帶回熱器的空調系統仿真分析研究

劉曉宇

摘要：文章利用仿真分析軟件建立了一套空調系統仿真模型，在采用HFC-134a制冷劑的基礎上增加回熱器模型，分析不同工況下增加回熱器后對系統制冷量、壓縮機功耗的影響，為回熱器在HFC-134a 汽車空調系統中實現更好的應用提供工程應用依據。仿真結果表明，增加回熱器后，各工況下制冷性能均有提升，尤其是在怠速工況下提升幅度最大，可達3.97%；壓縮機功率在各工況下均有降低；怠速工況下壓縮機軸功率降幅最大，達6.36%；怠速工況下系統制冷效率COP提升11.0%。

關鍵詞：汽車空調；回熱器；仿真分析

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0027-04

0 引言

在炎熱的夏季，汽車空調制冷系統開啟后，會提高汽車發動機能耗、整車油耗及用戶用車成本。在實現同等性能的前提下，與不帶回熱器的空調系統相比，帶回熱器的空調系統可以降低壓縮機的負荷，進而降低發動機的輸出功率及用戶用車成本。因此，研究帶回熱器和不帶回熱器的空調系統的差異具有重要的現實和應用意義。錢銳等［1］的研究結果表明：經過合理匹配的帶回熱器的空調系統可以使空調系統出風口平均溫度比原系統降低約1.5 ℃，在獲得同樣的系統制冷性能的情況下，系統能耗可以降低約10%。嚴詩杰等［2］的試驗研究結果表明：在特定工況下，回熱器可使汽車空調系統蒸發器制冷量及系統效率COP分別提高14.7%和20%。吳龍兵等［3］的研究結果表明：配置回熱器的空調系統性能可提升約4%。隨著計算機硬件性能的提升和軟件技術的發展，仿真應用開始成為空調系統開發階段用于性能驗證和優化的主要手段，并且在降低研發成本、縮短開發周期方面具有很大的優勢［4］。本文采用KULI軟件（車輛系統級熱平衡匹配軟件）對某乘用車空調系統進行仿真建模和分析，并在系統中引入回熱器，分析回熱器在不同工況下對制冷系統的作用。

1 仿真模型的建立

根據空調元件的特點和布置方式，建立空調系統一維模型。模型中內側（制冷劑側，如圖1所示）流動元件包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、回熱器。外側流動元件包括冷凝器和蒸發器，以及各自的溫度源、濕度源、流量源；空氣側設置2條回路，第一條回路為冷凝器空氣回路，第二條為蒸發器空氣回路，需要分別設置空氣通過冷凝器和蒸發器的入口溫度、濕度以及風量。

2 零部件一維模型參數設置

2.1 蒸發器參數設置

在空調系統中，換熱器主要包括吸熱部件蒸發器和放熱部件冷凝器，分別位于系統的高壓側和低壓側，同時其工作原理和工作條件也不同。其中，蒸發器的作用是通過管道中的低溫低壓兩相狀態制冷劑，吸收空調箱鼓風機通風空氣中的熱量，制冷劑吸熱后變為具有一定過熱度的飽和蒸汽，同時空調箱中的通風空氣被蒸發器外表面冷卻，空氣中部分水蒸氣在壁面凝結并通過排水孔排除，這一過程起到對空氣降溫除濕的作用［5］。蒸發器的換熱能力對制冷系統的制冷效率有較大影響，在仿真分析過程中需要蒸發器模型的換熱系數及管內流阻準確反映。在本文蒸發器建模基于蒸發器器芯體的幾何參數，由于受到建模幾何精度以及實際換熱器運行中外部和內部流場結構及均勻性的影響，蒸發器實際換熱性能與理想狀態下存在一定的誤差，因此需根據試驗參數對蒸發器換熱公式進行標定，使計算誤差在工程允許的范圍內。

蒸發器根據管內部流動序列特性，按流程排列分為4個管束換熱器模型，不同流程中管束的幾何參數見表1。

2.2 冷凝器參數設置

車型空調采用風冷式冷凝器，由冷卻風扇在冷卻芯體氣側通道內提供環境溫度氣流，對冷凝器表面進行冷卻。冷凝器管內進口流動冷卻介質為高溫高壓氣態介質，經冷凝器管壁吸熱并逐漸冷凝液化為較低溫度的液態制冷劑。冷凝器換熱性能與其散熱結構設計及外側冷卻空氣流動狀態有關。制冷劑在冷凝器中冷凝一般經過3個過程：首先，壓縮機出口的高溫高壓氣態制冷劑進入冷凝器，在冷凝器前段經過不斷放熱，隨著溫度逐漸降低并達到制冷劑液化溫度點形成飽和氣體；其次，飽和氣體繼續放熱使一部分制冷劑液化形成氣液共存兩相流狀態，隨著制冷劑進一步冷卻，氣體全部相變為液體形成具有一定過冷度的制冷液體并流出冷凝器。

冷凝器建模性能對制冷系統制冷能力計算結果具有較大影響，其中冷凝器模型的換熱性能、內外通道內流動阻力必須與冷凝器實際性能控制在一定范圍內，因此需要根據試驗結果對冷凝器換熱性能等參數進行修正。表2為冷凝器幾何參數。

2.3 壓縮機參數設置

壓縮機作為汽車空調系統的主要部件之一，是空調系統的動力中心，也是提供制冷劑流動動能的裝置，在空調系統中維持制冷劑在冷凝器中的高壓狀態和在蒸發器中的低壓狀態。壓縮機的性能決定了空調系統運行中制冷劑流量及高低壓形成能力，因此壓縮機性能參數對空調系統運行狀態起著重要作用。壓縮機工作時從吸氣閥吸入低壓制冷劑氣體，經渦輪壓縮后排出高壓高溫制冷劑氣體。本文研究的空調系統采用的是一款定排量渦旋式壓縮機，壓縮機排量為86 cm3/r，壓縮機驅動軸與發動機帶輪之間的傳動比設置為1.46。

2.4 膨脹閥參數設置

膨脹閥是將冷凝器流出的高壓的制冷劑液體變成低壓的氣液兩相體的節流裝置，熱力膨脹閥通過保持蒸發器出口過熱度恒定調節制冷劑流量，對空調系統制冷功能實現及運行工況調節起到關鍵作用，其工作原理如下：經膨脹閥節流后的氣液混合體在蒸發器中吸熱，并進一步氣化為具有一定過熱度的氣態制冷劑。膨脹閥根據蒸發器出口中制冷劑的過熱度調節閥門開度以控制制冷劑流量大小，蒸發器出口制冷劑過熱度隨蒸發器熱負荷增加而上升時，熱力膨脹閥通過調節閥門開口調節制冷劑流量，通過增大或減小制冷劑吸熱功率來平衡制冷劑出口過熱度。本文的仿真模型建模中對熱力膨脹閥采用四象限參數法，即充注曲線、升程-壓力曲線、升程-流量曲線及溫度-流量曲線。

2.5 回熱器參數設置

汽車空調回熱器系統利用冷凝器出口的較高溫液態制冷劑與蒸發器出來的低溫氣態制冷劑進行熱交換，進一步提高冷凝器出口過冷度和降低壓縮機進口制冷劑壓力，以增大制冷劑單位制冷量及降低壓縮機功耗，從而提高系統制冷效率。同時，壓縮機進氣過熱度的提高有助于避免出現因進氣溫度過低導致壓縮機外壁結霜的問題［1］。本文空調系統使用的回熱器采用內螺旋式結構，低壓管內徑為16 mm、外徑為19 mm，高壓管內徑為22 mm、外徑為26 mm，螺槽深度為1.4 mm，回熱段長度為350 mm。

2.6 空氣側參數設定

在蒸發器和冷凝器的空氣側，分別設置不同的空氣側通道及入口溫度、濕度、空氣流量等參數。根據本次分析實際情況，按供熱通風與空氣調節（HVAC）中鼓風機的最大轉速設定空氣流量為580 m3/h，冷凝器的空氣流量根據不同車速狀態下的CFD（流體動力學）分析結果進行設定，冷凝器空氣側參數設置見表3。

2.7 總計算參數設置

對于穩態計算，系統參數主要有壓縮機轉速和冷凝器進風溫度，在怠速工況下需充分考慮前端格柵及導流板熱回流的影響，較高的熱回流會提高冷凝器進風溫度，從而對冷凝器的散熱效果造成不良影響，本次為結果CFD的分析情況，怠速狀態工況下冷凝器迎風溫度設置為53℃，40km/h以上迎風溫度設置為43℃。總計算參數見表4。

3 仿真計算結果

將上述各系統部件設置帶入仿真系統，在一維空調系統中增加回熱器模型（如圖2所示），分別進行不加回熱器和增加回熱器的穩態模擬計算，各工況下的計算結果見表5、表6。

4 制冷效果及功耗對比

對帶回熱器和不帶回熱器2種狀態下各工況的制冷量及壓縮機功率效果進行對比。使用回熱器后，各工況下的蒸發器制冷量均有所提升，尤其對怠速增加作用明顯，提升幅度達到3.97%。壓縮機的功率在各工況下相比加回熱器之前均有所下降。在怠速工況下壓縮機軸功率下降幅度最大，達到6.29%，這是由于使用回熱器后，蒸發器制冷劑入口溫度降低，出口壓力降低，經過回熱器后進入壓縮機的壓力也相應降低，使得壓縮機功率隨之降低。由于增加回熱器后，各工況下制冷量提升而壓縮機軸功率下降，因此系統制冷效率COP（COP=制冷量/壓縮機軸功率）均有所提升，其中怠速工況下系統制冷效率COP提升最大，提升幅度達11.0%，制冷效果對比見表7。

5 結語

在空調系統中配置回熱器的各種工況下，蒸發器制冷量均有所提升，有效提高了空調系統的制冷能力，起到了提高整車空調系統效率的作用。壓縮機功率比加回熱器之前均有所下降，這是由于使用回熱器后，蒸發器制冷劑出口壓力降低，經過回熱器后進入壓縮機的壓力也相應降低，使得壓縮機功率隨之降低。系統制冷效率COP（COP=制冷量/壓縮機軸功率）均有所提升，其中怠速工況系統制冷效率COP提升最大，提升幅度達11.0%。

6 參考文獻

［1］錢銳，韓曉波，孟祥軍.帶回熱器的整車空調系統性能實驗研究及系統匹配法則［J］.制冷技術，2014（6）：9-12.

［2］嚴詩杰，李冰，金鑫，等. 利用回熱器提高HFC134a汽車空調系統性能的試驗研究［J］.汽車技術，2010（11）：44-48.

［3］吳龍兵，蘇林，方奕棟，等.R1234yf汽車空調性能KULI仿真分析［J］.流體機械， 2017， 45（8）：5.

［4］張風利，閻志剛，楊勤超.基于KULI的汽車空調系統性能仿真分析［J］.制冷與空調， 2019， 19（4）：6.

［5］宋李棟，楊年炯，譚明香.同軸管對汽車空調系統性能提升的仿真研究［J］.汽車零部件，2022（2）：1-6.