同軸管對于空調系統(tǒng)性能改善的研究

謝軍 林明松 陳一帆

【摘 要】文章提出一種使用同軸管改善空調制冷性能的方法，通過理論分析同軸管的可行性，并通過系統(tǒng)試驗和實車測試驗證了其改善效果，與普通空調系統(tǒng)相比，使用同軸管的空調系統(tǒng)，制冷量提升約10%，COP值提升約8%。

【關鍵詞】汽車;空調;同軸管

【中圖分類號】TB657.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0069-02

0 引言

在當前環(huán)境問題日趨嚴重的壓力下，我國對節(jié)能減排的要求不斷提高，對汽車排放限制標準的制定也越來越嚴格。汽車行業(yè)面臨的節(jié)能減排壓力不斷增大，因此各汽車生產廠商推出了很多提高燃油利用效率、降低排放標準的技術和措施。在汽車的使用過程中，絕大部分時間都會使用車用空調系統(tǒng)，據了解，汽車空調的功率約占發(fā)動機功率的20%，特別是在純電動汽車中，空調能耗占比更大，對車輛的續(xù)航里程影響較大。因此，提高車用空調系統(tǒng)的工作效率，降低能耗，對于汽車的節(jié)能減排具有重要作用。

目前，通過提高車用空調的效率實現節(jié)能減排的主要途徑有以下幾種：改善空調零部件的效能、使用綠色制冷劑、優(yōu)化空調系統(tǒng)結構。從2016年起，各國已經開始使用新的制冷劑替代當前廣泛使用的R134a。其中，HFO1234yf的環(huán)保性能好，但存在制冷性能和效率下降的問題，為了提升HFO1234yf在汽車空調系統(tǒng)中的使用性能，各大汽車廠商開發(fā)了同軸管系統(tǒng)。本文主要從提高空調系統(tǒng)效率的角度，分析和研究使用同軸管對車用空調系統(tǒng)的性能改善效果。

1 同軸管系統(tǒng)結構原理

同軸管汽車空調系統(tǒng)的組成如圖1所示，系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、同軸管、膨脹閥、蒸發(fā)器組成，空調制冷原理與常規(guī)汽車空調相同，主要區(qū)別在于將高、低壓管路集合在一根同軸的管路中，高壓部分的制冷劑在外層流動，低壓制冷劑通過內層流動。通過使用同軸管，低壓管與高壓管之間相互傳熱，利用低壓管的低溫對高壓管的過冷冷媒進一步冷卻，同時降低發(fā)動機艙熱量對低壓管路的影響，能夠有效改善空調系統(tǒng)的性能。車用空調的管路布置在發(fā)動機艙，發(fā)動機艙常處于高溫狀態(tài)會嚴重影響高壓管路的散熱，導致汽車空調的效率下降。

2 空調系統(tǒng)使用同軸管的能量分析

空調制冷管道分為高壓和低壓管道。在空調工作的過程中，高壓管道急需散熱，以提高膨脹過程的制冷效率，低壓管道溫度低，適度提高其溫度有利于提高冷卻液蒸氣的過熱度，保證進入壓縮機內的冷卻液全部為氣體狀態(tài)，有利于提高壓縮機的工作效率和工作穩(wěn)定性。

通常情況下，冷凝器出口冷媒的溫度能接近環(huán)境溫度（約50 ℃），發(fā)動機艙的溫度常常高達80 ℃以上，這種高溫環(huán)境會降低冷媒的過冷度。而空調系統(tǒng)低壓管則處于低溫狀態(tài)，在10 ℃以下，發(fā)動機艙的高溫同樣也會使低壓管溫度上升，降低壓縮機的工作效率。將高壓管套在低壓管外，能夠有效防止發(fā)動機艙高溫環(huán)境對低壓管的影響，同時也能利用低壓管的低溫對高壓管中的過冷冷媒進一步降溫。

根據空調系統(tǒng)的壓-焓圖，采用同軸管的空調系統(tǒng)，相對于采用普通管的空調系統(tǒng)主要具有以下兩個優(yōu)勢。

（1）在蒸發(fā)器入口處，同軸管利用蒸發(fā)器出口低溫的制冷劑給冷凝器出口的高溫制冷劑進一步降溫，提升了蒸發(fā)器入口的過冷度，有效提高了蒸發(fā)器的性能，但是過熱度過高也會降低壓縮機的效率。

（2）在蒸發(fā)器出口處，同軸管利用蒸發(fā)器入口（冷凝器出口）的制冷劑過熱度，有效防止了壓縮機的液擊。

綜合分析，當Δq/Q>Δw/W時，COP=（Q+Δq）/（W+Δw）>1。Q為制冷量，Δq為使用同軸管系統(tǒng)增加的制冷量，W為系統(tǒng)功耗，Δw為使用同軸管后增加的功耗，COP為制冷系數。因此，使用同軸管能夠提高系統(tǒng)COP。

3 同軸管空調系統(tǒng)臺架試驗

將同軸管與普通管路安裝到空調臺架上進行對比試驗，實驗設置環(huán)境溫度為38 ℃、相對濕度為50%、冷凝器風量為2 000 m3/h、蒸發(fā)器風量為500 m3/h;通過控制壓縮機分別設置轉速為900 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min，測試在不同的壓縮機轉速和不同的進風溫度下，空調系統(tǒng)在使用同軸管和普通管路時的制冷性能與COP性能。測試結果如下。

（1）在使用同軸管的系統(tǒng)中，空調系統(tǒng)的制冷性能更好，在壓縮機低轉速時效果更明顯，約提升10%的制冷量。

（2）系統(tǒng)COP也有明顯提升，在壓縮機低速工況時提升更明顯，約提升8%。

4 同軸管系統(tǒng)實車測試

在某款已上市的車型上使用同軸管和普通管路，分別進行整車制冷性能驗證。

試驗設備：整車試驗環(huán)模艙。試驗步驟如下：①將整車放入環(huán)境模擬艙，將輻照開到1 000 w/m2，同時環(huán)境艙溫度提升至40 ℃;②待車內溫度升高至穩(wěn)定，繼續(xù)浸泡1 h;③試驗人員進入車輛，啟動車輛，將車速穩(wěn)定在40 km/h;④開啟空調，內循環(huán)，風量調至最大，溫度調至最低，吹面模式，采集車輛降溫過程中頭部溫度和出風口溫度;⑤試驗完成后，將車輛退出環(huán)境艙，更換同軸管，加注車輛上標注的制冷劑及質量;⑥重復試驗1～4步驟。

試驗完成后，對比兩次試驗數據，對比結果如圖2所示。

從圖2中的數據可以看出，在相同的汽車空調系統(tǒng)中，30 min的制冷時間內，帶有同軸管的空調系統(tǒng)比不帶同軸管的空調系統(tǒng)，頭部溫度低0.8 ℃，從長期的使用來看，帶同軸管的空調系統(tǒng)的制冷性能將有明顯優(yōu)勢。結合空調系統(tǒng)COP的測算，在綜合工況下，用戶使用帶同軸管的空調系統(tǒng)將節(jié)油0.12 L/100 km。

5 結語

通過介紹空調系統(tǒng)原理及同軸管的結構，從理論上分析同軸管提高車用空調性能的可行性，并通過臺架試驗對比同軸管與普通空調管路發(fā)現，使用同軸管可以提高空調系統(tǒng)10%的制冷量，提升8%的COP值。通過實車試驗驗證，帶有同軸管的空調系統(tǒng)比不帶同軸管的空調系統(tǒng)的頭部溫度降低0.8 ℃。在行業(yè)對汽車及空調系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保要求日趨嚴格的形勢下，隨著同軸管結構及性能的進一步優(yōu)化，使用同軸管系統(tǒng)是車用空調的發(fā)展趨勢。

參 考 文 獻

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