非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

李 維，何 丹，肖 颯，梁 爽

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

李 維，何 丹，肖 颯，梁 爽

（西京學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123）

車輛空調(diào)已成為衡量車輛的重要指標(biāo)，普通車輛空調(diào)系統(tǒng)研究很成熟，但非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)研究還處于起步階段。非公路自卸車駕駛艙結(jié)構(gòu)與普通車輛差異較大，針對(duì)非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)還不完善，導(dǎo)致制冷效果不佳。文章圍繞非公路用車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，其空調(diào)運(yùn)行條件惡劣，行駛時(shí)受影響因素較多。對(duì)非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算，解決非公路自卸車空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)不均與風(fēng)量分配不合理問題，提高駕駛艙的舒適性。

汽車空調(diào)系統(tǒng)；壓縮機(jī)；冷凝器

車輛空調(diào)針對(duì)汽車車內(nèi)或駕駛室內(nèi)空氣溫度、濕度、清潔度、噪聲等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其控制在舒適標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。車輛空調(diào)與普通空調(diào)相比，使用條件苛刻。首先室外氣候環(huán)境惡劣，冷凝溫度高；其次車廂不規(guī)則，引起送風(fēng)不均勻；最后制冷劑注量變化大，降溫速度快等因素。近幾年來，車輛空調(diào)研究不斷日益活躍。車輛空調(diào)改善駕駛員工作條件，調(diào)節(jié)乘員舒適度，減輕駕駛員疲勞強(qiáng)度，從而降低交通事故發(fā)生率。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

對(duì)車用空調(diào)而言，設(shè)計(jì)參數(shù)尤為重要，根據(jù)國際設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合車輛要求，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

還要確定蒸發(fā)器溫度te和過熱度Sh，冷凝器溫度tk和過冷度Sc等參數(shù)。由R134a及制冷需要，蒸發(fā)溫度設(shè)為0℃，過熱度與過冷度均設(shè)為5℃。冷凝溫度經(jīng)過計(jì)算確定，在38℃進(jìn)風(fēng)溫度條件下，其冷凝溫度為63℃。

2 確定非公路自卸車制冷能力要求

車輛外溫度高于車內(nèi)，加上太陽輻射作用，大量熱量通過車身壁面、車窗以及人體散熱等。車身熱平衡式如下：

QE=QB+QG+QV+QP+QL

Q=aQE

式中：Q—制冷機(jī)冷量；a—儲(chǔ)備系數(shù)取1.1～1.2；QE—車身總熱負(fù)荷；QB—車體熱量；QG—玻璃熱量；QV—新風(fēng)熱；QP—人體熱負(fù)荷；QL—用電設(shè)備散熱量。

計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

對(duì)車身壁面構(gòu)成進(jìn)行簡化如表2所示。

表2 各部分結(jié)構(gòu)與面積

2.1 通過車身壁面?zhèn)魅氲臒崃?/p>

車身壁面包括頂棚、側(cè)圍、地板、前圍、后圍等組成，熱負(fù)荷為QB=Q頂棚+Q側(cè)圍+Q前圍+Q后圍。

車身壁面多屬均勻壁面，可按照多層均勻壁面?zhèn)鳠嵊?jì)算。即：Qi=KiFi(tH-tB)

式中：Qi—傳熱量；Ki—傳熱系數(shù)；Fi—傳熱面積；tH—車外空氣溫度tH=38℃；tB—車內(nèi)空氣溫度tB=26℃。傳熱系數(shù)Ki與車身內(nèi)、外表面放熱系數(shù)及隔熱層熱阻有關(guān)，即：

式中：αH—放熱系數(shù)，車身壁面以輻射對(duì)流為主，車速V=40 km/h取αH=40.6 W/（m2·K）。發(fā)動(dòng)機(jī)艙、前圍以空氣對(duì)流為主，取αH=10 W/（m2·K）。αB—內(nèi)表面放熱系數(shù)，取αB=16.7 W/（ m2·K）；δ—隔熱材料厚度（m）；λ—隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù) W/（m·K）。

（a）鋼板λ＝48 W/（m·K）；空氣λ＝0.029 W/（m·K）；內(nèi)飾板λ＝0.02 W/（m·K）；則：K頂棚=5.42W/（m2·K），K側(cè)圍=0.42 W/（ m2·K），K地板=6.37 W/（ m2·K）

（b）不考慮太陽輻射，車外空氣通過面積F傳入車內(nèi)熱量為：Qi=KiFi(tH-tB)?？紤]太陽輻射，上面公式表示通過面積傳入車內(nèi)熱量：Qi=KiFi(tC-tB)，式中車外溫度tH替換成tC，tC為“車外日照綜合溫度”。即：

式中：ρ—車身外表面吸收系數(shù)，取ρ=0.85；I—太陽總輻射強(qiáng)度，I水平=1 000 W/㎡，I陽=270 W/㎡，I陰=70 W/㎡。車頂：I頂=I水平=1 000 W/㎡ ；車側(cè)：I側(cè)=（I陽+I陰）/2=170 W/㎡。地板：沒有受到太陽輻射影響，但受到地面反射熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)熱的影響。即：

tc頂=57.6℃，tc側(cè)=41℃，tc地=40.5℃。

（c）車身壁面熱負(fù)荷包括溫差傳熱和太陽輻射，日照表面綜合溫度代替車外空氣溫度，即：

Q頂=K頂F頂(tc頂-ts) =5.42×1.276×(57.6-26)=464 W

Q側(cè)=K側(cè)F側(cè)(tc側(cè)-tb) =0.42×2.385×(41-26)=30.64 W

Q地=K地F地(tc地-tb) =6.37×1.578×(40.5-26)=442 W

駕駛室位于發(fā)動(dòng)機(jī)上，受發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射大概400 W，即車身壁面?zhèn)鬟f熱量為QB=1 300 W左右。

2.2 玻璃溫差傳熱和日射得熱

太陽輻射一部分熱量被玻璃吸收，一部分通過玻璃透射形成日射得熱，被玻璃吸收熱量與外界溫度綜合產(chǎn)生傳熱，構(gòu)成玻璃溫差傳熱；通過玻璃透射熱量，被車內(nèi)設(shè)施吸收形成蓄熱和放熱量。即日射得熱變成空調(diào)系統(tǒng)瞬態(tài)熱負(fù)荷。

QG=QG1+QG2

QG1—車內(nèi)外溫差傳入熱量QG1=KGFG?t

QG2—太陽輻射熱量QG2=(η+ραB∕αH)U×S

U= FG'I+(FG-FG' )×IS

KG—車窗綜合傳熱系數(shù)，取6.4 W/m2?℃；FG—車窗總面積，得1.753 m2；

FG'—陽面車窗面積。計(jì)算前、側(cè)、后窗均取水平投影面積，總計(jì)0.373 m2；

η—太陽輻射通過玻璃透入系數(shù)，取0.84；ρ—玻璃對(duì)太陽輻射熱吸收系數(shù)，取0.08 ；

αB—內(nèi)表面對(duì)流放熱系數(shù)，取16.7 W/m2?℃；αH—外表面對(duì)流放熱系數(shù)，取40.6 W/m2?℃；

U—車窗太陽輻射量；S—遮陽修正系數(shù)，取0.77；I—車窗外表面太陽輻射強(qiáng)度取1 000 W/ m2；IS—車窗外表面太陽散射輻射強(qiáng)度，取70 W/ m2。

即：QG1=6.4×1.735×（38-26）=133 W

U=0.373×1 000+（1.735-0.373）×70 =468 W

QG2=（0.84+0.08×16.7/40.6）×468×0.77 =314 W

故QG=QG1+QG2=133+314=447 W

2.3 新風(fēng)產(chǎn)生的熱負(fù)荷

QV=nρV(h0-h1)

n－人數(shù)，n=1；V－新風(fēng)量/人.小時(shí)，取10 m3/h.人；ρ－空氣密度，取1.14 kg/m3。

查空氣焓-濕圖可得，車內(nèi)空氣h1=55.5 kJ/kg；車外空氣h0=109.2 kJ/kg。即

QV=nρV(h0-h1)=1×10×1.14×（109.2-55.5）×1 000/3 600= 170（W）

2.4 人體熱負(fù)荷

人體散發(fā)熱量每人發(fā)熱量QP=116 W，用電設(shè)備散熱QL=100 W。

則Qe=QB+QG+QV+QP+QL=3 214 W，乘儲(chǔ)備系數(shù)α1加以修正Q=aQE=1.2×3 214=3 856 W，采用蒸發(fā)器制冷量為4 500 W，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 壓縮機(jī)選型及制冷系統(tǒng)匹配計(jì)算

壓縮機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的匹配如表3所示。

表3 壓縮機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的匹配

因?yàn)閚壓=3 204 rpm＞2 200 rpm滿足要求，試選壓縮機(jī)是南京奧特佳活塞式5H14壓縮機(jī)。

（b）冷凝器能力：冷凝器熱負(fù)荷Q1=2Q=2×4 500= 9 000W，換熱器負(fù)荷比2∶1，忽略阻力損失、外表污垢熱阻損失等因素，實(shí)際冷凝器換熱能力取到11 000 W左右。

（c）蒸發(fā)器能力：由計(jì)算結(jié)果可知，蒸發(fā)器制冷能力為4 500 W。

（d）風(fēng)機(jī)送風(fēng)量：該車輛風(fēng)機(jī)無法按正常公式計(jì)算，實(shí)際送風(fēng)量不能低于計(jì)算結(jié)果，否則制冷效果不佳，風(fēng)機(jī)實(shí)際風(fēng)量要克服蒸發(fā)器及風(fēng)道阻力，所選型風(fēng)機(jī)風(fēng)量700 m3/h。

4 熱力膨脹閥的選型

根據(jù)系統(tǒng)工況要求：冷凝溫度tc=63℃，蒸發(fā)溫度te=0℃，制冷劑過冷溫度Δtsc=5℃，制冷劑氣體過熱度Δtsh=5℃。系統(tǒng)制冷量Qes=4 500 W。由t0=te=0℃，查制冷劑熱力性質(zhì)表，可知h0=247.8 kJ/kg，h6=49.1 kJ/kg，根據(jù)t0=5°，t1=t0+Δtsh=5℃，查制冷劑熱力性質(zhì)圖和表，得h1=257.0 kJ/kg，根據(jù)t4=tc-Δtsc=63-5=58℃，h4查制冷劑熱力性質(zhì)圖和表，得h5=h4=98.15 kJ/kg.額定工況，系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷量qes為：qes=h1-h5=257.0-98.15=158.853 kJ/kg，系統(tǒng)制冷劑單位流量qms為：qms=Qes/qes=4 500/158.853=0.029 44 kg/s。同一工況，流過熱力膨脹閥制冷劑質(zhì)量流量，應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨蛏哟笥谙到y(tǒng)中制冷劑質(zhì)量流量，即qmtxv=0.03 kg/s。

Qmtxv=qmtxv(h0-h6)k=0.03×(247.8-49.1)×1.0=5 850W即熱力膨脹閥總?cè)萘繛?.850 kW。

5 結(jié)語

非公路自卸車需求越來越廣泛，國內(nèi)非公路自卸車輛不僅對(duì)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性提出更高要求，而且對(duì)可靠性、駕駛舒適性也在提高。本文主要以非公路自卸車為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算與選型。對(duì)今后研究可非公路車輛空調(diào)系統(tǒng)性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

[1]宋曉梅.商用卡車空調(diào)系統(tǒng)先進(jìn)設(shè)計(jì)方法的研究與應(yīng)用[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[2]張超.某車型汽車空調(diào)系統(tǒng)匹配研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2014.

[3]朱文杰.YBL6113H客車空調(diào)系統(tǒng)的合理匹配與計(jì)算[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

Matching design of the non- highway dump truck air conditioning system

Li Wei, He Dan, Xiao Sa, Liang Shuang
（Mechanical Engineering School of Xijing University, Xi’an 710123, China）

Vehicle air conditioning has become an important index to measure the vehicle. The research of the common vehicle air conditioning system has become very mature, but the study of the non- highway dump truck air conditioning system is still in its infancy. There is a great difference between the structure of the non-highway dump truck and that of the ordinary vehicle. The non- highway dump truck air conditioning system has not been improved which leads to the imperfect cooling effect. Focusing on the design idea of nonroad vehicle air conditioning system whose operating conditions are bad and driving factors are more , this paper carries out a matching calculation on the air conditioning system of non-highway dump truck in order to solve the problem of uneven distribution of air supply and air volume distribution of non- highway dump truck so that the comfort of cockpit will be improved.

vehicle air conditioning system; compressor; condenser

李維（1965— ），男，陜西西安，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。