某重裝叉車空調(diào)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)分析

余延斌

摘要：汽車空調(diào)是為駕駛員及乘客帶來(lái)舒適感受的重要裝置，對(duì)提高生活質(zhì)量和整車的舒適感及駕駛員安全方面有著舉足輕重的作用。隨著近幾年汽車空調(diào)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各個(gè)機(jī)械行業(yè)對(duì)汽車空調(diào)技術(shù)的深度探索，汽車空調(diào)逐漸在工程車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前雖有很多空調(diào)廠家從事工程車空調(diào)方面的研發(fā)工作，但普遍存在的問(wèn)題是，運(yùn)用于工程車的空調(diào)其制冷系統(tǒng)都是通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)以及后續(xù)試驗(yàn)估算所得，存在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，且不能完美地與駕駛室匹配等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：重裝叉車;空調(diào)系統(tǒng);制冷量;匹配設(shè)計(jì)

0? 引言

汽車空調(diào)是為駕駛員及乘客帶來(lái)舒適感受的重要裝置，對(duì)提高生活質(zhì)量和整車的舒適感及駕駛員安全方面有著舉足輕重的作用。隨著近幾年汽車空調(diào)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及各個(gè)機(jī)械行業(yè)對(duì)汽車空調(diào)技術(shù)的深度探索，汽車空調(diào)逐漸在工程車領(lǐng)域得到了廣泛的使用。目前雖有很多空調(diào)廠家從事工程車空調(diào)方面的研發(fā)工作，但普遍存在的問(wèn)題是，運(yùn)用于工程車的空調(diào)其制冷性能都是通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)以及不斷試驗(yàn)后估算所得。這種工程車空調(diào)往往不能很好地與駕駛室進(jìn)行匹配。在汽車空調(diào)性能參數(shù)中，制冷量是其中重要一項(xiàng)，制冷量大小反映了該空調(diào)制冷能力的強(qiáng)弱，因此計(jì)算空調(diào)制冷量是汽車空調(diào)匹配設(shè)計(jì)、選型的前提及關(guān)鍵。選擇匹配的空調(diào)安裝，才能充分利用資源，既不消耗過(guò)多的動(dòng)力增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，又使空調(diào)價(jià)格合理。另外，選擇與之匹配的空調(diào)，使駕駛室環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)，為駕駛員提供一個(gè)最舒適、安全的駕駛環(huán)境，也是一種永恒的目標(biāo)。

本文通過(guò)對(duì)某廠重裝叉車空調(diào)制冷量、冷凝器能力、送風(fēng)量等幾個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算，旨在對(duì)后期該重裝叉車選配空調(diào)時(shí)具有一定的指導(dǎo)作用，使后續(xù)所選空調(diào)能夠更加完美的與該叉車駕駛室匹配，提高產(chǎn)品質(zhì)量。另外，通過(guò)本文的一系列計(jì)算，希望對(duì)叉車空調(diào)性能匹配計(jì)算形成一個(gè)參考案例，對(duì)后期其他型號(hào)叉車空調(diào)匹配計(jì)算過(guò)程有所裨益。

1? 設(shè)計(jì)參數(shù)

某廠重裝叉車駕駛室為獨(dú)立全封閉駕駛室，駕駛室模型可簡(jiǎn)化為圖1所示長(zhǎng)寬高為 1461×1557.5×1703（mm），額定乘員1人，駕駛室內(nèi)容積 3.3m;前窗為夾層綠玻璃，面積1.76m2，水平夾角75°;后窗、側(cè)門(mén)（全玻璃門(mén)）為鋼化綠玻璃，面積分別為1.65m2和3.3m2，夾角均為90°;頂頂玻璃為鋼化綠玻璃，面積為0.7m2，近似水平;駕駛室頂、底板、后圍、前圍金屬結(jié)構(gòu)面積分別為 0.75m2、2.3m2、1.0m2和1.8m2;側(cè)面近似為全玻璃;夏季維持人舒適體感溫度一般為 25～28℃，體感舒適濕度 30～70%，可設(shè)定室內(nèi)溫度為 25℃、濕度 50%，另外，夏季汽車車室內(nèi)空氣流速為 0.5m/s，推薦車內(nèi)氣流速 0.25～0.5m/s，設(shè)定車內(nèi)氣流流速為 0.3m/s。各駕乘人員所需新鮮空氣量大概為 20～30m3/h，設(shè)定駕駛員需求新風(fēng)量為 25m3/h[1][2]。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19933.4-2014，空調(diào)制冷性能須達(dá)到降溫12℃以上，故可設(shè)室外環(huán)境溫度為38℃。

2? 蒸發(fā)器制冷量計(jì)算

空調(diào)系統(tǒng)熱負(fù)荷穩(wěn)態(tài)算法計(jì)算式：

QT =Q玻+Q金+Q風(fēng)+Q人+Q電+QE

其中：

Q金=Q頂 +Q側(cè)+Q底，Q玻=Q輻射+Q對(duì)流[2] [3] [4]

①以太陽(yáng)輻射及對(duì)流方式通過(guò)門(mén)窗玻璃傳入的熱負(fù)荷Q玻

輻射得熱計(jì)算式：Q輻射=K玻F玻（tH-tB）

K玻為玻璃傳熱系數(shù)，取 6.4W/（m2K）;

F玻為玻璃總面積;tH為室外溫度;tB為車內(nèi)溫度。

Q輻射=616.5（W）

對(duì)流得熱計(jì)算式：Q對(duì)流=（η+ραB/αH）US

η為太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃的透入系數(shù)，取 0.84;

ρ為太陽(yáng)輻射通過(guò)玻璃的吸收系數(shù)，取 0.08;

αB為內(nèi)表面放熱系數(shù)，取 16.7W/（m2K）;

αH為車外空氣與外表面對(duì)流放熱系數(shù)，取 40.6W/（m2K）;

S 為玻璃遮陽(yáng)系數(shù)，取 0.77;

U 為車窗的太陽(yáng)輻射量，U=F′IG+（F玻-F′）IS。

F′為玻璃陽(yáng)面投影總面積，F(xiàn)′=1.76×cos75°=0.46（m2）;

IG為太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，取 1000W/m2;

IS為太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度，取 41.7W/m2。

U=660.2（W）;Q對(duì)流（前）=443.7（W）;Q對(duì)流（后+側(cè)）=138.3（W）;Q對(duì)流（頂）=468（W）

則，Q對(duì)流=Q對(duì)流（前）+ Q對(duì)流（后+側(cè)）+ Q對(duì)流（頂）=1050（W）

Q玻=Q輻射+Q對(duì)流=1666.5（W）

②通過(guò)駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)傳入車廂的熱負(fù)荷Q金

在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，駕駛室金屬壁面?zhèn)鳠嶝?fù)荷計(jì)算式為：Q=K車F車（tM-tB）

tM為駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)表面綜合溫度，tM=tH+ε（IG+IS）/（αH+K車）

ε為駕駛室金屬表面吸收系數(shù)，與駕駛室金屬面顏色有關(guān)，該款駕駛室標(biāo)準(zhǔn)色為亞光黑，取值為 0.9。

K車=4.41×V^0.8 為駕駛室金屬結(jié)構(gòu)各部分外表面放熱系數(shù)，跟車速有關(guān)，叉車速度為5-10m/s，故取K車=4.4W/（m2K）。

F車 為駕駛室金屬外表面總面積。

1）駕駛室頂部及前檔水平方向得熱量。

綜合溫度tM頂=tH+ε（IG+IS）/（αH+K車）=58（℃），Q頂=175.7（W）

2）駕駛室側(cè)面及前檔豎直方向得熱量。

車身側(cè)面的傳熱，太陽(yáng)直射強(qiáng)度及散射強(qiáng)度可取半值，則車身側(cè)面的綜合溫度

tM側(cè) =tH +ε（IG+IS）/2（αH+K車）=48.4（℃），

Q側(cè)=179.8（W）

3）駕駛室底部得熱量。

車底板表面溫度綜合溫度 tM 底 =tH +（2～3）℃=41（℃），Q底=141.7（W）

因此，駕駛室鈑金結(jié)構(gòu)總熱負(fù)荷為：

Q金=Q頂+Q側(cè)+Q底=497.2（W）

③新風(fēng)產(chǎn)生的漏熱量Q風(fēng)

Q風(fēng)=NV風(fēng)ρ空（h0-h1）

N 為乘員人數(shù);V風(fēng)為新風(fēng)量，取 25m3/h·人，這個(gè)數(shù)值包括工程車駕駛室因密封問(wèn)題而導(dǎo)致背壓造成室外熱風(fēng)進(jìn)入駕駛室產(chǎn)生的負(fù)荷;ρ空為空氣密度，取 1.13kg/m3;h0為室外空氣的焓值，h1為室內(nèi)空氣的焓值。此工況下，車室外空氣相對(duì)濕度為 70%，車室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度為 50%，查 H-D 圖，得 h0=99.89kJ/kg，h1=55.7kJ/kg。

Q風(fēng)=1248.4（W）

④乘員發(fā)熱量Q人

額定乘員人均發(fā)熱量按 116W，考慮到只有一位駕駛員，群集系數(shù)取？準(zhǔn)=1

Q人=N？準(zhǔn)×116=116（W）

⑤駕駛室內(nèi)電器（閱讀燈、收音機(jī)及風(fēng)機(jī)等）工作產(chǎn)生的熱量，按 Q 電≈200（W）計(jì)

⑥由發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)傳入車內(nèi)的熱量QE

叉車發(fā)動(dòng)機(jī)距離駕駛室比較近，對(duì)駕駛室內(nèi)溫度影響比較大。

QE=Ke·Fe（te-tb）

Ke鈑金材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃）=45，F(xiàn)e=0.3m2考慮到該重裝叉車實(shí)際情況，可參考選取te=75℃

QE=13.5×（75-25）=675W[4]

綜合以上，整車熱負(fù)荷為：QT=Q玻+Q車+Q風(fēng)+Q人+Q電 =4203.1（W）

制冷量 Q0=kQT，k 為修正系數(shù)，k=1.05～1.15，取 1.1，則Q0=4623.4（W）。

3? ?制冷循環(huán)熱力計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)工況的確定

空調(diào)系統(tǒng)的工作R134a壓焓圖如圖2所示。

其中：

冷凝壓力Pk=1.6MPa（絕對(duì)壓力）;

對(duì)應(yīng)的冷凝溫度tk=57.92℃;

蒸發(fā)壓力P0=0.3MPa（絕對(duì)壓力）;

對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度t0=0.65℃;

蒸發(fā)器過(guò)熱度Sh=5℃; 冷凝器過(guò)冷度Sc=5℃。

3.2 各狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)的確定（查圖2可得）

點(diǎn)1（蒸發(fā)器出口）：

壓力P1=0.3MPa;溫度t1=5℃;焓值h1=395kJ/kg;

比容v1=0.069380m3/kg

點(diǎn)2（壓縮機(jī)出口）：

壓力P2=1.6MPa; 溫度t1≈95℃。

點(diǎn)3（膨脹閥前）：

壓力P3=1.6MPa; 溫度t3=57.9-5=52.9℃;

焓值h3=276.6kJ/kg。

點(diǎn)4（蒸發(fā)器進(jìn)口）：

壓力P1=0.3MPa; 溫度t4=0.65℃;

焓值h4=h3=276.6kJ/kg。

3.3 制冷劑質(zhì)量流量和體積流量

4? 壓縮機(jī)選型及校核

Vp=V/（n×ηv），Vp壓縮機(jī)排量，V——體積流量，如上計(jì)算，取V=2532ml/s;[6]

n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，取n=1800rpm;

ηv——壓縮機(jī)容積效率，取0.8。

跟該重裝叉車所配幾款發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)留壓縮機(jī)安裝尺寸，可選取GY5H14（排量為138 ml/r）以上壓縮機(jī)滿足要求。

5? 冷凝器能力計(jì)算

Q0為系統(tǒng)制冷量，？準(zhǔn)為冷凝器負(fù)荷系數(shù)，其值與制冷劑種類與運(yùn)行工況有關(guān)，具體數(shù)值可查氟利昂系統(tǒng)？準(zhǔn)時(shí)間的關(guān)系曲線（此處略），取值1.5。實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮20-40%的富余，取值n=40%。所以Qk=1.4×1.5×4623.4=9709W=9.7kW。

冷凝器傳熱面積：冷凝器實(shí)際換熱量Qk=kA

A為冷凝器傳熱面積，K為單位換熱量，推薦使用4m/s時(shí)對(duì)應(yīng)換熱量6W/cm2[5]。

故冷凝器傳熱面積：A=0.16m2。根據(jù)駕駛室實(shí)際預(yù)留安裝尺寸，冷您器寬度不超過(guò)0.38m，長(zhǎng)度不超過(guò)1.1m。

6? 送風(fēng)量的確定

風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量：V=Q0/（h入-h出）

式中：Q0——蒸發(fā)器制冷量;h入——蒸發(fā)器入口空氣焓值;h出—蒸發(fā)器出口空氣焓值。

蒸發(fā)器入口的空氣狀態(tài)：

入口溫度t出=25℃，入口空氣相對(duì)濕度50%。

出口空氣狀態(tài)取為：

出口溫度t出=8℃，出口空氣相對(duì)濕度90%。

蒸發(fā)器進(jìn)出口空氣狀態(tài)確定后，就可以通過(guò)查濕空氣焓濕圖確定各參數(shù)值：

所以，風(fēng)機(jī)的理論送風(fēng)量：

實(shí)際送風(fēng)量的確定還需要綜合考慮蒸發(fā)器迎面風(fēng)速、駕駛室氣流組織、風(fēng)道及散流器結(jié)構(gòu)等。因此實(shí)際送風(fēng)量應(yīng)有個(gè)1.1-1.3的矯正系數(shù)。本文根據(jù)實(shí)際情況選取系數(shù)為k=1.3，因此：

7? 結(jié)論

本計(jì)算結(jié)果是根據(jù)環(huán)境溫度為38℃得來(lái)，在該工況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷量為4.623kW。壓縮機(jī)可選型為5H14（排量為138ml/s）以上排量斜盤(pán)式壓縮機(jī)。

在該工況下，冷凝器換熱能力應(yīng)大于9.7kW，傳熱面積應(yīng)大于0.16m2，根據(jù)駕駛室實(shí)際預(yù)留安裝尺寸，冷凝器選用平行流式冷凝器，寬度不超過(guò)0.38m，長(zhǎng)度不超過(guò)1.1m。蒸發(fā)器制冷量為4.623kW，單層散熱面尺寸根據(jù)整車預(yù)留空間。送風(fēng)量應(yīng)不小于572m3/h。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳天祥.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017.

[2]潘仕瑯.電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷量的計(jì)算分析，2018-10-15.

[3]李明，等.汽車空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方法對(duì)比[C].2010中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2010，07.

[4]曾國(guó)文.汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)匹配計(jì)算及研究[D].華南理工大學(xué)，2016-09-01.

[5]許振華.汽車空調(diào)冷凝器選型設(shè)計(jì)研究[J].汽車電器，2017-04.

[6]李昕.淺析某輕卡空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017-09-15.