汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶開題報(bào)告.zip

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶開題報(bào)告.zip,汽車空調(diào),制冷系統(tǒng),設(shè)計(jì),開題,報(bào)告 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著人們生活水平的提高，對汽車環(huán)境舒適性的要求越來越高。汽車空調(diào)能夠調(diào)節(jié)車室內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速、清潔度和噪音，一定程度上滿足了人們對于舒適性的要求。隨著汽車空調(diào)裝車率的不斷提高，對它進(jìn)行研究具有重要意義。 本文首先簡要描述了汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的組成及其工作原理。分析了單級(jí)蒸汽壓縮制冷的理論循環(huán)、熱力計(jì)算以及各種實(shí)際因素對循環(huán)的影響；描述了汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，各個(gè)組成部件的選配依據(jù)，針對目前汽車空調(diào)仿真技術(shù)研究及現(xiàn)狀，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，利用ＭＡＴＬＡＢ中的仿真工具建立空調(diào)系統(tǒng)模型并建立簡單數(shù)學(xué)模型；以捷達(dá)普通轎車為例:分步介紹了汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算過程：1.轎車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算；2.壓縮機(jī)的選配;3.蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算；4.冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算。并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的捷達(dá)轎車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比對。最后得出結(jié)論：用這種數(shù)學(xué)建模的方法對轎車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是可行的。最后設(shè)計(jì)結(jié)果對汽車空調(diào)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析提供實(shí)用性參觀意義。 關(guān)鍵詞：汽車空調(diào) 制冷系設(shè)計(jì) ABSTRACT As people living standard rise，the car environmental comfort requirement increasing high. Automotive air conditioning could adjust car indoor temperature, humidity, wind speed, cleanness and noise, to a certain extent, satisfying the people for comfort requirement. Along with the automotive air conditioning load rate rise ceaselessly, it was important to study of it. This paper first briefly describes automotive air conditioning and refrigeration system composition and working principle. Analyzed the single stage steam compressing refrigeration theory circulation, thermodynamic calculation and various practical factors on circulation influence; Describes the design process of automotive air conditioning system, component parts, aiming at the matching according to automobile air conditioner simulation technology research and the present situation, with the aid of the modern computer simulation technology, the use of MATLAB simulation tool establish air conditioning system model and simple mathematical model establishment; With the jetta ordinary car for example: step-by-step air-conditioning and refrigeration system, and introduces the design and calculation of the process: 1. The car air condition cold load calculation; 2. Compressor of single-assembly; 3. The evaporator design calculation; 4. The design and calculation of the condenser. And the calculated results and practical jetta sedan air conditioning system compares. Conclusion: in this mathematical modeling method of car air conditioning system design calculation is feasible. Final results of automotive air conditioning design optimized design and analysis provide practical visit significance. Key words: Automotive air conditioning design simulation model simulation study 2 目 錄 摘 要 1 ABSTRACT 2 1 緒論 5 1.1 本文背景與研究意義 5 1.2 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)概況 5 1.3 汽車空調(diào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 6 1.4 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)簡介 7 1.5 本文設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 8 2 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 2.1 汽車空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 10 2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 11 2.3 壓縮機(jī)的選配 12 2.4 冷凝器設(shè)計(jì) 13 2.5 蒸發(fā)器設(shè)計(jì) 14 3 汽車空調(diào)仿真研究 15 3.1 汽車空調(diào)系統(tǒng)仿真技術(shù) 16 3.2 系統(tǒng)仿真技術(shù)工具 17 3.3 仿真工具特點(diǎn) 18 3.4 汽車空調(diào)仿真模型 19 3.5 制冷循環(huán)子系統(tǒng) 20 3.6 縮機(jī)子系統(tǒng) 21 3.7 冷凝器子系統(tǒng) 22 3.8 蒸發(fā)器子系統(tǒng) 23 3.7本節(jié)小結(jié) 24 4 結(jié)論 25 參考文獻(xiàn) 28 附錄1:外文翻譯 29 附錄2:外文原文 30 致 謝 35 4 1 緒論 1.1空調(diào)背景與意義 隨著生活水平的提高，汽車走進(jìn)千家萬戶，汽車的空調(diào)也越來越重要。國外汽車都朝著減輕質(zhì)量、降低消耗和智能化發(fā)展；國內(nèi)汽車空調(diào)雖然有些發(fā)展，但與國外相比有很大的差距。尤其是我國現(xiàn)階段，在汽車空調(diào)自主研發(fā)相關(guān)設(shè)計(jì)方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外先進(jìn)水平。國內(nèi)汽車空調(diào)行業(yè)應(yīng)積極引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件，走獨(dú)立設(shè)計(jì)開發(fā)的道路，用科學(xué)的管理信息系統(tǒng)管理汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)銷售，盡快提高國內(nèi)汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)能力，為汽車業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。 1.2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)概況 1.2.1汽車空調(diào)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 汽車空調(diào)行業(yè)應(yīng)該朝著更環(huán)保、節(jié)能、高效、舒適的方向發(fā)展。由于汽車內(nèi)飾技術(shù)發(fā)展較緩，必然嚴(yán)重影響空調(diào)系統(tǒng)的密封性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，所以今后汽車空調(diào)的發(fā)展方向大都圍繞著保護(hù)環(huán)境、進(jìn)步效率、節(jié)能節(jié)材、減輕重量、壓縮體積、降低振動(dòng)與噪聲、操縱維修簡便、安全可靠等幾個(gè)方向展開，而且汽車空調(diào)的發(fā)展總是與汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是同步進(jìn)行的，比如，未來新型空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)，就必須適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的進(jìn)步（余熱量減少），電氣化、混合驅(qū)動(dòng)及其它新型零部件使用能導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)特性的新變化。 作為汽車空調(diào)核心部件的壓縮機(jī)，在技術(shù)和質(zhì)量上也取得了長足的進(jìn)步。壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)正朝著減少重量和體積、降低噪音和增加振動(dòng)穩(wěn)定性，高效節(jié)能，向小型輕量化的方向發(fā)展。目前國外壓縮機(jī)仍以斜板式、旋葉式和漩渦式壓縮機(jī)為主,為減少離合器頻繁閉合產(chǎn)生的噪音和獲得更佳的控制效果，外部控制式變排量壓縮機(jī)逐漸成為世界車用空調(diào)壓縮機(jī)的主導(dǎo)方向，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕和節(jié)省能源的優(yōu)點(diǎn)。另外,隨著世界各國的環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)，電動(dòng)壓縮機(jī)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展,它能滿足混合燃料電池車用空調(diào)的需要。 其次要進(jìn)一步降低空調(diào)裝置的整體重量和外形尺寸，必須進(jìn)步各組成裝置的結(jié)構(gòu)緊湊度和效率。為此各國正致力于改進(jìn)各部件的結(jié)構(gòu)、完善各部件的制造工藝、改進(jìn)空調(diào)裝置的布局，進(jìn)步空調(diào)裝置的性能。因此結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、效率高、節(jié)省動(dòng)力、噪聲低、工作可靠、啟動(dòng)性能比較可靠的變排量汽車空調(diào)將會(huì)應(yīng)運(yùn)而生。熱交換器(蒸發(fā)器與冷凝器)材料從全銅向全鋁展，結(jié)構(gòu)從管片式向管帶式發(fā)展。蒸發(fā)器主要向?qū)盈B式(板翅式)發(fā)展，冷凝器主要向多元平行流動(dòng)式發(fā)展。由于提高了翅片散熱面積和熱交換效率，采取減薄管片厚度，增加管子內(nèi)肋片及片子開口等措施，使熱交換器的尺寸和質(zhì)量大幅度降低。熱交換器體積大、金屬材料消耗量大，其結(jié)構(gòu)型式、材料性能和制造工藝不僅直接影響汽車的有效空間利用，而且直接影響系統(tǒng)的制冷性能及散熱、吸熱效果，因此國外車用空調(diào)熱交換器主要朝著如何強(qiáng)化換熱、降低熱阻、提高換熱效率、減輕質(zhì)量、縮小體積、提高單位體積的傳熱面積的方向發(fā)展。原來較多采用管帶式，現(xiàn)在主要朝層疊式發(fā)展。為了適應(yīng)HFC-134a系統(tǒng)的需要，又出現(xiàn)了擠壓管式蒸發(fā)器。冷凝器主要向平行流式結(jié)構(gòu)發(fā)展，并在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)與儲(chǔ)液干燥器、過冷器等部件的匹配。過冷式冷凝器把制冷劑的貯液干燥器及其出口流經(jīng)的過冷器與上游的平行流式冷凝器做成一體，成為所謂的“過冷式冷凝器”，這樣不僅可以減小設(shè)備的質(zhì)量和外形尺寸，而且可以確保節(jié)流結(jié)構(gòu)前的制冷劑過冷度，提高制冷循環(huán)效率，還可以隨著貯液干燥器內(nèi)容積的減小而減少制冷劑的充注量。 近年來隨著計(jì)算機(jī)的普及和電子技術(shù)的發(fā)展，使得空調(diào)系統(tǒng)的控制效果日益完善，空調(diào)設(shè)備的性能也越來越高，運(yùn)用這種空調(diào)系統(tǒng)能進(jìn)行全天候的空氣調(diào)節(jié)，集制冷、采熱、透風(fēng)于一體，在人為設(shè)定的最佳溫度、濕度及風(fēng)量的情況下，該系統(tǒng)可根據(jù)車內(nèi)職員數(shù)目和其它情況的變化進(jìn)行多檔位、多模式的調(diào)整，從而設(shè)定最佳值，使車內(nèi)始終保持舒適的人工天氣環(huán)境；同時(shí)還可以進(jìn)行故障自動(dòng)診斷和數(shù)字顯示等功能。 未來新型動(dòng)力車可能使用的空調(diào)系統(tǒng)：單用電力制冷和采暖可使電動(dòng)車和燃料電池車的可行駛里程減少50%以上，以至于典型城市交通都難于適應(yīng)。對于日益開拓的家用轎車市場，微型車用于空調(diào)的能量少于普通車輛，但這部分能量在小功率發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功中占的比例卻不小。目前帶空調(diào)的汽車一般在濕度控制功能，以控制車窗除霧并保證乘客舒適性這一點(diǎn)在新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能會(huì)遇到挑戰(zhàn)例如在電動(dòng)汽車中使用熱泵型空調(diào)供暖，能夠提高能源利用率，但要同時(shí)實(shí)現(xiàn)濕度和溫度的控制卻很困難。未來新型空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)必須與汽車開發(fā)同步，以適應(yīng)新的變化：如發(fā)動(dòng)機(jī)效率進(jìn)步、電氣化、混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力及其它新型零部件使用后導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)特性的變化，汽車動(dòng)力的更新和新技術(shù)的應(yīng)用，對汽車空調(diào)系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)，也給很多新技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。 對于新一代的環(huán)保型汽車,如電動(dòng)、混合動(dòng)力燃料電池和其它的低排放車輛,由于本身動(dòng)力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)動(dòng)力車輛,能夠提給空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力極為有限。電動(dòng)車和一些混合驅(qū)動(dòng)車為了達(dá)到高效和減少溫室氣體排放的目的，以盡量少使用燃料來滿足動(dòng)力要求。例如，一些混合驅(qū)動(dòng)車在發(fā)動(dòng)機(jī)模式時(shí)利用多余動(dòng)力對電池充電，當(dāng)電池充電完成時(shí)則切向電動(dòng)模式。相應(yīng)地空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)：因?yàn)闊o論發(fā)動(dòng)機(jī)模式和電動(dòng)模式時(shí)都需要空調(diào)（或采暖）。比如豐田混合動(dòng)力車為了節(jié)約燃料設(shè)計(jì)成在發(fā)動(dòng)機(jī)模式和電動(dòng)模式中間來回切換，只在發(fā)動(dòng)機(jī)模式下開啟空調(diào)，因?yàn)榭照{(diào)的壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)必須運(yùn)行以產(chǎn)生熱量，在汽車臨時(shí)停車或持續(xù)減速時(shí)切換到電動(dòng)模式只有在需要空調(diào)時(shí)才開啟發(fā)動(dòng)機(jī)。本田的混合驅(qū)動(dòng)車有一個(gè)小汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，與電動(dòng)馬達(dá)并行以補(bǔ)充動(dòng)力。本田采用獨(dú)特的“經(jīng)濟(jì)模式”使發(fā)動(dòng)機(jī)階段性地怠速運(yùn)行，以確保車室內(nèi)保持在舒適的溫度。在空調(diào)（或采暖）負(fù)荷較大時(shí)，需要保持發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保舒適性。 擁有一套節(jié)能高效、性能可靠的空調(diào)系統(tǒng)對開拓市場至關(guān)重要。一方面汽車電氣化日益加強(qiáng)新型的電子元件如加熱座椅、娛樂系統(tǒng)、電子導(dǎo)航等在汽車上的應(yīng)用日漸廣泛,為了適應(yīng)這些技術(shù),汽車生產(chǎn)商正在擬轉(zhuǎn)42～48V系統(tǒng)。采用高電壓系統(tǒng)后有可能向往除皮帶驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),如發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、水泵及動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等。這使在汽車空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用全封閉壓縮機(jī)成為可能并且只要發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)靠近儀表盤的部分在足夠的空間,就有可能用金屬管代替軟管從而大大降低制冷劑泄漏；二是新的零部件技術(shù)可減少空調(diào)或采熱負(fù)荷增強(qiáng)車身隔熱、改進(jìn)門封結(jié)構(gòu)、玻璃鍍層和其它新技術(shù)的應(yīng)用都可減少汽車車體內(nèi)室熱負(fù)荷從而減少用于空調(diào)或采熱的能耗而減少溫室氣體排放。 1.2.2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)簡介 汽車空調(diào)一般主要由壓縮機(jī)、電控離合器、冷凝器蒸發(fā)器膨脹閥、貯液干燥器管道、冷凝風(fēng)扇、真空電磁閥、怠速器和控制系統(tǒng)等組成。汽車空調(diào)分高壓管路和低壓管路。高壓側(cè)管路包括壓縮機(jī)輸出側(cè)、高壓管路、冷凝器、貯液干燥器和液體管路；低壓側(cè)管路包括蒸發(fā)器、積累器、回氣管路、壓縮機(jī)輸入側(cè)和壓縮機(jī)機(jī)油池。再加上一些必要輔助控制系統(tǒng)，這就構(gòu)成了完整的汽車空調(diào)系統(tǒng)【1】。 其結(jié)構(gòu)運(yùn)行原理為在汽車空調(diào)中,由壓縮機(jī)工作時(shí)排出的是高溫、高壓的制冷劑蒸汽，通過高壓軟管進(jìn)入冷凝器。由于高溫、高壓的制冷劑蒸汽溫度遠(yuǎn)高于車外的空氣溫度，因此借助冷凝器風(fēng)扇把冷凝器中制冷劑蒸汽的熱量吹向車外空氣中，使高溫、高壓的制冷劑蒸汽在冷凝器內(nèi)逐步冷凝為較高溫度的高壓液體通過高壓軟管流入干燥儲(chǔ)液器，在熱力膨脹閥(或毛細(xì)管)的節(jié)流降壓和降溫作用下變成低溫低壓的液體而進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)逐步汽化而吸收蒸發(fā)器外空氣中的熱量，使流經(jīng)蒸發(fā)器的車內(nèi)循環(huán)空氣的溫度降低成為冷氣，通過鼓風(fēng)機(jī)送入車廂內(nèi)，從而降低車廂內(nèi)的空氣溫度。蒸發(fā)器內(nèi)汽化后的制冷劑蒸汽，由壓縮機(jī)吸入進(jìn)行壓縮，又變成高溫、高壓的制冷劑蒸汽，通過高壓軟管又被壓入冷凝器這樣,完成了汽車空調(diào)的一個(gè)制冷循環(huán)。 結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1所示。 圖1-1汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 ? 上面制冷劑的基本循環(huán)流程分為四個(gè)部分【1】： （1） 壓縮過程：壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)器出口處的低溫低壓的制冷劑氣體，把它壓縮成高溫高壓的氣體排出壓縮機(jī)。 （2） 放熱過程：高溫高壓的過熱制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，由于壓力及溫度的降低，制冷劑氣體冷凝成液體，并放出大量的熱。 （3） 節(jié)流過程：溫度和壓力較高的制冷劑液體通過膨脹裝置后體積變大，壓力和溫度急劇下降，以霧狀（細(xì)小液滴）排出膨脹裝置。 （4） 吸熱過程：霧狀制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器，因此時(shí)制冷劑沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)器內(nèi)溫度，故制冷劑液體蒸發(fā)成氣體。在蒸發(fā)過程中大量吸收周圍的熱量，而后低溫低壓的制冷劑蒸汽又進(jìn)入壓縮機(jī)。 由于汽車是運(yùn)載工具，內(nèi)部空間有限，工作環(huán)境溫度高，振動(dòng)大，總的來說，由于汽車空調(diào)使用特殊性，決定著它與其他普通空調(diào)有很大區(qū)別。 在動(dòng)力源的處理上，汽車空調(diào)比普通的房間空調(diào)要困難得多，至今為止，其壓縮機(jī)不是靠主發(fā)動(dòng)機(jī)就是靠輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這就決定了車用空調(diào)壓縮機(jī)能采用開啟式的結(jié)構(gòu)型式，帶來了軸封性能要求高、制冷劑容易泄漏的問題。當(dāng)空調(diào)壓縮機(jī)由汽車主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，其制冷能力隨車速和負(fù)荷的變化較大，制冷劑流量的變化幅度也較大。當(dāng)汽車慢速行駛或處于怠速狀態(tài)時(shí)，其制冷能力較小，難以維持穩(wěn)定的空調(diào)工況，甚至于無法正常工作。 所以當(dāng)車用空調(diào)裝置消耗汽車主發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力時(shí)，必須考慮其對汽車動(dòng)力與操縱性能的影響，也必須考慮由于車速變化幅度大或變化頻繁，給空調(diào)系統(tǒng)制冷劑流量控制、制冷量控制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的影響。比如，考慮到汽車空調(diào)冷凝器面積受空間尺寸限制，一般都偏小。其所處環(huán)境的溫度又比較高，尤其在低速行駛時(shí)，因而制冷劑與空氣間的傳熱溫差也比較大，制冷劑的冷凝溫度比相同外界氣溫時(shí)的普通空調(diào)要高。為汽車室內(nèi)降溫迅速，冷氣送風(fēng)溫度一般都比普通空調(diào)要低些，因而其制冷劑的蒸發(fā)溫度又比普通空調(diào)的低一些。這樣，就使得車用空調(diào)機(jī)組配備的動(dòng)力，應(yīng)比相同容量普通空調(diào)機(jī)組的大，至少要大一倍左右。 其次汽車本身結(jié)構(gòu)非常緊湊，可供安裝空調(diào)設(shè)備的空間極為有限，不僅對車用空調(diào)裝置的外形、體積和質(zhì)量要求較高，而且對其性能和選型也會(huì)帶來影響。例如，由于冷凝器安裝位置有限，會(huì)導(dǎo)致冷凝溫度較高。又如，蒸發(fā)器的總成由于受安裝空間的限制，其布置方式會(huì)五花八門，各種車型都有專門的車內(nèi)蒸發(fā)器總成設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)通用化就比較困難。 而且汽車是運(yùn)動(dòng)中的物體，要能適應(yīng)道路顛簸等各種路況，對包括汽車空調(diào)系統(tǒng)各組成部件在內(nèi)的汽車零部件振動(dòng)、噪聲、安全、可靠等方面的技術(shù)要求更嚴(yán)格。為保證空調(diào)系統(tǒng)工作的可靠性，減少制冷劑的泄漏，對壓縮機(jī)的密封、制冷劑管路的連接和冷凝器防腐蝕與防擊傷等措施，都有比普通空調(diào)更高的要求。所以為保證汽車安全運(yùn)行，汽車空調(diào)系統(tǒng)的控制，也應(yīng)考慮能保證司機(jī)從空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的繁瑣操作中解放出來。 最后車用空調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)、外觀設(shè)計(jì)和布置，除必須與車身內(nèi)飾和外觀協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，保持整車的完美以外。還必須考慮其對汽車底盤、車身等結(jié)構(gòu)件及汽車行駛穩(wěn)定性、安全性的影響，這是普通空調(diào)設(shè)計(jì)不會(huì)碰到的。 以上這些特點(diǎn)，都對車用空調(diào)系統(tǒng)各組成部件的結(jié)構(gòu)、材料、工藝提出更高的要求。汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)，都是圍繞如何滿足這些要求而展開的。 1.3 本文設(shè)計(jì)主要內(nèi)容 本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩個(gè)方面：第一方面是汽車空調(diào)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)參數(shù)選擇：1）轎車空調(diào)冷負(fù)荷計(jì)算；（2）.壓縮機(jī)的選配；(3).蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算；(4).冷凝器的設(shè)計(jì)計(jì)算，對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響;第二方面是通過以相關(guān)的理論計(jì)算為基礎(chǔ)，利用Matlab中的強(qiáng)大功能進(jìn)行仿真;通過仿真和實(shí)際結(jié)果比較，分析得出汽車空調(diào)中相關(guān)設(shè)計(jì)的結(jié)果。 2 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 汽車空調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 本文將采用捷達(dá) 2010款 1.6伙伴車為對象，它采用EA113型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率95馬力，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6L，整車長4415cm,寬1674cm，高1415cm。 汽車空調(diào)制冷量確定的原則：汽車空調(diào)制冷量的計(jì)算結(jié)果無論是常規(guī)計(jì)算還是簡化計(jì)算都僅是從理論上得出的。理論計(jì)算只是設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)前所必需進(jìn)行的一項(xiàng)工作，實(shí)際上由于汽車的復(fù)雜性，以及制造工藝水平等的影響，實(shí)際制冷量往往與理論值有一定差距，一般在整車空調(diào)系統(tǒng)制冷性能試驗(yàn)后還需要作必要的修正，最終的汽車空調(diào)制冷量其實(shí)是以已經(jīng)滿足整車制冷要求的空調(diào)系統(tǒng)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ Q C/T 657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗(yàn)方法》）經(jīng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)后得到，所以理論計(jì)算誤差對汽車空調(diào)制冷性能的影響并不起決定性作用，但如果理論計(jì)算與實(shí)際值相差不多的話，卻往往可以節(jié)約不少開發(fā)時(shí)間和成本。用簡化計(jì)算方法來計(jì)算微型汽車空調(diào)制冷量，節(jié)省了不少計(jì)算時(shí)間，提高了工作效率現(xiàn)已被運(yùn)用于實(shí)際工作中【1】。 汽車空調(diào)制冷量主要取決于車室內(nèi)的熱負(fù)荷。而計(jì)算汽車空調(diào)室內(nèi)熱負(fù)荷首先要參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定車室內(nèi)的溫度，濕度，空調(diào)的室外干，濕球溫度值。又結(jié)合夏季普遍的氣候情況車內(nèi)，外空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇，汽車空調(diào)車內(nèi)平均溫度推薦為夏季22~28度，車內(nèi)外溫差夏季一般為5~7度；室外干球溫度35度，相對濕度百分之六十，室內(nèi)空氣流速小于0.2米每秒，根據(jù)人體衛(wèi)生要求，空氣中二氧化碳含量不能超過百分之零點(diǎn)一，換氣量每個(gè)人20米立方，車內(nèi)干球溫度25度相對濕度百分之五十五，大氣壓力為1.01325*1.5帕，車的行駛速度40千米每小時(shí)，漏風(fēng)量18米立方每小時(shí)。風(fēng)口位置應(yīng)盡量避免直吹另人感到不舒適的部位各處風(fēng)口風(fēng)速不宜超過2米每秒，否則會(huì)引起車內(nèi)溫度場，風(fēng)速場分布不均勻出現(xiàn)氣流漩渦。又由于汽車在不同的氣候條件下使用行駛，氣象參數(shù)多變，車內(nèi)空間狹小，氣流組織困難，車內(nèi)外熱量交換頻繁，車內(nèi)溫度不均勻，不穩(wěn)定。所以汽車空調(diào)熱負(fù)荷的計(jì)算一般都是采用經(jīng)驗(yàn)法估算，在滿足乘員得舒適性要求下兼顧整車經(jīng)濟(jì)性和安裝空間的條件下，盡可能選擇較大的制冷量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)轎車制冷裝置制冷選擇范圍如下： 表2-1轎車制冷裝置制冷量 車型 微型 輕型 中型 大型 超大型 制冷量(KW) 1.163~2.093 2.093~2.326 2.326~2.906 3.489~4.652 4.652~6.396 汽車空調(diào)送風(fēng)量的確定：由于蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換需要一定的風(fēng)量和風(fēng)速。適當(dāng)增大風(fēng)量或風(fēng)速，可提高熱交換效率，增加制冷量的輸出。一般風(fēng)量與所載冷量有一定的比例關(guān)系。乘用車受空間和布置的限制，可參照現(xiàn)有的同排量乘用車風(fēng)量與所載冷量的比例關(guān)系。若要處理全部新風(fēng)，就要提高汽車空調(diào)載冷效率或冷量密度【1】?？捎孟率焦浪悖? (2-1) 式中： --蒸發(fā)器風(fēng)量，單位為m3/s --空氣密度，取1.2kg/m3 --蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣的焓差，單位為KJ/kg 根據(jù)上式，只要確定了估算的制冷量，就可以估算出來送風(fēng)量。于是根據(jù)上面計(jì)算的結(jié)果可以算出送風(fēng)量。 2.1.2壓縮機(jī)的選配 本文采用AP105W渦旋壓縮機(jī)替代原來的壓縮機(jī)，由于壓縮機(jī)工作特性的區(qū)別，原來制冷系統(tǒng)不能充分發(fā)揮其渦旋壓縮機(jī)的特點(diǎn)而需要進(jìn)行重新匹配。下表為壓縮機(jī)的基本參數(shù)和不同轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)制冷量、耗功和制冷系數(shù)。 表2-1 AP105W渦旋壓縮機(jī)的基本參數(shù) 型號(hào) AP105W 行程容積 105 相當(dāng)容積 190 制冷量 2000 1.784 3000 2.545 輸入功率 2000 1.791 3000 2.494 制冷系數(shù) 2000 2.112 3000 2.223 表2-2 不同轉(zhuǎn)速時(shí)壓縮機(jī)制冷量、耗功和制冷系數(shù) 轉(zhuǎn)速 工況一 工況二 制冷量（） 功耗（） 制冷系數(shù) 制冷量（） 功耗（） 制冷系數(shù) 2000 1.784 1.791 2.112 2.502 1.772 2.615 3000 2.545 2.494 2.223 3.597 2.397 2.752 6000 4.545 5.150 1.779 6.900 4.950 2.202 工況1足冷凝溫度62℃，蒸發(fā)溫度為O℃;工況2為冷凝溫度55℃，蒸發(fā)溫度O℃。 汽車空調(diào)壓縮機(jī)的重要指標(biāo)是排量和功耗。排量(cc/r)是確定其制冷能力的重要因素。 壓縮機(jī)排量的確定：蒸發(fā)器的產(chǎn)生的冷量來自制冷劑在其中氣化所吸收的氣化潛熱，因此制冷劑的質(zhì)量流量為: (2-2) 式中: --制冷劑質(zhì)量流量，單位為kg/s; --蒸發(fā)器制冷量，單位為KW; --蒸發(fā)器進(jìn)口處制冷劑的干度，一般可以取0.15； --制冷劑在相應(yīng)蒸發(fā)溫度下的氣化潛熱，單位為KJ/kg. 制冷劑的體積流量為： (2-3) 式中: --制冷劑體積流量，單位為m3/s； --壓縮機(jī)吸氣口處制冷劑蒸汽比體積，單位為m3/kg. 由于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)等原因，實(shí)際體積流量要比理論體積流量要小，即輸氣系數(shù)小于1，一般取0.65~0.75. 若壓縮機(jī)的理論排量為L（單位為cm3/r）,轉(zhuǎn)速為n(單位為r/min),那么壓縮機(jī)的理論輸氣量為: （2-4） 試中： --壓縮機(jī)理論輸氣量，即理論體積流量，單位為m3/s； --壓縮機(jī)理論轉(zhuǎn)速，單位為r/min；L--壓縮機(jī)理論排量，單位為cm3/r。 從上式可見汽車空調(diào)壓縮機(jī)所能產(chǎn)生的制冷量除了與普通制冷壓縮機(jī)一樣與壓縮機(jī)的容積效率及工作的熱力工況有關(guān)以外，重要的是它還與轉(zhuǎn)速有密切的聯(lián)系。汽車空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式與一般的制冷壓縮機(jī)是不一樣的，通常是由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方式分為直連式和獨(dú)立式，大部分小轎車和中小型面包車等功率不大的壓縮機(jī)都采用直連式驅(qū)動(dòng)，即由主發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶輪傳動(dòng)和電磁離合器帶動(dòng)汽車空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨汽車行駛速度變化而變化，同時(shí)產(chǎn)生的冷量也隨之變化。所以，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是汽車空調(diào)工況的一個(gè)不可忽略主要因素。這樣在進(jìn)行汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)如何確定壓縮機(jī)的汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配研究標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速就非常重要。目前通常采用1800r/min或2000r/min，但是實(shí)際情況并不是如此，不同類型壓縮機(jī)的情況并不相同。 又因?yàn)檩敋庀禂?shù)等于，故當(dāng)蒸發(fā)器產(chǎn)生冷量確定后，壓縮機(jī)的排量僅與其轉(zhuǎn)速有關(guān)。另外，各種車型的車室內(nèi)空間都有一定的范圍因此各種車型選配壓縮機(jī)的排量也有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)推薦范圍。微型車空間十分緊湊，發(fā)動(dòng)機(jī)功率小，推薦的壓縮機(jī)排量范圍為80~100cm3/r，中低檔乘用車，一般推薦范圍為120~150 cm3/r之間，中高乘用車普遍采用變排量壓縮機(jī)，排量一般為150~250 cm3/r之間。 壓縮機(jī)傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)速的確定：在非獨(dú)立式汽車空調(diào)中，壓縮機(jī)依賴整車動(dòng)力，其轉(zhuǎn)速取決于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及兩者間的傳動(dòng)比。確定傳動(dòng)比對于非獨(dú)立式空調(diào)系統(tǒng)制冷性的發(fā)揮和壓縮機(jī)工作的可靠性至關(guān)重要。壓縮機(jī)額定工況的確定必須考慮發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)之間的傳動(dòng)方式和他們的傳動(dòng)比，在匹配蒸發(fā)器冷量時(shí)，初選壓縮機(jī)排量后只要確定它應(yīng)有的轉(zhuǎn)速，則該速下壓縮機(jī)所產(chǎn)生的實(shí)際工質(zhì)流量與所需冷量相匹配就即可。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍比較寬，而壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是一個(gè)數(shù)值，兩者之間需要協(xié)調(diào)。如果壓縮機(jī)排量選擇過大，使所需轉(zhuǎn)速低于1800r/min那么壓縮機(jī)將始終在低于所需轉(zhuǎn)速下工作，其結(jié)果是蒸發(fā)溫度經(jīng)常降到零度以下仿開關(guān)將頻繁斷開接通壓縮機(jī)。如果壓縮機(jī)排量選擇過小，將使所需額定轉(zhuǎn)速高于2000 r/min，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)壓縮機(jī)將因轉(zhuǎn)速過低而導(dǎo)致制冷量嚴(yán)重不足，當(dāng)車速很高時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速將超過極限。所以要恰到好處選擇計(jì)算轉(zhuǎn)速，裝有非獨(dú)立汽車空調(diào)的汽車都要提高其發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，若提高到900 r/min，此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速就可以達(dá)到1200 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的百分之七十七左右，基本上滿足汽車怠速工況時(shí)乘員對舒適度要求。 以下將在上述的壓縮機(jī)性能基礎(chǔ)上主要對冷凝器和蒸發(fā)器進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。 2.1.3冷凝器設(shè)計(jì) 冷凝器的作用是將壓縮機(jī)排出的高溫高壓蒸汽冷卻并冷凝成高溫高壓的液體，同時(shí)放出大量的冷凝熱由冷卻介質(zhì)帶走。在汽車上布置冷凝器較困難，散熱條件差，故要求傳熱面積大，傳熱效率高。冷凝器中放熱大體有三個(gè)階段:首先是由壓縮機(jī)排出的過熱蒸汽被冷卻到該壓力下的飽和狀態(tài)。接著，制冷劑飽和蒸汽放熱凝結(jié)成飽和液體狀態(tài)。最后，飽和液體再放熱變成過冷液體。由于自身原因汽車空調(diào)中的冷卻介質(zhì)只能是室外空氣，即采用空冷式冷凝器，而空氣的換熱系數(shù)又比較小。又由于在汽車中尤其是直連式汽車空調(diào)中冷凝器的安裝空間非常有限。再加上室外冷卻介質(zhì)溫度較高，因此如何解決這兩者之間的矛盾是汽車空調(diào)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一。 目前汽車空調(diào)中常用的三種冷凝器中，從傳熱系數(shù)，制冷劑側(cè)阻力和空氣側(cè)阻力、內(nèi)容積、體積和重量等綜合性能指標(biāo)看，管片式是最差的。而且由于管與片之間因震動(dòng)易松動(dòng)和因膨脹形成的塑變內(nèi)應(yīng)力降低，管片式在目前汽車空調(diào)中已很少使用。平流式冷凝器是最好的，完全滿足HFC-134a系統(tǒng)的要求，但其在我國的應(yīng)用受到一定的限制。原因有:焊點(diǎn)多，接管焊縫的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管帶式，我國的道路狀況差，因此很難滿足對冷凝器可靠性和耐久性的要求;采用的多孔矩形扁鋁材料近期難以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，制造工藝復(fù)雜，需要專門的生產(chǎn)線;設(shè)計(jì)靈活性較差:翅片間距小、翅片高度低使表面易積垢，清洗也困難;生產(chǎn)成本也高。所以目前國內(nèi)汽車空調(diào)常采用的是管帶式冷凝器，由于對翅片間距、翅片高度的改進(jìn)和不同帶寬的選擇使管帶式冷凝器的性能進(jìn)一步提高。尤其近年來采用雙回路管帶式冷凝器對換熱量較大(600Ow以上)是可以有效地減小制冷劑側(cè)的流動(dòng)阻力，保持需要的傳熱溫差，對提高冷凝器的傳熱性能有利;同時(shí)又能保證每一流程的制冷劑流量。汽車空調(diào)系統(tǒng)換熱器的特點(diǎn)是換熱量隨車速(壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速)變化，因此選擇冷凝器的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)要考慮這一問題。我們的習(xí)慣是選擇壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在1800r/min或2000r/min時(shí)的負(fù)荷來設(shè)計(jì)的，但由于考慮到渦旋壓縮機(jī)的高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)性能，以下將分別以2000r/min和3000r/min時(shí)的冷凝負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，冷凝負(fù)荷系數(shù)約為1.4，2000r/min時(shí)冷凝負(fù)荷接近6000w，3000r/min大于6000w;而兩種情況均大于6000w，因此采用雙回路管帶式冷凝器。 表2-3 管帶式冷凝器管帶參數(shù)值 結(jié)構(gòu)參數(shù) 扁管寬 扁管厚 翅片厚 翅片間距 翅片高 尺寸（mm） 32 3.5 0.16 1.5 11 制冷系統(tǒng)要求的熱負(fù)荷： (2-5) 式中 --冷凝器的熱負(fù)荷，單位為kW; --蒸發(fā)器的制冷量，通常指設(shè)計(jì)工況的制冷量，單位為kW； --壓縮機(jī)消耗的指示功率，單位為kW。 也可用簡便的形式： (2-6) 式中—負(fù)荷系數(shù)。因?yàn)槠嚳照{(diào)冷凝器的工作條件惡劣，故一般選用=1.4左右為宜。 冷凝器傳遞的熱量：冷凝器的傳熱方程如下 （2-7） 式中： —傳熱系數(shù)； --以外表面為基準(zhǔn)計(jì)算的傳熱面積； --制冷劑和冷卻介質(zhì)的傳熱平均溫差。 由基本傳熱方程可知,設(shè)計(jì)的主要問題是換熱系數(shù)的計(jì)算，管內(nèi)制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)由下式計(jì)算: 被冷卻空氣帶走的熱量：被冷卻空氣帶走的熱量就是制冷劑釋放的熱量 （2-8） 式中: --空氣的質(zhì)量流量，單位為kg/s; --空氣的比定壓熱容，單位為kJ(㎏.k); --流向和流出冷凝器的空氣溫度； --制冷劑的質(zhì)量流量，kg/s; 、—流入和流出冷凝器的制冷劑比焓，單位為KJ/kg. 最后得出設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2000時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為3000時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果。 表2-4轉(zhuǎn)速為2000時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果 參數(shù) 傳熱系數(shù)K 傳熱面積F 風(fēng)量V 迎風(fēng)面積 迎面風(fēng)速 62 10 36.04 6.44 1658 0.137 3.367 8 37.96 5.81 2072 0.123 4.668 60 10 36.01 7.44 1731 0.158 3.047 8 38.13 6.63 2164 0.141 4.273 55 10 35.28 11.34 1906 0.241 2.199 8 37.86 9.73 2383 0.207 3.203 表2-5轉(zhuǎn)速為3000時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果 參數(shù) 傳熱系數(shù)K 傳熱面積F 風(fēng)量V 迎風(fēng)面積 迎面風(fēng)速 62 10 36.04 9.53 2452 0.202 3.367 8 37.96 8.59 3065 0.182 4.668 60 10 36.01 11.00 2561 0.234 3.047 8 38.13 9.80 3201 0.208 4.273 55 10 35.28 16.76 2817 0.356 2.199 8 37.86 14.39 3522 0.305 3.203 通過以上對冷凝器設(shè)計(jì)結(jié)果的各種情況進(jìn)行分析，選擇壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min、冷凝溫度60℃、空氣進(jìn)出口溫度差為10℃時(shí)的設(shè)計(jì)結(jié)果。 2.1.4蒸發(fā)器 蒸發(fā)器的作用是將經(jīng)過節(jié)流降壓后的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)汽化，吸收蒸發(fā)器表面的周圍空氣的熱量而降溫，風(fēng)機(jī)再將冷風(fēng)吹到車室內(nèi)，達(dá)到降溫的目的。汽車車廂內(nèi)的空間小，對空調(diào)尺寸有很大的限制，為此要求空調(diào)器（主要是 蒸發(fā)器）具有制冷效率高、尺寸小、重量輕等特點(diǎn)。 汽車空調(diào)蒸發(fā)器安裝在車室內(nèi)，因此安裝空間相對冷凝器來說較寬敞。蒸發(fā)器是制冷空調(diào)裝置中一種主要的熱交換器設(shè)備，一般來講，在裝置穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，制冷劑以低干度的氣液兩相狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器，逐漸受熱蒸發(fā)，利用其蒸發(fā)潛熱吸收被冷卻介質(zhì)的熱量而使其溫度降低，最后制冷劑以過熱氣體狀態(tài)離開蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器的外表面溫度低于濕空氣的干球溫度濕空氣要向外表面放熱，如果外表面溫度低于濕空氣的露點(diǎn)溫度，濕空氣中的部分水蒸氣將在外表面凝結(jié)，使外表面形成一層水膜，那么兩者之間要進(jìn)行熱濕兩種交換過程，即既有顯熱交換又有潛熱交換。 汽車空調(diào)的蒸發(fā)器負(fù)荷也同冷凝器一樣，是隨車速改變而變化的。采用固定工況的負(fù)荷來設(shè)計(jì)也存在同樣的問題，一般來說蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)負(fù)荷是由汽車室內(nèi)冷負(fù)荷計(jì)算來確定的，但這里為了下面仿真程序的實(shí)現(xiàn)方便，所以也采用與冷凝器設(shè)計(jì)同樣的方法來進(jìn)行，即根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行工況下負(fù)荷來設(shè)計(jì)。蒸發(fā)器采用鋁管，具體的管片參數(shù)如下表。 表2-6蒸發(fā)器管片結(jié)構(gòu)參數(shù) 管外徑（mm） 管壁厚（mm） 翅片厚(mm) 翅片間距（mm） 8.0 0.5 0.16 1.6 對蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響參數(shù)主要有蒸發(fā)溫度，蒸發(fā)器的進(jìn)出口空氣狀態(tài)等，由于蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱的特殊性，空氣放出的熱量包括顯熱和潛熱兩部分，即是 （2-9） 式中： --蒸發(fā)器的制冷量； —顯熱換量， --潛熱換量， --制冷劑的質(zhì)量流量， 、--流入，流出蒸發(fā)器的制冷劑比焓。 其中顯熱換熱量可按這公式計(jì)算 （2-10） 式中： --顯熱換量， --空氣的質(zhì)量流量， --空氣的必定壓熱容， 、--流入，流出蒸發(fā)器的空氣溫度。 蒸發(fā)器的傳熱方程為： (2-11) 式中： --傳熱系數(shù)， --以外表面為基準(zhǔn)計(jì)算的傳熱面積， --制冷劑和冷卻介質(zhì)的傳熱平均溫度。 下表為設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果 表2-7壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3000的設(shè)計(jì)結(jié)果 參數(shù) 傳熱系數(shù)K 傳熱面積F 風(fēng)量V 迎風(fēng)面積 迎面風(fēng)速 0 27 50.05 5.78 644 0.074 2.42 24 45.42 7.63 692 0.079 2.46 2 27 48.15 7.57 722 0.078 2.59 24 41.80 10.74 775 0.092 2.35 5 27 41.93 12.64 853 0.108 2.20 24 43.16 14.14 1115 0.121 2.54 蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)器的空氣進(jìn)口溫度、制冷劑流量對蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)都有影響。但是設(shè)計(jì)中真正影響蒸發(fā)器換熱系數(shù)的是制冷劑的質(zhì)量流速、即單位流通面積、單位時(shí)間內(nèi)制冷劑的流量。所以雖然各種不同工況下的制冷劑質(zhì)量流量不同，但是可以設(shè)計(jì)不同的分路數(shù)來使得各種不同工況下的質(zhì)量流速大致相等，所以制冷劑質(zhì)量流量對蒸發(fā)器設(shè)計(jì)中的傳熱系數(shù)影響很小，可以忽略不計(jì)，但是在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中的影響卻是需要考慮【3】。 送風(fēng)溫差即進(jìn)入汽車室內(nèi)的空氣溫度與車室內(nèi)設(shè)定溫度之差，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮一個(gè)參數(shù)，一般情況下送風(fēng)溫差小可以提高車室內(nèi)的舒適度，但溫差小就要求增大送風(fēng)量，這將受到結(jié)構(gòu)限制，目前結(jié)構(gòu)緊湊的乘用車都采用大溫差，小送風(fēng)量的辦法，但也要注意過低的蒸發(fā)溫度可能導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)相。 蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)器設(shè)計(jì)的影響與冷凝溫度對冷凝器設(shè)計(jì)的影響是相似的。當(dāng)制冷循環(huán)的其它條件不變時(shí)，蒸發(fā)溫度不同會(huì)造成整個(gè)制冷循環(huán)的性能發(fā)生變化蒸發(fā)溫度降低會(huì)使循環(huán)單位制冷量減小，單位耗功增加，壓縮機(jī)吸氣比容增大，另外蒸發(fā)壓力降低會(huì)使壓縮機(jī)壓比增大壓縮機(jī)造成容積效率減小，這些都會(huì)使壓縮機(jī)的實(shí)際輸出氣量減小。這樣制冷量就會(huì)減小，通常情況壓縮機(jī)耗功會(huì)增加。所以選擇較低的蒸發(fā)溫度作為設(shè)計(jì)一參數(shù)時(shí)的負(fù)荷反而會(huì)小，同時(shí)蒸發(fā)器的傳熱溫差會(huì)增大，這時(shí)設(shè)計(jì)的蒸發(fā)器面積偏小反之，則偏大。 蒸發(fā)器的空氣進(jìn)出口溫度都會(huì)對設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，這里只考慮進(jìn)口溫度?？諝膺M(jìn)口溫度的影響就主要是對蒸發(fā)器中的傳熱溫差的影響了:空氣進(jìn)口溫度愈低則蒸發(fā)器的傳熱溫差就愈小，需要的傳熱面積就越大。但是空氣進(jìn)口溫度不同蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)也有較大的改變，這是由于空氣進(jìn)口溫度較小時(shí)，所需的傳熱面積增加，迎風(fēng)面積也增加。但空氣的進(jìn)出口溫度焙差變化很小，要滿足一定的負(fù)荷空氣的流量也變化不大，所以迎面風(fēng)速減小造成蒸發(fā)器的換熱系數(shù)減小。 通過前面的計(jì)算結(jié)果和分析，蒸發(fā)溫度和空氣進(jìn)口溫度(包括空氣進(jìn)出口溫差)的選擇應(yīng)該是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)需要較高的舒適性要求，即較低的車室內(nèi)溫度時(shí)，應(yīng)選擇較低的蒸發(fā)溫度，或較小的空氣進(jìn)出口溫差才能得到合理的設(shè)計(jì)結(jié)果 本文根據(jù)捷達(dá)轎車結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，選擇壓縮機(jī)為300Or/min，蒸發(fā)溫度為2度，空氣進(jìn)口溫度為24度的結(jié)果為最終設(shè)計(jì)結(jié)果。 3 汽車空調(diào)仿真工具和模型 3.1汽車空調(diào)系統(tǒng)仿真技術(shù) 3.1.1 系統(tǒng)仿真技術(shù)工具 應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)研究制冷空調(diào)系統(tǒng)，從所收集的資料來看，早在20世紀(jì)六十年代就已開始，其構(gòu)建模型所用方法，構(gòu)造系統(tǒng)模型和仿真模型的思路及算法也不斷推陳出新，而且從系統(tǒng)簡單設(shè)計(jì)，構(gòu)件選型逐漸發(fā)展到更新傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性以及優(yōu)化分析和優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行等方面。80年代開始國際制冷界出現(xiàn)了一個(gè)熱點(diǎn)問題，制冷系統(tǒng)（含空調(diào)系統(tǒng)）設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代化如何實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的更新，使之現(xiàn)代化，這非常需要系統(tǒng)仿真技術(shù)的介入同時(shí)采用制冷系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)的基本觀點(diǎn)，把傳統(tǒng)的集中參數(shù)計(jì)算改為分布參數(shù)計(jì)算，建立汽車空調(diào)部件的分布參數(shù)數(shù)學(xué)模型。 Simulink是ＭＡＴＬＡＢ環(huán)境下的圖形化仿真工具，是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真和分析的集成環(huán)境，支持連續(xù)，離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)仿真，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)仿真。 Simulink的工作原理：所有的Simulink模塊都有一個(gè)輸入向量、一個(gè)輸出向量和一個(gè)狀態(tài)向量。Simulink仿真分初始化和仿真兩個(gè)階段。初始化階段:首先，模塊的參數(shù)傳給Matlab以求出它們的值，求出的數(shù)值結(jié)果用作實(shí)際的模塊參數(shù);然后去掉模型中的層次結(jié)構(gòu)，每一個(gè)不是條件執(zhí)行的子系統(tǒng)都山子系統(tǒng)中包含的各個(gè)模塊所代替;各個(gè)模塊按照它們將被更新的順序重新排序，排序算法構(gòu)造一個(gè)列表使具有直接饋通的模塊在驅(qū)動(dòng)它們的模塊沒有被更新之前不被更新;最后檢查模塊之間的連接以確保每一個(gè)模塊的輸出向量的寬度與驅(qū)動(dòng)的模塊輸入的寬度是相同的。初始化之后，就做好了運(yùn)行仿真的準(zhǔn)備。模型使用數(shù)值積分的方法進(jìn)行仿真。提供的每一個(gè)ODE求解器(仿真方法)取決于模型提供其連續(xù)狀態(tài)的導(dǎo)數(shù)能力。計(jì)算導(dǎo)數(shù)分兩步:第一步，按照排序時(shí)確定的順序計(jì)算每一個(gè)模塊的輸出;然后在第二步，每一模塊基于當(dāng)前時(shí)間、模塊的輸入和狀態(tài)計(jì)算其導(dǎo)數(shù)，得到的導(dǎo)數(shù)向量返回給求解器，求解器在下一時(shí)間使用這些導(dǎo)數(shù)向量計(jì)算新的狀態(tài)向量，新的狀態(tài)向量計(jì)算出來以后，個(gè)采樣數(shù)據(jù)模塊和Scope模塊也被更新。 S-函數(shù)：Simulink模塊庫中包含有很多實(shí)現(xiàn)各種功能的模塊，用戶可以直接通過模塊庫調(diào)用它們，但是在很多模塊情況下，庫中自帶的模塊不能滿足用戶的需求，這時(shí)候用戶可以希望自己設(shè)計(jì)模塊以供使用。S-函數(shù)是一種描述simulink模塊的計(jì)算機(jī)語言，是系統(tǒng)函數(shù)的簡稱。S-函數(shù)通過一種特殊的調(diào)用規(guī)則，使得用戶可以與Simulink解算器進(jìn)行交互。這種交互和Simulink里自帶模塊與解算器的交互是一樣的。運(yùn)用S-函數(shù)，用戶可以把自己設(shè)計(jì)的模塊與Simulink自帶模塊一起使用。S函數(shù)的的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以創(chuàng)建一個(gè)通用的模塊，在模型中多次使用它，使用時(shí)只需要改變它的參數(shù)值即可，就像Simulink模塊庫中的其它模塊一樣。而且定制的S一Function模塊工作原理也與其它的模塊類似。所以山于有了simulink的擴(kuò)展工具S函數(shù)使得Simulink的仿真功能更加強(qiáng)大，同時(shí)也使得模型的建立更加容易，各個(gè)模塊之間的聯(lián)系更加清楚。 分析一個(gè)現(xiàn)有的汽車空調(diào)系統(tǒng)或研制設(shè)計(jì)一個(gè)新的汽車空調(diào)系統(tǒng)，試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，但如果僅僅依靠對實(shí)物系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)是不經(jīng)濟(jì)的，不僅要進(jìn)行許多重復(fù)的試驗(yàn)以保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性和可靠性，還需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力；用基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的汽車空調(diào)性能分析系統(tǒng)代替實(shí)車試驗(yàn)就能克服這種不足，它不需要用實(shí)車，只需采用現(xiàn)代的高速計(jì)算機(jī)和專門設(shè)計(jì)的仿真軟件便能進(jìn)行這種具有一定重復(fù)性的工作，大大減少了工作的復(fù)雜性和難度，縮短了產(chǎn)品的研制、設(shè)計(jì)、開發(fā)的周期，節(jié)約了大量資金，而且還能夠得到與真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)相吻合的結(jié)果【8】。 3.1.2仿真工具特點(diǎn) Simulink是集成在Mathworks公司推出的Matlab軟件中的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具simulink可以用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)和離散時(shí)間模型，系統(tǒng)還可以是多采樣率的。它功能強(qiáng)大、使用簡單，同時(shí)還可以使用Matlab中各種分析工具分析仿真結(jié)果。simulink提供了一個(gè)圖形化建模的用戶界面(GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖標(biāo)建模。通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫模型一樣。同時(shí)Simulink提供了由Continuous、Diserete、Funetions&Tables、Math、Jonlinear、Signals&SystemsSinks，和sourees組件組成的模塊庫。這樣在模型的建立過程中就自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了前面所說的二次模型化的大部分內(nèi)容，剩下的就是設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)值即可，免除了以11個(gè)需要編制程序來實(shí)現(xiàn)的麻煩。另外Simulink中的模型是分級(jí)的，可以自上而下也可以自下而上的建立模型。這樣可以使建立的模型圖面清晰，便于理解模型之間的相互聯(lián)系。建立好一個(gè)仿真模型后，就可通過simulink的菜單或者在Matlab的命令窗口輸入命令對它進(jìn)行仿真。Simulink仿真是交互性的，可以隨意地改變模型的參數(shù)并且馬上就可以看到改變參數(shù)后的結(jié)果。使用菜單進(jìn)行仿真對于交互式工作非常方便，而命令行方式對于處理成批的仿真比較有用。仿真的結(jié)果可以用Scopes或者其它的顯示模塊，可以在運(yùn)行仿真時(shí)觀察到仿真的結(jié)果。仿真的結(jié)果也可以放在Matlab的一個(gè)工作空間(worksPace)中以待進(jìn)一步的處理或者可視化。Simulink還提供了實(shí)時(shí)工作環(huán)境(Real一TimeWbrkshop)能自動(dòng)地直接從Simulink的模塊圖生成C語一言代碼。這將允許連續(xù)、離散時(shí)間或者混合系統(tǒng)的模型可以運(yùn)行于各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)【8】。 總的來說，Ｓimulink仿真環(huán)境主要特點(diǎn)為可視化，開放性，用戶可建立圖形方式的系統(tǒng)模型，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，具有直觀，方便，靈活的優(yōu)點(diǎn)。Simulink還提供了封裝和模塊化工具，可以通過該功能定義新的模塊，實(shí)現(xiàn)了對仿真模塊庫的擴(kuò)展，尤其適合用于復(fù)雜，多層次高非線性的系統(tǒng)仿真。它簡化了設(shè)計(jì)過程，減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，提高了仿真的集成化和可視化程度。 3.2汽車空調(diào)仿真模型 本文從目前的實(shí)際情況出發(fā)，在實(shí)用性研究中為了滿足精度，穩(wěn)定性和快速性，可理解性的要求，利用長期積累的測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對仿真模型進(jìn)行較為簡化的處理，采用穩(wěn)態(tài)仿真研究更適合我國汽車空調(diào)企業(yè)的實(shí)際情況。 為了簡化汽車空調(diào)系統(tǒng)的模型，做了以下幾點(diǎn)建議假設(shè)：（1）工作過程中系統(tǒng)的過冷度和過熱度忽略；（2）換熱器內(nèi)制冷劑的流動(dòng)損失可忽略，沒有管路流動(dòng)能量損失;（3)熱力膨脹閥的工作是完全理想的，即能在任何汽車空調(diào)的工作壓力下保持與壓縮機(jī)的排量相同的流量。 在整個(gè)汽車空調(diào)系統(tǒng)模型中建立中主要包括了循環(huán)計(jì)算、壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器四個(gè)子系統(tǒng)。 壓縮機(jī)模型采用穩(wěn)態(tài)模型，功率根據(jù)理論功和壓縮機(jī)的效率確定【4】： (3-1) (3-2) 式中: , --分別表示壓縮機(jī)的制冷劑流量與功率, ，，--分別為壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)、理論功、效率, 、 、分別表示冷凝壓力、蒸發(fā)壓力、吸氣比容、多變指數(shù)。 蒸發(fā)器和冷凝器模型: 忽略蒸發(fā)器與冷凝器中制冷劑的阻力損失，制冷劑兩 相區(qū)的溫度可近似認(rèn)為是一致的因此系統(tǒng)采用穩(wěn)態(tài)模型，將兩器按過熱、過相區(qū) 過冷分成幾個(gè)大塊。對于冷凝器。根據(jù)制冷劑的質(zhì)量和能量守恒方程式【4】 （3-3） 在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)積分得 （3-4） （3-5） 在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)積分得 （3-6） 式中: 上標(biāo)和分別表示當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的物理量, ，，分別為制冷劑的質(zhì)量、焓和質(zhì)流率, 為總的熱流, 為時(shí)間, 下標(biāo)，和分別表示換熱器的過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)。 令， （3-7） （3-8） 當(dāng)進(jìn)出口流量、進(jìn)口焓值已知時(shí)，冷凝器中其它參數(shù)仍然需要通過迭代才能確定把質(zhì)量平衡作為迭代標(biāo)準(zhǔn)。蒸發(fā)器的計(jì)算與冷凝器是一致的，只是沒有過冷區(qū)。 3.3制冷循環(huán)子系統(tǒng) 制冷循環(huán)子系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)用于對制冷循環(huán)的物性進(jìn)行計(jì)算的仿真模型因?yàn)閷?shí)際的系統(tǒng)在工作過程中由于外界或人為的調(diào)節(jié)造成制冷機(jī)的工作工況在變化，例如由于轉(zhuǎn)速的變化，引起制冷劑流量變化就會(huì)使得系統(tǒng)的冷凝溫度和蒸發(fā)溫度發(fā)生變化，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度又反過來影響其它部件的工作，從而使系統(tǒng)會(huì)在一個(gè)新的工作條件下穩(wěn)定下來。 汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)循環(huán)可清楚地表示在壓焓圖上，如下圖3-1所示。它主要由4個(gè)過程組成。低溫低壓時(shí)制冷劑氣體從壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體，此過程為壓縮過程用1-2表示；制冷劑氣體由壓縮機(jī)排出后進(jìn)入冷凝器，此過程為冷凝過程用線段2s-2-3表示；制冷劑通過膨脹閥節(jié)流時(shí)，其前、后焓值相等是膨脹過程，用線段3-4表示；制冷劑液體經(jīng)膨脹閥降溫后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸熱制冷后從蒸發(fā)器出口被壓縮機(jī)吸入，此過程為蒸發(fā)過程線段4-l表示。離開蒸發(fā)器和進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑蒸汽是處于蒸發(fā)壓力下的飽和蒸汽，離開冷凝器和進(jìn)入膨脹閥的液體是處于冷凝壓力下的飽和液體。制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中沒有壓力損失；在各設(shè)備的連接管道中制冷劑不發(fā)生狀態(tài)變化，制冷劑的冷凝溫度等于冷卻介質(zhì)溫度，蒸發(fā)溫度等于被冷卻介質(zhì)的溫度。 圖3-1汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)循環(huán)圖 在前面假設(shè)的基礎(chǔ)上，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度實(shí)際上就決定了對于汽車空調(diào)來說是除了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速以外整個(gè)制冷循壞的工作。制冷循環(huán)子系統(tǒng)模型