%；當?shù)卮髿鈮毫?101.32Kpa，蒸發(fā)溫度 0℃，要2at求制冷量 =2500 W，根據系統(tǒng)熱力計算得出，采用 R-134a 時，制冷劑循環(huán)量0QG=76.33kg/h=0.0212kg/s。1、計算制冷劑進出口參數(shù)，由制冷量和制冷循環(huán)量，可求出制冷劑進出口比焓差為：hr? kgKJGrQhr /05.192.021 ????計算中，下標“a”表示空氣側，下標“r”表示制冷劑側，下標“1”表示進口，下標“2”表示出口。取制冷劑進口干度為 0.3 則根據蒸發(fā)溫度 =0℃，查 R134a 的 LgP-h 圖，有t0,于是制冷劑出口比焓值 ，同時可kgJrh/39.2601? kgJrhr/4.37912???1計算出蒸發(fā)器出口制冷劑溫度為 ℃，則過熱度為 -0℃=9.63℃63.91?tr tr23.4.2 初步規(guī)劃散熱板及翅片與百葉窗的尺寸示意圖如圖 7 所示。蒸發(fā)器尺寸規(guī)劃圖散熱板：寬度 =30mm， 高 =3.0mm，鋁板厚度 =0.5mm，邊緣寬度 3.4mm， TwThT?內部隔板寬度 3.7mm，由此可以計算出內部流道尺寸 、 分別為Hhw= -2 =3.0-2×0.5 mm =2.0mm HhT? )102(?= -2×3.4-3.7 =30-10.5mm=19.5mm 翅片：寬度 =30mm，高度 =7.9mm，厚 =0.1mm，間距 =1.8mm；FwFhF?Fp百葉窗：百葉窗間距 =1.1mm，百葉窗長度 =6.8mm，百葉窗角度=37°；LpLl（一）每米散熱板長內表面積 為rA=2（ ＋ ）=2×（2.0＋19.5）× =43× rAHh 310?m/2310?m/2)12(?（二）每米散熱板長外表面積 為ab,=2（ ＋ ）=2×（3.0＋30）× =66× ab,Thw310?/2310?/2)13(?（三）每米散熱板長迎風面積 為faceA= ＋ =（3＋7.9）× =10.9× faceATF3?m/23?m/21)142(?（四）每米散熱板長翅片表面積 為afA,=2×7.9× ×30× × =263.3× afA, 310?3?3108.??m/2310?m/2)15(（五）每米散熱板總外表面積 為a= ＋ =66× ＋263.3× =329.3× ab,afA, 3?3?/23?/2)6(（六）肋通系數(shù) 為1.019.0323????face )17(（七）百葉窗高度 為Lh=0.5 tan =0.5×1.1×tan mm =414.7× mm Lhp??7310?)82(（八）散熱板內孔水力直徑 為rhD,mwhDHrh 319.)25.19(4)2(4, ?????? )192(?（九）翅片通道水力直徑 為ahD,)()(, FFahp?????? )20(?m792.)1.09.7()1.08.(2 ??3.4.3 干工況和濕工況下空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算（一）取迎面風速 =4 m/s，根據已知條件，求最小截面處風速 為av max,v?????? ?????? ?633max, 10))((10FFLFThpv ?? )21(?skgskg/83.7 /).9.7().4(4 633? ??（二）按空氣進出口溫度的平均值 ℃，查取空氣的密度20_??t，動力粘度 ，熱導率3/205.1mK? )/(.86smKg????1，普朗特數(shù) =0.703 等熱物理性質，并計算出以下數(shù))/(1059.22KmW????? rp值：雷諾數(shù) 57310.8.37205.1Re 63ax, ???????Lapv )2(?傳熱因子 23.042.0)(e249.0 FLLa hlhj?? )(018763.9.7).86(17.57. 2601.3.042.0 ????努塞爾數(shù) 5.48.PrRe 3/3/1??ajNu )4(?表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)： )/(09.25)/(10.5926 2232 KmWKWpLa ??????? (3.4.4、計算析濕系數(shù)與濕工況下空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)出風溫度：干球溫度 13℃，相對溫度 90%；則比焓值 （干空氣） ，kgJah/.342進風溫度為：干球溫度 17℃，相對濕度 50%，比焓值為 （干空氣）.51?求析濕系數(shù)為528.)1327(05.10.4)(21, ??????aaptch? )26(?于是，濕工況下空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為aeq,?)/(98.2)/(8.9. 22, KmWKmWaaeq ???? )7(3.4.5、初步估算迎風面積和總傳熱面積①計算空氣質量流量 amq,sgaQqhem /16.0.345.221, ????? )28(?②計算迎風面積 0,faceA232,0, 1089.35.1 mmvqamface ?????? )9(③計算以外表面為基準的總傳熱面積 0A=0.969 20,0 .2.3Aface? 2)30(1④計算散熱板長度 ，一共取 12 塊散熱板，分 1 個流程，則TlmhAlFTface 245.0)079.3.(2812)( 30, ??????? ? )31(?取 =0.250 ml3.4.6 計算制冷劑側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 由 =0℃，查 R134a 飽和狀態(tài)下的熱力性質表和熱物理性質圖，可以求得：et液態(tài)制冷劑的密度 3/7.129mkgl??液態(tài)制冷劑的動力粘度 )(0486sl ????液態(tài)制冷劑的普朗特數(shù) .Prl]5[氣態(tài)制冷劑的密度 33/42.1/069.1mkgkgg ???氣態(tài)制冷劑的動力粘度 )/(46s????氣態(tài)制冷劑的熱導率 17.3KWg?目前以知制冷劑的進口干度為 0.3，出口過熱，因此平均干度65.0213.??mx )32(?由此，可以計算其余參數(shù)的平均值。動力粘度 的平均值為core????????????lmgxcore11 )32(?)/(10493.6)/(4.287655. 1smkgs????????????每一散熱板制冷劑質量流量 為eqmr,= eqmr, skgskgGe /5./4021. 3???)342(?散熱板內孔的制冷劑質量流速 為Amrq,1rheqmrAmrDq,2,,4??)352(?)/(67.35)/(109(.223smkgskg?????雷諾數(shù) 為 （2-36）coreR 12794493.1675063,, ?????corehAcoreq干度 的平均值dox（2-37）5262.012792462749.0Re62749.0 83.083.0 ?????? ??coredox由上面的計算可以看到，制冷劑干度從 0.3～0.5262～1 變化，后面還有過熱蒸汽區(qū)。因此很難準確的估算每一階段所占的百分比，只能憑經驗估計。在此，取過熱蒸汽區(qū)為 20%，于是可以計算出干燥點之前的兩相區(qū)約為 28%，干燥點之后的兩相區(qū)約為52%.①干燥點之前的兩相區(qū)取 ，則在散熱板內孔內，制冷劑氣液兩相均為紊制冷劑氣液兩相均為紊4.0?x流工況的 Lockhart-Martinelli 數(shù) 和關聯(lián)系數(shù) 分別為TX)(TXF2/5.02/1nlvvlnTxX??????????????? )382(?.4.2879104.1934.0 2/3.5.2/3.01 ????????6.1)(3.0237.02???????????????TXFT )392(?制冷劑兩相流折算成全液相時，在折算流速下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為 ??plAmrnlrhAmrl cxqDxq )1(1,,, ???????????? )402(1????)/(58.14 13524.067.35104.28739.6.3.0 .063KmW?? ??????????????制冷劑兩相流的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為（2-41）)(Pr296.0Tllr XF??)/(18)/(01265.42 296.0KmKmW? ???②過熱區(qū)制冷劑側的雷諾數(shù) ,普朗特數(shù) ，努塞爾數(shù) ,表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 分reqRvPruNv?別為vrhAmrreqD?,,,? )42(?198571094.367563???查 Prv=0=0.8， .65.0,PrRe28.qNu? )432(9.67874.0. ?)/(1039.7.623, KmWDurhvv ?????? )(?/(242?（三）干燥點之后的兩相區(qū)取 ，則把 =0.5262 代入干燥點之前的兩相換熱公式：76.0?xdox1????? )/(120735526.0167.35 634.0 )1(1 2 3.0,,, 4.8139.7. KWcqDqA mxxpldoAmrnlrhdoAmrdo ????? ??? ????????? ?????? ????計算得 ，于是 為)/(7Kdo??r???vdodovr x???????????????????5.11 )452(???)/(871 )/(479120526.0172492 25.KmWKmW?? ?????????????最后，平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為r?(2-46)/(%5287120479%69 2Kr ???????)/(10572??3.4.7 計算總傳熱系數(shù)和傳熱面積如果忽略管壁熱阻及接觸熱阻，忽略制冷劑側污垢熱阻，取空氣側污垢熱阻，則傳熱系數(shù) K 為WKmra/03.2??KmWrAKaeqar ??????2,_ /58.3170.12.7694011? )472(?)/(.98.23.0.4321576 223 ??????對數(shù)平均溫差為1Cttteam ???????15.901327lnln21 )482(?由于層疊式蒸發(fā)器的流程較少，而且在流道轉彎處制冷劑與空氣成順流流動形式，因此按逆流方式計算的對數(shù)平均溫差偏大。另外，濕工況在增大空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的同時也增大了掖膜熱阻，因此，空氣側的實際表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低于計算結果。綜合兩方面的考慮，傳熱系數(shù)與對數(shù)平均溫差之積必須乘上一修正因子，取，則所需總傳熱面積（以外表面為基準） 為5.0?? 0A26.15.19583.2.0 mtKQAme ????? )49(?與前面計算出的 的相對誤差為 9.4%.296.3.4.8 計算空氣側阻力損失 pa空氣側摩擦阻力因子 f 為23.0.89.037.02. )(47.5 FLFLe hhlRfpL?? )50(?323.02.089.037.072.0196.7 971)6(41.??? ??則空氣側阻力損失 為ap?2mx,,4ahFavDfwp?? )512(?PPa416.28 87.520.10793 23????然后根據空氣阻力和風量選擇風機。3.5 冷凝器設計凝器中，制冷劑的大部分熱量是在凝結階段釋放的. 冷凝器的結構型式有：管片式、管帶式、鰭片式、平行流式。如圖：21根據圖2可以看出平行流式是最好的。冷凝器的作用是使由壓縮機排出的高溫高壓制冷劑氣體在冷凝器內通過金屬管壁和翅片的與冷凝器外部的空氣進行熱交換，將高溫高壓氣態(tài)制冷劑轉變?yōu)楦邷馗邏旱囊簯B(tài)制冷劑，并把熱量散發(fā)到車外環(huán)境中。制冷劑的換熱大體上可以分三個階段，即過熱、兩相和過冷。過熱和過冷階段制冷劑處于單相狀態(tài)，發(fā)生的是顯熱交換；而在兩相階段，制冷劑發(fā)生集態(tài)變化，即冷凝，屬于潛熱交換。在冷3.5.1 工況參數(shù)確定R134a 的空氣冷卻式冷凝器，采用平行流式。冷凝器的負荷包括制冷量和壓縮機消耗的指示功，汽車空調冷凝器的負荷約為制冷量的1.4 倍，故要求換熱量Q=1.4×3207.5w=4490.5w。冷凝器有5℃過冷，已知壓縮機在過冷度t e =5℃及冷凝溫度t c =60℃時排氣溫度t d =85℃，空氣進風溫度t a1=40℃．解 計算中用下標“r”表示制冷劑側，下標“a”表示空氣側；下標“1”表示進口，下標“2”表示出口。① 計算制冷劑和空氣流量根據 tc =60℃和t d =85℃，以及t d =5℃，查HFC134a 熱力性質表，可得排氣比焓hd =456.5kJ/kg，過冷液體比焓h sc =278.7kJ/kg。故制冷劑q m,r為qmr = kg/s21053.7285.4690?????scdhQ取進出口的空氣溫差 ? ta =12℃，空氣密度 pa =1.091kg/m3， cpa =1.01kJ/(kg·K)，空氣的體積流量q v,a， 為qva= /s=0.340 /s33, 120.91.54mtcpaC???33.5.2 結構初步規(guī)劃冷凝器采用平流結構，多孔扁管截面與百葉窗翅片的結構型式，尺寸如下:翅片1寬度w f=16mm，翅片高度h F =8.1 mm，翅片厚度 =0.135mm，翅片間距p F F?=1.4mm?? ；百葉窗間距p L=1.1mm，百葉窗長度l L =6.5mm，百葉窗角度a L=27°；多孔扁管分四個內孔，每個內孔高度為2mm，寬度為3.35mm，扁管外壁面高度為3mm，寬度為 =16mm，分三個流程，扁管數(shù)目依次為12、8、5，取迎風面風速為a Tu =4.5m/s。圖 3 多孔扁管截面與百葉窗翅片的結構型式及尺寸示意圖根據初步規(guī)劃的參數(shù)計算：①每米管長扁管內表面積 Ar 為Ar =[2×(2+3.35)×10 -3 ]×4 ㎡/m=4.28×10 ㎡/m2?②每米管長扁管外表面積A ba， 為Aba=2×(16+3)×10 ㎡/m=3.8×10 ㎡/m3?2?③每米管長翅片表面積 A f,a， 為Af,a= =2×8.1×10 ×16×10 /(1.4×0.001) ㎡/m=0.1851 ㎡/m3?3?④每米管長總外表面積A a 為Aa = Aba + A f ,a =(3.8×10 +0.185)㎡/m=0.223 ㎡/m2?⑤百葉窗高度 hL 為hL =0.5×p L×tan =(0.5×1.1×tan27°)mm=0.2802mmL?⑥扁管內孔水力直徑 Dh, r ， 為=rhD, m5047.2).32(4???1⑦翅片通道水力直徑D h ,a， 為 Dh,a= 183.2135.08.41)()(2????m3.5．3 空氣側表面?zhèn)鳠嵯蹈鶕阎獥l件，最小截面處風速 va,max 為va,max=[ sms/916.8/])135.08()135.028.41( ?????按空氣進口的平均溫度的平均值 =ta1+??t a /2= =(40+12/2)℃=46℃46℃，查取at空氣的密度 p=1.0715kg/m 3、動力粘 u=18.13 kg/(m.k)60??熱導率 w/(m.k) 、普郎特數(shù)Pr =0.71計算雷諾數(shù)Re、傳熱因子j、努210765.????塞爾數(shù) N u 及空氣側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) a a :Rea= 5803.81.96. 3max, ???pvL?由于 300 Re a =5804000，故 226.01.3.042.026.01.3.042. 1538)5(859)(Re9.0 ??? ?????LLhlj .7.58.Pr 3131 ???ajNu )./(9)./(0.76292232 kmWkpLa???3．5．4 制冷劑側表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)a r據 t c=60℃，查HFC134a飽和狀態(tài)下的熱力性質表和熱物理性質圖，可以求得:液態(tài)制冷劑密度 =1055.13kg/ml?3氣態(tài)制冷劑密度 /67.8mkgv?液態(tài)制冷劑的動力粘度 =135.35×10 kg/(m·s)l?6?液態(tài)制冷劑的熱導率 =66.64×10 w/(m·k)l?3液態(tài)制冷劑的普郎特數(shù) 325.1085.2Pr61????avl由于冷凝器中制冷劑進口過熱而出口過冷，因此計算制冷劑當量質量流量時，取平均干度 x=0.5，1故當量質量流量q mr,eq， 為qmr,eq= skgqmrvl /0457.]67.81305.)1[(])1[( .5.0 ????????=0.1173kg/s① 第一流程的參數(shù)計算單一孔內當量制冷劑質量流量 skgskgqemrer /10435.2/)14/(73.0)124/(,, ??????? 971035.10547.2.Re 6,,,4/,2,, ???????rhleqmlrhreqrq Du482.906.Pe065. .8.3.0,8.0??lrqNu )./()./(1547.2/ 23, kmWkrhlr ?????② 第二流程的參數(shù)計算當量制冷劑質量流量 skgskgqemrer /1065.3/)84/(173.0)84/( 3,, ??????? 1376.07.2.R3,,,4/,2, ?????rhleqmlrhrreq Du98.025.165.P065. .8.3.0,8.0 ???lreqNu制冷劑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 為r?)./(215)./(10547.2698/ 23, kmWkDurhlr ??????③ 第三流程的參數(shù)計算當量制冷劑質量流量 eqmr, skgskgqemrer /10865./)54/(173.0)54/( 3,, ??????? 207.7.2.R 63,,,4/,2, ?????rhleqmlrhrreq Du