車用空調系統制冷降溫性能匹配的數值模擬

耿李姍、浮翔、楊濤、王琳

（河南牧業經濟學院 450000)

0 引言

本文結合某乘用車空調系統的研制，采用數值模擬方法研究車內空調系統的性能匹配及優化。在原車空調系統模型基礎上，對比分析了不同尺寸結構的蒸發器和冷凝器及其空氣側氣體流量等因素對制冷量的影響，并以此設計出相應的優化方案，同時匹配計算了排量140 mL和120 mL壓縮機的空調系統降溫性能。結果表明，該車用空調系統經優化后，在穩態和瞬態工況下的制冷性能均達到整車需求。采用數值方法可以為車內空調系統的優化提供有效指導[1]。

1 模型原理

1.1 換熱器模型

蒸發器和冷凝器在空氣側的換熱計算，采用如下公式[2]。

式中：Nu為空氣側的努賽爾數；Re為空氣側的雷諾數；Pr為空氣側的普朗特數；η為翅片效率；c1、c2和c3分別為由風洞試驗數據計算的無量綱常數。

本文所建蒸發器和冷凝器均為微通道平行流式結構類型，尺寸分別為190 mm×180 mm×34 mm和540 mm×354 mm×16 mm。表1和表2分別為蒸發器和冷凝器的性能測試數據。

1.2 壓縮機模型

壓縮機模型的主要參數分別是容積效率和等熵效率，其計算公式如下。

式中：m為制冷劑質量流量，單位為kg/s；ρ為壓縮機入口制冷劑密度，單位為kg/m3；n為壓縮機轉速，單位為r/s；Vh為壓縮機排量，單位為m3。

式中：hout為壓縮機出口焓值，單位為kJ/kg；hin為壓縮機入口焓值，單位為kJ/kg；△hi為等熵焓差，單位為kJ/kg。

這里通過試驗獲得相應的壓縮機容積效率和等熵效率，如圖1所示。

2 性能優化影響因素

為提高制冷效果，在上述模型基礎上，分別設計了不同的蒸發器和冷凝器的空氣側氣體流量方案，以及不同的蒸發器和冷凝器的結構尺寸方案，從而進行影響蒸發器制冷量的模擬分析[3]。如圖2所示即為各參數變化對制冷量的影響。

圖1 壓縮機特性曲線

圖2a為制冷量隨蒸發器空氣側流量的變化。圖中可見，隨著空氣側流量的增大，其制冷量逐漸增高。例如，在40 km/h工況，當空氣側流量從400 m3/h增加到520 m3/h時，其制冷量從3.34 kW提高到3.65 kW，提高了9.28%；而在100 km/h工況，其制冷量更是提高約15%，可見蒸發器空氣側流量對制冷效果有重要影響。圖2b中，隨著冷凝器空氣側氣體流量的增加，制冷量雖有增大趨勢，但相比蒸發器的影響，其制冷量的變化相對要小一些。例如，當冷凝器空氣側氣體流量增加60%時，各工況下的制冷量只提高約3%～5%。

圖2c和圖2d為蒸發器和冷凝器尺寸變化對制冷量的影響。圖2c中，隨著蒸發器尺寸的增加，其制冷量有明顯提升。例如，在40 km/h和100 km/h工況，當蒸發器尺寸增加40%時，其制冷量則分別提高15%和26%。而圖2d中，隨著冷凝器尺寸的增加，其制冷量的增加并不明顯。例如，在40 km/h工況，當冷凝器尺寸增加20%時，其制冷量只提高約2%，而在100 km/h時，增加甚至不到1%。

圖2 不同影響因素對制冷量影響對比

總體來看，相比冷凝器參數的變化，蒸發器空氣側流量及其結構尺寸的變化，對制冷量的影響更明顯。但模擬結果表明，增大蒸發器空氣側流量的同時也會導致其空氣側出口溫度提高，而增大冷凝器結構參數，不但會使蒸發器空氣側出口溫度降低，還會使壓縮機排氣壓力降低，如圖3所示。排氣壓力的降低，一方面提高了車用空調系統安全性和可靠性，另一方面也減少了制冷劑的年平均泄漏量。另外，增加冷凝器結構尺寸，也會降低冷凝器空氣側的出口溫度，從而降低整車發動機艙內的溫度，有利于改善整車發動機艙熱管理水平。

鑒于此，這里選擇增加蒸發器、冷凝器空氣側氣體流量及兩者結構尺寸的方案來改善整車空調系統的降溫性能。根據整車空間布置需求和可提供的蒸發器、冷凝器結構尺寸，最終確定的優化方案為，將蒸發器、冷凝器的結構分別增大30%和17%，同時將兩者在空氣側的流量分別增加40%和60%[4]。

3 結束語

采用數值方法搭建的車用空調系統模型能夠準確反映實車空調的工作情況，能夠為車內空調系統的匹配優化提供有效途徑。

圖3 冷凝器尺寸影響對比