基于一維流體軟件的空調(diào)性能研究

陳 皓，劉雙喜

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

隨著科技的進(jìn)步和人們生活水平的日益提高，對(duì)汽車舒適性提出了更高的要求，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的研究也更加深入。如何更大程度的發(fā)揮空調(diào)系統(tǒng)的功效，減少資源浪費(fèi)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是汽車工業(yè)重要的課題之一。傳統(tǒng)的汽車空調(diào)設(shè)計(jì)方法已落后于現(xiàn)代社會(huì)高效率的設(shè)計(jì)理念，在此背景之下計(jì)算機(jī)仿真方法應(yīng)運(yùn)而生[1]。

本文以某乘用車為研究對(duì)象，針對(duì)空調(diào)制冷性能，計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)制冷需求，并以此為輸入，利用一維流體分析軟件kuli搭建空調(diào)系統(tǒng)一維模型，計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)在指定工況下的性能。

1 空調(diào)熱負(fù)荷計(jì)算[2]

夏季車輛行駛時(shí)，由于太陽光照等影響，車輛會(huì)受到一定的熱負(fù)荷，計(jì)算車輛熱負(fù)荷有以下幾個(gè)方面：通過車架壁面的對(duì)流換熱Qb，通過玻璃的對(duì)流換熱Qg，玻璃的輻射換熱Qf，由于發(fā)動(dòng)機(jī)熱傳入車廂內(nèi)部的熱量Qe，乘員身體散出的熱量Qp，由于車廂內(nèi)部密封不嚴(yán)造成的泄漏熱量Ql，車廂內(nèi)電器的散熱量Qs.

熱負(fù)荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs

車外環(huán)境：38℃，相對(duì)濕度50%

日照強(qiáng)度：水平面上輻射強(qiáng)度1 000W/m2

車輛行駛速度v：40 km/h

車內(nèi)空氣流速va：0.3m/s，新風(fēng)量：11 m3/h·人，乘員數(shù)：5人

車架面積：頂棚面積S頂 ＝1.8 m2，地板面積S底＝3 m2，側(cè)圍面積S側(cè) ＝2.574 m2.

玻璃面積：前窗面積S前 ＝0.819 m2，后窗面積S后 ＝0.281 m2，左側(cè)窗面積S左＝右側(cè)窗面積S右＝0.584 m2.

熱負(fù)荷Q＝Qb+Qg+Qf+Qe+Qp+Ql+Qs＝5.02 kW.

2 空調(diào)制冷量計(jì)算

考慮到空調(diào)熱負(fù)荷和空調(diào)所需制冷量之間會(huì)有些誤差，這里加上一個(gè)系數(shù)[3]，一般取1.1～1.3，本文取1.2，因此，空調(diào)制冷量為：

P＝1.2×5.02＝6.02 kW

3 空調(diào)性能計(jì)算優(yōu)化

3.1 空調(diào)模型建立

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)和布置方式，建立空調(diào)系統(tǒng)一維模型。模型中內(nèi)側(cè)（制冷劑側(cè)）流動(dòng)元件包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液罐，見圖1.外側(cè)（空氣側(cè)）流動(dòng)元件包括冷凝器和蒸發(fā)器，以及各自的溫度源、濕度源、流量源，還有能量原件和車廂原件，見圖2.

圖1 空調(diào)系統(tǒng)制冷劑側(cè)計(jì)算模型

圖2 空調(diào)系統(tǒng)空氣側(cè)計(jì)算模型

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，空氣側(cè)設(shè)置兩條回路，第一條回路為冷凝器空氣回路，第二條為蒸發(fā)器空氣回路，分別設(shè)置空氣通過冷凝器和蒸發(fā)器的入口溫度和濕度，見圖2.

在瞬態(tài)計(jì)算中，空氣測(cè)設(shè)置三條回路，見圖3.第一條回路為冷凝器空氣測(cè)回路；第二條回路為車廂內(nèi)部空氣循環(huán)回路；第三條為車廂泄露空氣回路。每條回路分別設(shè)置流量、溫度和濕度。其中回路二蒸發(fā)器入口溫度和濕度分別由車廂原件出口溫度和出口濕度決定。

圖3 空調(diào)瞬態(tài)計(jì)算模型

在瞬態(tài)計(jì)算中，加入車廂元件來模擬現(xiàn)實(shí)情況下空氣經(jīng)過蒸發(fā)器之后與車廂內(nèi)空氣的混合后的情況，另一方面，由于車廂內(nèi)空氣循環(huán)經(jīng)過蒸發(fā)器，加入車廂元件之后，將車廂出口空氣溫度和濕度分別賦給蒸發(fā)器空氣側(cè)的溫度元件和濕度元件，即蒸發(fā)器空氣入口狀態(tài)等于車廂內(nèi)空氣混合后狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了車廂內(nèi)空氣循環(huán)通過蒸發(fā)器的要求。

能量元件用于瞬態(tài)計(jì)算，用來修正軟件對(duì)車體與環(huán)境的對(duì)流換熱以及發(fā)動(dòng)機(jī)傳入車廂的熱量和電器的熱量。通過計(jì)算元件（Calculation controller）運(yùn)行這一修正量，并將多出的能量傳輸給能量元件，再通過能量元件將其傳輸至車廂元件。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果p-h圖，如圖4所示。在p-h圖中，橫坐標(biāo)代表制冷劑的焓值，縱坐標(biāo)代表制冷劑的壓力。圖中曲線代表制冷劑的飽和態(tài)，在曲線以左制冷劑呈液態(tài)，曲線以右制冷劑呈氣態(tài)，在曲線中間制冷劑為氣液共存狀態(tài)。

圖4 計(jì)算結(jié)果p-h圖

將一維仿真計(jì)算的蒸發(fā)器空氣側(cè)出口溫度與空調(diào)降溫試驗(yàn)的吹面出風(fēng)口溫度值進(jìn)行對(duì)比，如表1，可以看出空調(diào)一維分析的結(jié)果精度還是比較高的，可以滿足在正向開發(fā)中空調(diào)匹配的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也能看出這款車的空調(diào)系統(tǒng)性能一般，出風(fēng)口的溫度達(dá)到了7℃左右，相對(duì)于空調(diào)制冷的性能指標(biāo)偏高，需要對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的零部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

表1 空調(diào)出風(fēng)口溫度試驗(yàn)對(duì)比

3.3 空調(diào)性能優(yōu)化

為了滿足空調(diào)系統(tǒng)制冷的性能指標(biāo)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器參數(shù)進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，在不改變蒸發(fā)器和冷凝器大小的前提下，改變翅片的波距，提升了蒸發(fā)器和冷凝器的換熱性能，計(jì)算出優(yōu)化后的蒸發(fā)器出口溫度，如表2，可以看出優(yōu)化后的空調(diào)性能比原始狀態(tài)下有了明顯的提升，達(dá)到了空調(diào)制冷性能指標(biāo)要求。

表2 空調(diào)出風(fēng)口溫度優(yōu)化對(duì)比

4 結(jié)束語

汽車空調(diào)系統(tǒng)是車輛重要的系統(tǒng)之一，也是乘坐舒適性不可缺少的系統(tǒng)。仿真計(jì)算具有周期短，成本低，優(yōu)化靈活等優(yōu)勢(shì)，是空調(diào)系統(tǒng)正向開發(fā)的有力工具。本文針對(duì)某汽車空調(diào)系統(tǒng)計(jì)算分析了初始狀態(tài)，并與試驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算仿真的精度，而后在此基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)零部件參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，從而提升了空調(diào)性能，滿足空調(diào)性能指標(biāo)要求。