某重装叉车空调系统匹配设计分析

余延斌

摘要：汽车空调是为驾驶员及乘客带来舒适感受的重要装置，对提高生活质量和整车的舒适感及驾驶员安全方面有着举足轻重的作用。随着近几年汽车空调技术的不断进步，以及各个机械行业对汽车空调技术的深度探索，汽车空调逐渐在工程车领域得到了广泛的应用。目前虽有很多空调厂家从事工程车空调方面的研发工作，但普遍存在的问题是，运用于工程车的空调其制冷系统都是通过以往的经验以及后续试验估算所得，存在产品开发耗时长、成本高，且不能完美地与驾驶室匹配等问题。

关键词：重装叉车;空调系统;制冷量;匹配设计

0  引言

汽车空调是为驾驶员及乘客带来舒适感受的重要装置，对提高生活质量和整车的舒适感及驾驶员安全方面有着举足轻重的作用。随着近几年汽车空调技术的不断进步，以及各个机械行业对汽车空调技术的深度探索，汽车空调逐渐在工程车领域得到了广泛的使用。目前虽有很多空调厂家从事工程车空调方面的研发工作，但普遍存在的问题是，运用于工程车的空调其制冷性能都是通过以往的经验以及不断试验后估算所得。这种工程车空调往往不能很好地与驾驶室进行匹配。在汽车空调性能参数中，制冷量是其中重要一项，制冷量大小反映了该空调制冷能力的强弱，因此计算空调制冷量是汽车空调匹配设计、选型的前提及关键。选择匹配的空调安装，才能充分利用资源，既不消耗过多的动力增加发动机的负荷，又使空调价格合理。另外，选择与之匹配的空调，使驾驶室环境达到最佳状态，为驾驶员提供一个最舒适、安全的驾驶环境，也是一种永恒的目标。

本文通过对某厂重装叉车空调制冷量、冷凝器能力、送风量等几个重要参数的计算，旨在对后期该重装叉车选配空调时具有一定的指导作用，使后续所选空调能够更加完美的与该叉车驾驶室匹配，提高产品质量。另外，通过本文的一系列计算，希望对叉车空调性能匹配计算形成一个参考案例，对后期其他型号叉车空调匹配计算过程有所裨益。

1  设计参数

某厂重装叉车驾驶室为独立全封闭驾驶室，驾驶室模型可简化为图1所示长宽高为 1461×1557.5×1703（mm），额定乘员1人，驾驶室内容积 3.3m;前窗为夹层绿玻璃，面积1.76m2，水平夹角75°;后窗、侧门（全玻璃门）为钢化绿玻璃，面积分别为1.65m2和3.3m2，夹角均为90°;顶顶玻璃为钢化绿玻璃，面积为0.7m2，近似水平;驾驶室顶、底板、后围、前围金属结构面积分别为 0.75m2、2.3m2、1.0m2和1.8m2;侧面近似为全玻璃;夏季维持人舒适体感温度一般为 25～28℃，体感舒适湿度 30～70%，可设定室内温度为 25℃、湿度 50%，另外，夏季汽车车室内空气流速为 0.5m/s，推荐车内气流速 0.25～0.5m/s，设定车内气流流速为 0.3m/s。各驾乘人员所需新鲜空气量大概为 20～30m3/h，设定驾驶员需求新风量为 25m3/h[1][2]。根据国标GB/T 19933.4-2014，空调制冷性能须达到降温12℃以上，故可设室外环境温度为38℃。

2  蒸发器制冷量计算

空调系统热负荷稳态算法计算式：

QT =Q玻+Q金+Q风+Q人+Q电+QE

其中：

Q金=Q顶 +Q侧+Q底，Q玻=Q辐射+Q对流[2] [3] [4]

①以太阳辐射及对流方式通过门窗玻璃传入的热负荷Q玻

辐射得热计算式：Q辐射=K玻F玻（tH-tB）

K玻为玻璃传热系数，取 6.4W/（m2K）;

F玻为玻璃总面积;tH為室外温度;tB为车内温度。

Q辐射=616.5（W）

对流得热计算式：Q对流=（η+ραB/αH）US

η为太阳辐射通过玻璃的透入系数，取 0.84;

ρ为太阳辐射通过玻璃的吸收系数，取 0.08;

αB为内表面放热系数，取 16.7W/（m2K）;

αH为车外空气与外表面对流放热系数，取 40.6W/（m2K）;

S 为玻璃遮阳系数，取 0.77;

U 为车窗的太阳辐射量，U=F′IG+（F玻-F′）IS。

F′为玻璃阳面投影总面积，F′=1.76×cos75°=0.46（m2）;

IG为太阳直射辐射强度，取 1000W/m2;

IS为太阳散射辐射强度，取 41.7W/m2。

U=660.2（W）;Q对流（前）=443.7（W）;Q对流（后+侧）=138.3（W）;Q对流（顶）=468（W）

则，Q对流=Q对流（前）+ Q对流（后+侧）+ Q对流（顶）=1050（W）

Q玻=Q辐射+Q对流=1666.5（W）

②通过驾驶室钣金结构传入车厢的热负荷Q金

在稳态传热条件下，驾驶室金属壁面传热负荷计算式为：Q=K车F车（tM-tB）

tM为驾驶室钣金结构表面综合温度，tM=tH+ε（IG+IS）/（αH+K车）

ε为驾驶室金属表面吸收系数，与驾驶室金属面颜色有关，该款驾驶室标准色为亚光黑，取值为 0.9。

K车=4.41×V^0.8 为驾驶室金属结构各部分外表面放热系数，跟车速有关，叉车速度为5-10m/s，故取K车=4.4W/（m2K）。

F车 为驾驶室金属外表面总面积。

1）驾驶室顶部及前档水平方向得热量。

综合温度tM顶=tH+ε（IG+IS）/（αH+K车）=58（℃），Q顶=175.7（W）

2）驾驶室侧面及前档竖直方向得热量。

车身侧面的传热，太阳直射强度及散射强度可取半值，则车身侧面的综合温度

tM侧 =tH +ε（IG+IS）/2（αH+K车）=48.4（℃），

Q侧=179.8（W）

3）驾驶室底部得热量。

车底板表面温度综合温度 tM 底 =tH +（2～3）℃=41（℃），Q底=141.7（W）

因此，驾驶室钣金结构总热负荷为：

Q金=Q顶+Q侧+Q底=497.2（W）

③新风产生的漏热量Q风

Q风=NV风ρ空（h0-h1）

N 为乘员人数;V风为新风量，取 25m3/h·人，这个数值包括工程车驾驶室因密封问题而导致背压造成室外热风进入驾驶室产生的负荷;ρ空为空气密度，取 1.13kg/m3;h0为室外空气的焓值，h1为室内空气的焓值。此工况下，车室外空气相对湿度为 70%，车室内空气的相对湿度为 50%，查 H-D 图，得 h0=99.89kJ/kg，h1=55.7kJ/kg。

Q风=1248.4（W）

④乘员发热量Q人

额定乘员人均发热量按 116W，考虑到只有一位驾驶员，群集系数取？准=1

Q人=N？准×116=116（W）

⑤驾驶室内电器（阅读灯、收音机及风机等）工作产生的热量，按 Q 电≈200（W）计

⑥由发动机一侧传入车内的热量QE

叉车发动机距离驾驶室比较近，对驾驶室内温度影响比较大。

QE=Ke·Fe（te-tb）

Ke钣金材料导热系数（W/m·℃）=45，Fe=0.3m2考虑到该重装叉车实际情况，可参考选取te=75℃

QE=13.5×（75-25）=675W[4]

综合以上，整车热负荷为：QT=Q玻+Q车+Q风+Q人+Q电 =4203.1（W）

制冷量 Q0=kQT，k 为修正系数，k=1.05～1.15，取 1.1，则Q0=4623.4（W）。

3   制冷循环热力计算

3.1 设计工况的确定

空调系统的工作R134a压焓图如图2所示。

其中：

冷凝压力Pk=1.6MPa（绝对压力）;

对应的冷凝温度tk=57.92℃;

蒸发压力P0=0.3MPa（绝对压力）;

对应的蒸发温度t0=0.65℃;

蒸发器过热度Sh=5℃; 冷凝器过冷度Sc=5℃。

3.2 各状态点参数的确定（查图2可得）

点1（蒸发器出口）：

压力P1=0.3MPa;温度t1=5℃;焓值h1=395kJ/kg;

比容v1=0.069380m3/kg

点2（压缩机出口）：

压力P2=1.6MPa; 温度t1≈95℃。

点3（膨胀阀前）：

压力P3=1.6MPa; 温度t3=57.9-5=52.9℃;

焓值h3=276.6kJ/kg。

点4（蒸发器进口）：

压力P1=0.3MPa; 温度t4=0.65℃;

焓值h4=h3=276.6kJ/kg。

3.3 制冷剂质量流量和体积流量

4  压缩机选型及校核

Vp=V/（n×ηv），Vp压缩机排量，V——体积流量，如上计算，取V=2532ml/s;[6]

n——压缩机转速，取n=1800rpm;

ηv——压缩机容积效率，取0.8。

跟该重装叉车所配几款发动机预留压缩机安装尺寸，可选取GY5H14（排量为138 ml/r）以上压缩机满足要求。

5  冷凝器能力计算

Q0为系统制冷量，？准为冷凝器负荷系数，其值与制冷剂种类与运行工况有关，具体数值可查氟利昂系统？准时间的关系曲线（此处略），取值1.5。实际设计中还要考虑20-40%的富余，取值n=40%。所以Qk=1.4×1.5×4623.4=9709W=9.7kW。

冷凝器傳热面积：冷凝器实际换热量Qk=kA

A为冷凝器传热面积，K为单位换热量，推荐使用4m/s时对应换热量6W/cm2[5]。

故冷凝器传热面积：A=0.16m2。根据驾驶室实际预留安装尺寸，冷您器宽度不超过0.38m，长度不超过1.1m。

6  送风量的确定

风机的送风量：V=Q0/（h入-h出）

式中：Q0——蒸发器制冷量;h入——蒸发器入口空气焓值;h出—蒸发器出口空气焓值。

蒸发器入口的空气状态：

入口温度t出=25℃，入口空气相对湿度50%。

出口空气状态取为：

出口温度t出=8℃，出口空气相对湿度90%。

蒸发器进出口空气状态确定后，就可以通过查湿空气焓湿图确定各参数值：

所以，风机的理论送风量：

实际送风量的确定还需要综合考虑蒸发器迎面风速、驾驶室气流组织、风道及散流器结构等。因此实际送风量应有个1.1-1.3的矫正系数。本文根据实际情况选取系数为k=1.3，因此：

7  结论

本计算结果是根据环境温度为38℃得来，在该工况下，空调系统制冷量为4.623kW。压缩机可选型为5H14（排量为138ml/s）以上排量斜盘式压缩机。

在该工况下，冷凝器换热能力应大于9.7kW，传热面积应大于0.16m2，根据驾驶室实际预留安装尺寸，冷凝器选用平行流式冷凝器，宽度不超过0.38m，长度不超过1.1m。蒸发器制冷量为4.623kW，单层散热面尺寸根据整车预留空间。送风量应不小于572m3/h。

参考文献：

[1]陈天祥.电动汽车空调系统的设计分析[J].山东工业技术，2017.

[2]潘仕琅.电动汽车空调系统制冷量的计算分析，2018-10-15.

[3]李明，等.汽车空调负荷计算方法对比[C].2010中国汽车工程学会年会论文集，2010，07.

[4]曾国文.汽车空调制冷系统匹配计算及研究[D].华南理工大学，2016-09-01.

[5]许振华.汽车空调冷凝器选型设计研究[J].汽车电器，2017-04.

[6]李昕.浅析某轻卡空调制冷系统设计[J].汽车实用技术，2017-09-15.