车用空调系统制冷降温性能匹配的数值模拟

耿李姗、浮翔、杨涛、王琳

（河南牧业经济学院 450000)

0 引言

本文结合某乘用车空调系统的研制，采用数值模拟方法研究车内空调系统的性能匹配及优化。在原车空调系统模型基础上，对比分析了不同尺寸结构的蒸发器和冷凝器及其空气侧气体流量等因素对制冷量的影响，并以此设计出相应的优化方案，同时匹配计算了排量140 mL和120 mL压缩机的空调系统降温性能。结果表明，该车用空调系统经优化后，在稳态和瞬态工况下的制冷性能均达到整车需求。采用数值方法可以为车内空调系统的优化提供有效指导[1]。

1 模型原理

1.1 换热器模型

蒸发器和冷凝器在空气侧的换热计算，采用如下公式[2]。

式中：Nu为空气侧的努赛尔数；Re为空气侧的雷诺数；Pr为空气侧的普朗特数；η为翅片效率；c1、c2和c3分别为由风洞试验数据计算的无量纲常数。

本文所建蒸发器和冷凝器均为微通道平行流式结构类型，尺寸分别为190 mm×180 mm×34 mm和540 mm×354 mm×16 mm。表1和表2分别为蒸发器和冷凝器的性能测试数据。

1.2 压缩机模型

压缩机模型的主要参数分别是容积效率和等熵效率，其计算公式如下。

式中：m为制冷剂质量流量，单位为kg/s；ρ为压缩机入口制冷剂密度，单位为kg/m3；n为压缩机转速，单位为r/s；Vh为压缩机排量，单位为m3。

式中：hout为压缩机出口焓值，单位为kJ/kg；hin为压缩机入口焓值，单位为kJ/kg；△hi为等熵焓差，单位为kJ/kg。

这里通过试验获得相应的压缩机容积效率和等熵效率，如图1所示。

2 性能优化影响因素

为提高制冷效果，在上述模型基础上，分别设计了不同的蒸发器和冷凝器的空气侧气体流量方案，以及不同的蒸发器和冷凝器的结构尺寸方案，从而进行影响蒸发器制冷量的模拟分析[3]。如图2所示即为各参数变化对制冷量的影响。

图1 压缩机特性曲线

图2a为制冷量随蒸发器空气侧流量的变化。图中可见，随着空气侧流量的增大，其制冷量逐渐增高。例如，在40 km/h工况，当空气侧流量从400 m3/h增加到520 m3/h时，其制冷量从3.34 kW提高到3.65 kW，提高了9.28%；而在100 km/h工况，其制冷量更是提高约15%，可见蒸发器空气侧流量对制冷效果有重要影响。图2b中，随着冷凝器空气侧气体流量的增加，制冷量虽有增大趋势，但相比蒸发器的影响，其制冷量的变化相对要小一些。例如，当冷凝器空气侧气体流量增加60%时，各工况下的制冷量只提高约3%～5%。

图2c和图2d为蒸发器和冷凝器尺寸变化对制冷量的影响。图2c中，随着蒸发器尺寸的增加，其制冷量有明显提升。例如，在40 km/h和100 km/h工况，当蒸发器尺寸增加40%时，其制冷量则分别提高15%和26%。而图2d中，随着冷凝器尺寸的增加，其制冷量的增加并不明显。例如，在40 km/h工况，当冷凝器尺寸增加20%时，其制冷量只提高约2%，而在100 km/h时，增加甚至不到1%。

图2 不同影响因素对制冷量影响对比

总体来看，相比冷凝器参数的变化，蒸发器空气侧流量及其结构尺寸的变化，对制冷量的影响更明显。但模拟结果表明，增大蒸发器空气侧流量的同时也会导致其空气侧出口温度提高，而增大冷凝器结构参数，不但会使蒸发器空气侧出口温度降低，还会使压缩机排气压力降低，如图3所示。排气压力的降低，一方面提高了车用空调系统安全性和可靠性，另一方面也减少了制冷剂的年平均泄漏量。另外，增加冷凝器结构尺寸，也会降低冷凝器空气侧的出口温度，从而降低整车发动机舱内的温度，有利于改善整车发动机舱热管理水平。

鉴于此，这里选择增加蒸发器、冷凝器空气侧气体流量及两者结构尺寸的方案来改善整车空调系统的降温性能。根据整车空间布置需求和可提供的蒸发器、冷凝器结构尺寸，最终确定的优化方案为，将蒸发器、冷凝器的结构分别增大30%和17%，同时将两者在空气侧的流量分别增加40%和60%[4]。

3 结束语

采用数值方法搭建的车用空调系统模型能够准确反映实车空调的工作情况，能够为车内空调系统的匹配优化提供有效途径。

图3 冷凝器尺寸影响对比