汽车空调系统性能分析与模拟外文翻译资料

 2022-11-11 11:11

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汽车空调系统性能分析与模拟

摘要:我们已经在各种运行条件下进行了汽车空调系统组成部件的性能分析。空调系统由多层结构蒸发器,斜盘式压缩机,并流式冷凝器,可回收式干燥器和外均衡式恒温膨胀阀组成。基于实验获得的总传热系数和压降,开发了用于多层结构蒸发器性能分析的计算机程序。开发了使用传热系数经验方程计算和分析并行流型冷凝器性能的计算机程序,其结果表明:预期的冷凝容量与实验数据非常一致。然后,提出了一种用于汽车空调系统组成部件的综合性能分析程序模型,它非常好地模拟整体汽车空调系统的性能。此外,讨论了冷凝器尺寸和制冷剂充注量对整体汽车空调系统性能的影响。

关键词:空调;汽车;运行;性能;模拟

多样化的陆地车辆为了满足各种法规和用户品味,需要及时开发汽车空调系统。特别是臭氧消耗和全球变暖这样的环境破坏要求汽车空调系统各个部件优化和具有高效率。人们已经进行了广泛的研究以提高汽车空调系统中使用的热交换器的优点,这通常针对安装空间和重量限制。早期,蒸发器和冷凝器由翅片管型制成。之后,蒸发器已经从蛇形管型发展成多层结构[1,2],而冷凝器已经演变成平行流动型[3]。目前,大多数汽车空调系统在使用多层结构蒸发器和并联式冷凝器。在开发汽车空调系统时,通过计算机模拟优化设计[4,5]将大大降低成本和人力。在1972年,戴维斯等人[6]设计出了一个计算机程序,可单独用于汽车空调组件的性能分析和用于整体空调系统性能仿真。在那个时期,散热管和冷凝器都使用金属管式热交换器。Kyle等人[7]基于为住宅热泵模型编写的性能分析程序,对汽车空调系统进行了性能仿真。冷凝器为翅片管型,蒸发器是板翅蒸发器。然而,我们不清楚是否在其系统中包括回收式干燥器,而这是使用恒温膨胀阀的汽车空调系统的重要组成部分。本研究的目的是分析多层结构蒸发器和平行流式冷凝器的性能,并开发对整体汽车空调系统的性能进行模拟的程序。多层结构蒸发器的总传热系数和压降由实验获得,基于此对多层结构蒸发器的性能分析程序进行开发。并行式冷凝器的性能分析程序是通过利用最近报道的经验公式来预测百叶窗翅片[8,9]几何形状的传热系数而开发的,并得出其在合理的误差范围内。最后,提出了单个组件的综合性能分析程序的模型,构成了整体空调系统的性能仿真程序。

1.单独组件的性能分析

在本研究中,对由多层式蒸发器、斜盘式压缩机、平行流式冷凝器、回收式干燥器和外部均衡的恒温膨胀阀组成的汽车空调系统进行性能模拟,如图1所示,所有组件均由铝管连接。这种空调系统性能的工作参数是蒸发器空气侧入口处的温度,湿度和流量,冷凝器空气侧入口的温度和速度以及压缩机速度。过热量由膨胀阀确定,当制冷剂充注量足够时,过冷被回收式干燥器固定设置为零。

1.1 多层结构蒸发器

建立数学模型来研究各种运行参数对多层结构蒸发器性能的影响。为了开发这种模型,需要总传热系数和压降的表达式。本研究已经在各种运行工况下进行了实验,如表1所示。标准运行工况是由汽车空调系统制造商设定的,入口空气温度为27℃,入口空气相对湿度为50%,过热度为5℃,蒸发压力为192kPa。空气体积流量会发生变化,而其余的运行参数是处于固定不变。测量的压力用表压力表示。由于蒸发器翅片表面的大部分被冷凝膜覆盖,因此总传热系数定义为

表1

多层结构蒸发器的试验条件

运行条件

入口空气温度,Ta,i,e(℃)

20,25,27a,30

入口空气相对湿度,Rh(%)

50a

空气流量,Va(m3/h)

300,350,400,450,500

过热量,△Tsh(℃)

5a,7,10,15

蒸发压力,Pe(kPa)

156,166,176,192a,215,235,254,274

a表示标准运行条件

其中A是蒸发器翅片和周围空气之间的传热面积,Delta;Hm是对数平均焓值,Hr,i; Hr,s和Hr,o分别表示对应于入口制冷剂温度,饱和蒸汽温度和出口温度的饱和湿空气的焓,而fe是在蒸发器中整个区域与过热区域焓差的比值。

图1 汽车空调系统实验装置

图2表示出了当Rh= 50%,Delta;Tsh= 5℃和Pe= 192kPa时,总传热系数随空气流速和入口空气温度的改变而发生的变化。随着入口空气温度的升高,随着空气流速的增加,总的传热系数显示出增加的趋势。因此,总的传热系数可以表示为入口空气温度和空气气流速率的函数。图3表示出了总传热系数随着空气流速和蒸发压力的改变而发生变化,这时,Ta,i,e= 27℃,Rh= 50%和Delta;Tsh= 5℃。在低蒸发压力条件下,总传热系数似乎没有很大的变化,但是当蒸发压力超过某一定值时,传热系数会迅速下降。也就是说,在空气流量为300,350和420m3/h时,总的传热系数快速下降到标准状态值的70%,相应的蒸发压力分别为215,254 kPa和274kPa。图4显示了总传热系数随空气流速和过热度的变化,这时,Ta,i,e =27℃,Rh= 50%,Pe= 192kPa。当过热度处于10℃以下时,由于过热度的变化,总的传热系数并没有受到非常大的影响,但是在过热度为15℃时,总的传热系数降到其在标准状态条件下的80%。因此,可以得出这样的结论,多层结构蒸发器的总传热系数取决于空气流量,进气温度,蒸发压力和过热度。如图5所示,该图描绘了蒸发器中的制冷剂压降相对于雷诺数的变化曲线图,其关系可表示为:

其中x是入口制冷剂质量,Dh水利直径。值得注意的是各种运行条件下的压降都可以仅以雷诺数表示:

图2 总传热系数随空气流率和入口空气温度 图4 总传热系数随空气流率和过热度的变化

的变化,对于Rh=50%,△Tsh=5℃和 对于Ta,i,e=27℃,Rh=50%和 Pe=192kPa

Pe=192kPa(*标准运行工况) (*标准运行工况)

图3 总传热系数随空气流率和蒸发压力的变化,对于Ta,i,e=27℃,Rh=50%和△Tsh=5℃

*标准运行工况)

图5 蒸发器中的压力降随雷诺数的变化

目前,基于上面所提到的总传热系数和压降,开发一个对多层结构的蒸发器的性能进行分析的程序是可以实现的。该性能分析程序的流程图如图6所示。 输入数据由入口空气温度和湿度,空气流量,出口制冷剂过热,进口制冷剂质量和质量流量组成。输出数据包括蒸发压力,蒸发能力和出口空气温度。

图6 蒸发器性能分析程序流程图

1.2平行流式冷凝器

在平行流式冷凝器中,管子通常很长,而且其间安装有百叶翅片。我们采用Sahnoun和Webb[8]和Webb等人[9]提出的以下关系式,获得了百叶翅片空气侧的传热系数:

对于上述方程中出现的符号和下标的含义,应参考Webb等人在文献[9]中所给的定义和说明,而不是本文在术语列表中所列出符号的含义。假设管与管之间多个槽道可以被视为单个圆管。然后,采用以下关联式来获得管内传热系数[10]:

式中,

表2显示了平行流式冷凝器的各种实验条件。压降的实验值绘制在图7中。值得注意的是压降可以表示为雷诺数的函数:

为了获得冷凝能力,我们采用传热单元数法(e-NTU)计算传热率。并且考虑每个散热片作为单个传输单元。图8显示了冷凝器性能分析程序的流程图,输入数据包括冷凝器翅片管布置尺寸,入口空气温度,空气速度,入口制冷剂温度和压力,输出数据包括冷凝能力,出口空气温度,出口制冷剂的温度和压力。将模拟预测的冷凝能力与实验数据进行比较,在5%以内达到良好的一致性。

表2

平行流型冷凝器实验条件

运行条件

入口空气温度,Ta,i,e(℃)

35a

入口空气速度,Ua(m/h)

2,3,4,5

冷凝压力,pc(MPa)

0.98,1.18,1.37,1.52a,1.76,1.96

过热量,△Tsh(℃)

25a

过冷量,△Tsc(℃)

5a

1.3其他组件

斜盘式压缩机是一种往复式压缩机,它可以压缩气体,使活塞通过倾斜板往复运动。来自压缩机的排放气体的质量流量由下式获得

其中Vdis代表排量。由于往复式压缩机的容积效率大大地受顶部余隙容积影响,它是通过改变压力比获得。

其中Vtc表示顶部余隙容积,和分别是通过实验获得的吸入和排出压力,是由实验获得的容积效率。压缩机消耗的功为:

其中Hd,ad是绝热过程排气的焓值,是实验获得的压缩机效率。

过热量由被认为经历等焓过程的膨胀阀决定。当充注量足够时,回收式干燥器处于饱和状态,使冷凝器出口处过冷量为零。由实验得到回收式干燥器的压降为19.6kPa。

图7 冷凝器中压降随雷诺数变化关系图

1.4管道中的压降和热传递

管道压降可以由文献[11]得到

其中Leq=0.7mu;m,相应于D = 9.525mm。对于D = 12.7mm,Leq=0.8mu;m,D = 15.875mm的Leq=0.9mu;m,D = 19.05mm的Leq=1.0mu;m。而Leq是指弯管的等效长度。管道中的传热可以通过文献[12]中的公式计算。

图8 冷凝器性能分析程序流程图

式中是通过水平圆管的强制对流传热系数,

对于

且有

用来表达管子内制冷剂的传热系数,

图9 实验数据与性能分析数据的比较

具有

上式被用来表达管外空气的传热系数。

1.5整体空调系统性能模拟

采用各组件综合性能分析程序,对整体空调系统的性能进行了仿真。该程序满足质量守恒和能量守恒原理。图10示出了整体空调系统性能仿真程序的流程图。其综合性能分析方法分别针对充注和过充注的情况进行了描述。适当充注相应于冷凝器出口处制冷剂的饱和液体状态,使得制冷剂的液体和蒸汽在回收式干燥器中共存。空调系统性能仿真程序的输入数据是蒸发器的入口空气温度,湿度和流量,冷凝器的入口空气温度和速度,压缩机转速,过热度和制冷剂装料量。输出数据包括制冷剂质量流量,蒸发能力,冷凝能力,压缩机工作和COP。

对于R134a,其热力学性质从参考文献[13]引入,当它被适当充注时,其模拟的收敛性如下:

1.初始

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