基于Flowmaster的車輛空調系統數值模擬

蔣東章，梁林，陳希，郭富男

(中國礦業大學電力工程學院，江蘇徐州 221116)

基于Flowmaster的車輛空調系統數值模擬

蔣東章，梁林，陳希，郭富男

(中國礦業大學電力工程學院，江蘇徐州 221116)

隨著汽車越來越普及，人們對汽車舒適性的期望值不斷提高。汽車空調系統決定了汽車內空氣的質量、溫度、濕度等，其性能對舒適性有直接的影響。利用一維流體系統模擬仿真軟件Flowmaster分別對汽車空調系統的穩態、動態特性進行仿真分析。結果表明：隨著制冷劑充注量的增加，制冷量和制冷系數呈現先增后減的趨勢，這期間均會出現一個峰值，但是，最大制冷量并沒有對應制冷系數的最大值。通過動態分析可以發現：壓縮機的排氣壓力和冷凝溫度會隨著壓縮機轉速的降低而顯著下降，空調系統的制冷系數也會由于壓縮機吸氣壓力和蒸發溫度的升高而改善。

汽車空調；Flowmaster軟件；數值模擬；穩態特性；動態特性

0 引言

對于計算機仿真技術在空調制冷系統上的運用，可以追溯到20世紀六十年代[1]。到了20世紀九十年代，集中參數和分布參數的研究得到了進一步的發展，并向實用型轉化[2]。R N N KOURY等[3]構建的模型中，蒸發器和冷凝器被分解成大小一樣的控制單元，通過能量、動量方程、質量方程列出每個單元與時間相關聯的平衡方程，對其進行計算求解。王瑞等人[4]發現尖角波紋翅片的傳熱效果優于圓角波紋翅片。陳友明等[5]著重研究空調冷水系統的流量、壓力及溫度分布，簡化模型，不建立冷水機組的仿真模型。全靜[6]利用Flowmaster對制冷系統進行仿真建模，并分析了制冷部件中的流量、壓力的分布變化情況，了解制冷系統的運行特性。梅星新等[7]利用建立的冷水系統模型得到參數的仿真數值，并與設計值進行比較分析。

隨著汽車工業的不斷發展，近年來車載空調系統的研究越來越得到關注。X YANG等搭建了一個新的電動車空調系統[8]，對空氣葉片壓縮機的動態進行了分析設計。陸強等人[9]也利用Flowmaster軟件對列車用空調制冷系統進行建模和仿真。S P DATTA等[10]設計了具有電荷狀態變化的系統蓄電池，用于改善汽車空調的性能。G ZHOU等利用熱泵聯合除霜性能試驗，研究純電動汽車低溫空調系統[11-12]。李麗等人[13]針對純電動汽車設計了一套蒸汽壓縮式冷暖雙模式熱泵空調系統，結果表明熱泵空調系統具有可行性。C YUE等[14]分析了與車輛空調系統耦合的ORC系統的熱經濟性，發現工質對于系統有著顯著的影響。目前，汽車空調系統的研究多為實驗優化，對于穩態和動態下參數的變化對于空調系統性能影響的一維模擬研究還比較少。

作者利用一維流體系統仿真軟件Flowmaster搭建汽車空調系統模型。在穩態下改變汽車空調系統制冷劑的充注量，觀察空調系統各個參數的變化及系統的運行特性；在動態下降低汽車空調系統壓縮機的轉速，觀察系統各個參數隨時間的變化以及對系統性能的影響。

1 汽車空調系統建模

在Flowmaster軟件中選擇汽車空調系統的元件目錄，選取空調系統中的主要部件如壓縮機、冷凝器等，逐一拖拽到網絡中并按空調系統的工作原理逐一連接起來，輸入空調系統中的相關參數[15-16]，最后形成了如圖1所示的空調系統模擬仿真設計圖。

圖1 汽車空調系統模擬仿真設計圖

2 結果與討論

2.1 不同工質對汽車空調系統的影響

汽車空調系統的性能與工質有密切關系，需要在相同的工況條件下，分析和比較各種工質的循環性能，來篩選確定最佳的工質[17]。

如圖2所示：在模擬工況下，R141b的系統熱效率最高，單位工質的循環凈功Wnet和不可逆損失I中僅次于R152a。分析各工質的狀態點參數，發現R152a、R134a的冷凝溫度低于0 ℃。在實際情況下，這樣的低溫熱源無法獲得，故不予考慮。因此選擇R141b作為循環工質。

圖2 各工質的模擬參數

2.2 制冷劑充注量對汽車空調系統的影響

保持壓縮機轉速為1 800 r/min，以R141b作為循環工質，冷凝器、蒸發器的通風量分別為0.25、0.66 m3/s。改變系統中制冷劑的充注量為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1 kg。

由圖3和圖4可以看出:當制冷劑的充注量增多時，蒸發器內的制冷劑相變管段變長，在充注量為0.7 kg時，蒸發器內沿流動方向的制冷劑溫度變化最快。因整個蒸發器的管道長度不變，則制冷劑的過熱管段變小，所以蒸發器出口過熱度變小，壓縮機的吸氣溫度降低。

圖3 壓縮機吸氣溫度、蒸發器過熱度隨充注量的變化

圖4 蒸發器內沿流動方向的制冷劑溫度在不同制冷劑充注量下的變化曲線

從圖5可觀察出制冷量隨制冷劑充注量的增多而變大，在到達最高點后開始變小。

圖5 制冷量、制冷系數COP隨充注量的變化曲線

由圖6可以看出,冷凝器內的相變管段隨著制冷劑充注量的增多而變小。由于系統中制冷劑充注量變多，系統用于制冷循環的制冷劑量也因此變多，導致制冷劑發生相變的管段變長。又因為相變換熱對整體換熱量的影響較明顯，因此系統的制冷量變大。但是隨著制冷劑的充注量越來越多，蒸發壓力、蒸發溫度也在升高，蒸發器與周圍空氣之間的傳熱溫差開始減小。雖然蒸發器管道中的有效傳熱面積增長，但與傳熱溫差的降低速度相比，有效傳熱面積增加的速度較慢，傳熱溫差減小對于制冷量的影響更加明顯，所以制冷系統的制冷量開始下降，故產生了一個峰值。

圖6 冷凝器內沿流動方向的制冷劑溫度在不同制冷劑充注量下的變化曲線

2.3 壓縮機轉速降低時系統的變化

當汽車減速時，發動機轉速降低，由于壓縮機與發動機相連，因此，在車輛減速的過程中，壓縮機的轉速也在降低，轉速降低會對空調系統產生影響。模擬壓縮機轉速降低時，整個汽車空調系統的動態變化。

保持系統中除壓縮機轉速外的所有參數不變，其中循環工質為R141b，冷凝器、蒸發器的通風量分別為0.25、0.066 m3/s，制冷劑的充注量為0.9 kg，壓縮機轉速隨時間的變化如圖7所示。

圖7 壓縮機轉速隨時間的變化曲線

圖8 壓縮機排氣壓力隨時間的變化曲線

由圖7—8可以看出：壓縮機轉速降低，排氣壓力下降，在變化的過程中振幅較大。壓縮機轉速降低后，R141b 蒸汽被壓縮，排氣壓力迅速下降，但是由于滑片在甩出滑槽時受到潤滑油黏度引起的黏性阻力的影響，不能實現啟動瞬間就完全甩出滑槽，從而與氣缸壁面達到很好的壓力接觸。這就造成前、后壓縮腔之間的氣體泄漏量很大，要達到穩定需要一段時間的運轉。這個過程是漸緩的，所以排氣壓力下降速度先快后慢。

由圖9—10可以發現：蒸發溫度隨著壓縮機轉速的降低而升高，溫度的變化相對平穩；系統制冷量、壓縮機軸功率在轉速降低的過程中都在下降，但壓縮機的軸功率下降更加明顯，所以整個系統的制冷系數在轉速降低時是增加的。

圖9 蒸發溫度隨時間的變化曲線

圖10 系統制冷量隨時間的變化曲線

3 結論

利用一維流體系統仿真軟件Flowmaster建立了汽車空調系統模型，主要對汽車空調系統在不同工況下的穩態和動態性能進行了模擬分析。主要結論如下：

(1)系統穩態研究表明：增加制冷劑的充注量后，壓縮機排氣壓力和排氣溫度也隨之升高；制冷量和制冷系數在這個過程中，均呈現出先增加后減少的變化趨勢，并存在一個最大值；然而，當空調制冷量達到最大時，對應的制冷系數還未達到最值。

(2)系統動態研究表明：通過降低壓縮機的轉速，能夠明顯降低壓縮機的排氣壓力、提高吸氣壓力；蒸發溫度也會隨著冷凝溫度的升高而下降；但是，當排氣壓力和冷凝溫度變化時，系統運行會出現較大的不穩定振幅。

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NumericalSimulationofVehicleAirConditioningSystemBasedonFlowmaster

JIANG Dongzhang, LIANG Lin，CHEN Xi,GUO Funan

(School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou Jiangsu 221116, China)

With more population of automobiles, people have more expectation for economic and comfort towards car driving. Automobile air conditioning (AC) system determines the quality of air, temperature and humidity in the car, and therefore the capability of AC system has a direct impact on the people’s comfort.The steady-state and dynamic characteristics of automotive air conditioning system were simulated and analyzed by using one dimensional fluid system simulation software Flowmaster respectively. The results show: with the refrigerant capacity increasing, both the refrigeration capacity and coefficient are rising before dropping, and there exists a maximum, but the corresponding refrigeration coefficient is not at the peak while the refrigerant capacity is the maximum. In the dynamic analysis, the compressor speed is reduced,and then the compressor discharge pressure and condensing temperature drop significantly; while the suction pressure of the compressor and the evaporation temperature are slightly increased, the coefficient of refrigeration is rising.

Air conditioning system; Flowmaster software; Numerical modeling; Steady-state characteristics; Dynamic characteristics

U463.85+1

A

1674-1986(2017)11-018-04

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.11.004

2017-06-24

中國礦業大學創新訓練計劃(20160223)

蔣東章(1995—)，男，本科生，主要研究方向為低溫余熱利用。E-mail:17145419@cumt.edu.cn。

梁林，E-mail:lianglin@cumt.edu.cn。