汽車空調(diào)技術(shù)講義

《汽車空調(diào)技術(shù)》講義主要教材：張蕾主編，汽車空調(diào).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.2（U463.85/37）參考教材：1.方貴銀，李輝編著.汽車空調(diào)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1（U463.85/21）2.闕雄才，陳江平主編.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3（U463.85/23）3.王宜義，王軍編著.汽車空調(diào).西安：西安交通大學(xué)出版社，1995.7第一章緒言1.1汽車空調(diào)定義空調(diào)是空氣調(diào)節(jié)器的簡稱。汽車空調(diào)是空調(diào)領(lǐng)域中的一個分支，它是通過某種方式控制車室內(nèi)空氣的溫度、濕度、清潔度、風(fēng)速，并使其以一定速度在車室內(nèi)流動和分配，為駕駛員及乘客提供舒適環(huán)境空氣處理過程，也就是說汽車空調(diào)裝置應(yīng)具備制冷、供暖、通風(fēng)、凈化空氣、加濕和除濕等多項功能。汽車空調(diào)已大眾化、普及化。日本和歐美的一些發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在生產(chǎn)的新型轎車，絕大部分出廠時就安裝了空調(diào)設(shè)備。不但轎車、旅游客車和公共汽車上裝有空調(diào)設(shè)備，而且在載貨汽車、拖拉機(jī)的駕駛室里以及具有特殊作業(yè)的汽車上，都裝有空調(diào)設(shè)備。可見汽車空凋的使用已經(jīng)相當(dāng)普及。1.2汽車空調(diào)性能的評價指標(biāo)評價汽車空調(diào)質(zhì)量的指標(biāo)主要有四個，即溫度、濕度、風(fēng)速和清潔度。1．溫度在夏季人感到舒適的溫度是22℃～28℃，冬季是16℃～18℃。溫度低于14℃，人會感覺到“冷”，溫度越低，手腳動作就會越僵硬，駕駛員將不能靈活操作。溫度超過28℃，人就會覺得燥熱，精神集中不起來，思維遲鈍，容易造成交通事故。超過40℃，則稱為有害溫度，將對人體的健康造成損害。另外，人體面部所需求的溫度比足部略低，即要求“頭涼足暖”，溫差大約為2℃。2．濕度人覺得舒適的相對濕度夏季是50％～60％，冬季是40％～50％。在這種濕度環(huán)境中，人會覺得心情舒暢。濕度過低，皮膚會癢；濕度過高，人會覺得悶。3．風(fēng)速人在流動的空氣中比在靜止的空氣中要舒適，這是因?yàn)榱鲃拥目諝饽艽龠M(jìn)人體內(nèi)外散熱。所以，空氣流速是汽車空氣調(diào)節(jié)的重要內(nèi)容之一?？諝饬魉僭?.2m/s以下為好，并且以低速變動為佳。4．清潔度由于車內(nèi)空間小，乘員密度大，全封閉空間的空氣極易產(chǎn)生缺氧(O2)和二氧化碳(CO2)濃度過高的現(xiàn)象；汽車發(fā)動機(jī)廢氣中的一氧化碳(CO)和道路上的粉塵都易進(jìn)入車內(nèi)，造成車內(nèi)空氣渾濁，嚴(yán)重影響乘員的身體健康，因此必須對車內(nèi)空氣進(jìn)行凈化處理。1.3汽車空調(diào)的特點(diǎn)和房間空調(diào)器相比，由于汽車空調(diào)裝置使用條件的特殊性，對整車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝調(diào)節(jié)和控制也提出了特殊要求，并增加了難度。例如，1）汽車直接暴露在室外，承受日曬雨淋和泥沙侵蝕，環(huán)境條件惡劣，乘員的出入頻繁及車內(nèi)乘員占空間比大，要求車室內(nèi)的空氣參數(shù)能迅速調(diào)節(jié)到位，因此需要空調(diào)系統(tǒng)必須有一定的儲備能力。2）汽車的門窗面積占整車外表面積的比例較大，給密封和隔熱帶來一定困難。3）車速變化的偶然性（尤其是對于被動式驅(qū)動方式的汽車空調(diào)系統(tǒng)，因車速變化直接影響到空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速）增加了對汽車空調(diào)系統(tǒng)變工況運(yùn)行控制的難度。4）車內(nèi)空間的限制不但給空調(diào)系統(tǒng)的布置造成困難，而且由于部件間的間距有限，在一定程度上影響了換熱器的換熱效果。5）路面顛簸不平引起的振動或因沙石的撞擊，泥沙的腐蝕性等容易引起制冷劑的泄漏。6)車用空調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)、外觀設(shè)計和布置，除必須與車身內(nèi)飾和外觀協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，保持整車的完美以外，還必須考慮其對汽車底盤、車身等結(jié)構(gòu)件及汽車行駛穩(wěn)定性、安全性的影響，這是普通空調(diào)設(shè)計不會碰到的?？傊瑢φ嚳照{(diào)系統(tǒng)的設(shè)計安裝必須綜合考慮動力的消耗、功率的匹配、驅(qū)動方式、車室內(nèi)空氣參數(shù)的要求環(huán)境及工況變化以及經(jīng)濟(jì)性等諸多因素。1.4汽車空調(diào)系統(tǒng)的組成與分類1.4.1汽車空調(diào)系統(tǒng)的組成汽車安裝空調(diào)系統(tǒng)的目的是為了調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣的溫度、濕度，改善車內(nèi)空氣的流動，并且提高空氣的清潔度。因此汽車空調(diào)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)制冷裝置(系統(tǒng))：對車內(nèi)空氣或由外部進(jìn)入車內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行冷卻或除濕，使車內(nèi)空氣變得涼爽舒適。(2)暖風(fēng)裝置主要用于取暖，對車內(nèi)空氣或由外部進(jìn)入車內(nèi)的新鮮空氣進(jìn)行加熱，達(dá)到取暖、除濕的目的。(3)通風(fēng)裝置將外部新鮮空氣吸進(jìn)車內(nèi)，起通風(fēng)和換氣作用。同時通風(fēng)對防止風(fēng)窗玻璃起霧也起著良好作用。(4)加濕裝置在空氣濕度較低的時候，對車內(nèi)空氣加濕，以提高車內(nèi)空氣的相對濕度。(5)空氣凈化裝置除去車內(nèi)空氣的塵埃、臭味、煙氣及有毒氣體，使車內(nèi)空氣變得清潔。將上述各部分全部或部分有機(jī)地組合在一起安裝在汽車上，便組成了汽車空調(diào)系統(tǒng)。在一般的轎車和客、貨車上，通常只有制冷裝置、暖風(fēng)裝置和通風(fēng)裝置，在高級轎車和高級大客車上，才有加濕裝置和空氣凈化裝置。1.4.2汽車空調(diào)系統(tǒng)的分類有不同的分類方法。例如文獻(xiàn)【闕雄才，陳江平主編.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù).】按制冷壓縮機(jī)的驅(qū)動方式分類，將汽車空調(diào)系統(tǒng)（裝置）分為獨(dú)立式、非獨(dú)立式及電力驅(qū)動式；按制冷系統(tǒng)的節(jié)流減壓方法分，有離合器熱力膨脹閥（CCTXV系統(tǒng)）和離合器節(jié)流短管（CCOT系統(tǒng)）兩類；等等。這里以教材分類方法為主。1．按驅(qū)動方式分類汽車空調(diào)系統(tǒng)按驅(qū)動方式可分為非獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)和獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)。(1)非獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)(見圖l-5)空調(diào)制冷壓縮機(jī)由汽車本身的發(fā)動機(jī)驅(qū)動，汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能受汽車發(fā)動機(jī)工況的影響較大，工作穩(wěn)定性較差。尤其是低速時制冷量不足，而在高速時制冷量過剩，并且消耗功率較大，影響發(fā)動機(jī)動力性。這種類型的汽車空調(diào)系統(tǒng)一般多用于制冷量相對較小的中、小型客車上。(2)獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)(見圖1-6)空調(diào)制冷壓縮機(jī)由專用的空調(diào)發(fā)動機(jī)(也稱副發(fā)動機(jī))驅(qū)動，因此汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能不受汽車主發(fā)動機(jī)工況的影響，工作穩(wěn)定、制冷量大，但由于加裝了一臺發(fā)動機(jī)，不僅成本增加，而且體積和質(zhì)量也增加。這種類型的汽車空調(diào)系統(tǒng)多用于大、中型客車上?？傊瑑煞N型式的驅(qū)動各有優(yōu)缺點(diǎn)，至于采用哪種型式，要從各種影響因素分析考慮，如整車布置、整車負(fù)荷、空間位置和發(fā)動機(jī)功率等。2．按結(jié)構(gòu)型式分類汽車空調(diào)按結(jié)構(gòu)型式可分為整體式空調(diào)、分體式空調(diào)以及分散式空調(diào)。(1)整體式空調(diào)將副發(fā)動機(jī)、壓縮機(jī)、冷凝器和蒸發(fā)器通過傳動帶、管道連接成一個整體，安裝在一個專用機(jī)架上，構(gòu)成一個獨(dú)立總成，由副發(fā)動機(jī)帶動，通過車內(nèi)通風(fēng)管將冷風(fēng)送入車內(nèi)。(2)分體式空調(diào)將壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器以及獨(dú)立式空調(diào)的副發(fā)動機(jī)部分或全部分開布置，用管道聯(lián)接成一個制冷系統(tǒng)。(3)分散式空調(diào)將蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等各部件分散安裝在汽車各個部位，并用管道相聯(lián)接。轎車、中小型客車及貨車都采用這種結(jié)構(gòu)形式。3．按蒸發(fā)器的布置方式分類汽車空調(diào)按蒸發(fā)器的布置方式可分為儀表臺板式空調(diào)、頂置式空調(diào)。(1)儀表臺板式經(jīng)常稱為前置式空調(diào)，蒸發(fā)器安裝在儀表臺板之下，與車內(nèi)內(nèi)飾融為一體，布置美觀，如微型轎車及微型單、雙排座車均采用這種方式，這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是前排冷氣效果好，第二排次之。但微型客車的第二排冷氣效果則較差。(2)頂置式空調(diào)蒸發(fā)器吊置于車內(nèi)頂上，因此俗稱頂置式空調(diào)，一般常安裝于中部，有的人稱其為中央空調(diào)。這種布置方式的優(yōu)點(diǎn)是車內(nèi)降溫平衡，整體降溫平衡，克服了儀表臺板式空調(diào)的缺點(diǎn)。4．按蒸發(fā)器和冷凝器的數(shù)量的不同分類汽車空調(diào)按蒸發(fā)器和冷凝器的數(shù)量可分為單蒸單冷式、單蒸雙冷式、雙蒸單冷式和雙蒸雙冷式。(1)單蒸單冷式一個蒸發(fā)器、一個冷凝器。微型車普遍采用這種方式，如夏利微型轎車和云雀微型轎車。(2)單蒸雙冷式一個蒸發(fā)器、兩個冷凝器、一般是由于冷凝器的安裝位置受限，冷凝器只能平置，無迎風(fēng)效果，于是安裝一個副冷凝器，在主冷凝器與副冷凝器之間形成“串聯(lián)”聯(lián)接。(3)雙蒸單冷式兩個蒸發(fā)器、一個冷凝器。這種結(jié)構(gòu)一般是一個前置式蒸發(fā)器(儀表臺板式)和一個頂置式蒸發(fā)器，兩個蒸發(fā)器之間“并聯(lián)”聯(lián)接，前置式蒸發(fā)器主要用于前排(駕駛員)及第二排的制冷，而頂置式蒸發(fā)器用于后兩排的制冷，車內(nèi)降溫比較平衡。(4)雙蒸雙冷式兩個蒸發(fā)器、兩個冷凝器。雙蒸發(fā)器帶來了系統(tǒng)的不匹配，特別是高壓太高，而主冷凝器又由于空間的限制不能做得太大，這時就需增加副冷凝器，系統(tǒng)高壓會變得非常理想。但這種布置方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管路接頭多、易泄漏、成本較高、安裝也要困難些。1.5汽車空調(diào)發(fā)展史自1886年德國的卡爾.本茨（KarlBenz）造出第一輛汽車至今百余年來，汽車工業(yè)發(fā)展很快，各類汽車（普通型小轎車、大客車、旅游車等各種專用車）已經(jīng)成為日前人們的重要交通工具，汽車工業(yè)也已成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和人們物質(zhì)文明水準(zhǔn)的提高，人們逐漸注重對汽車的舒適性要求，因而汽車空調(diào)技術(shù)也得以相應(yīng)發(fā)展。汽車空調(diào)的起步約比汽車的問世落后半個世紀(jì)，但它的發(fā)展速度卻很快，這不但表現(xiàn)在數(shù)量上（全世界汽車中40％已裝有空調(diào)），而且在結(jié)構(gòu)性能上也有很大改善。1927年在美國問世的第一臺空調(diào)系統(tǒng)只含有一個加熱器、一個空氣過濾器和一套通風(fēng)系統(tǒng)，因此它僅能供暖。美國Packard公司第一次以機(jī)械方式制冷用于車用空調(diào)是在1940年，隨后于1954年第一臺冷暖一體化的整體式空調(diào)設(shè)備已安裝在美國Nash牌小汽車上，不久于1960年在Cadillac轎車上即出現(xiàn)了第一臺自動控溫的汽車空調(diào)裝置。1979年，美國和日本共同推出了微機(jī)控制的空調(diào)系統(tǒng)，它不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示和操作自動化，而且對壓縮機(jī)等主要部件的工作可進(jìn)行最佳控制，在自動選擇室內(nèi)、外進(jìn)出風(fēng)量方面也進(jìn)行了滿意解決。半個多世紀(jì)來，汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在追求整個空調(diào)系統(tǒng)的小型輕量化，減少能源消耗和實(shí)現(xiàn)自動控制方面。汽車空調(diào)技術(shù)的發(fā)展是從低級到高級，由功能簡單向功能齊全方向發(fā)展的，其發(fā)展過程可以概括為以下五個階段：第一階段：單一供暖，即利用房間取暖的方法的汽車空調(diào)。1925年首先在美國出現(xiàn)利用汽車?yán)鋮s液通過加熱器的方法取暖。到1927年發(fā)展到具有加熱器、鼓風(fēng)機(jī)和空氣濾清器等比較完整的供熱系統(tǒng)。目前在寒冷的北歐、亞洲北部地區(qū)，汽車空調(diào)仍然使用單一供暖系統(tǒng)。第二階段：單一制冷的汽車空調(diào)。1939年，由美國通用汽車帕克公司(PACKARD)首先在轎車上安裝機(jī)械制冷降溫的空調(diào)器，成為汽車空調(diào)的先驅(qū)。目前在熱帶、亞熱帶地區(qū)，汽車空調(diào)仍然使用單一制冷系統(tǒng)。如廣東、海南島使用的空調(diào)出租汽車，大部分只有制冷降溫功能。第三階段：冷暖一體化的汽車空調(diào)。1954年美國通用汽車公司，首先在納什(NASH)轎車上安裝了冷暖一體化的空調(diào)器，汽車空調(diào)才基本上具有調(diào)節(jié)控制車內(nèi)溫度、濕度的功能。隨著汽車空調(diào)技術(shù)的改進(jìn)，目前冷暖一體的空調(diào)基本上具有降溫、除濕、通風(fēng)、過濾和除霜等功能。第四階段：自動控制的汽車空調(diào)。冷暖一體汽車空調(diào)需要人工操縱，增加了駕駛員的工作量，同時控制質(zhì)量也不太理想。1964年美國通用汽車公司將自動控制的汽車空調(diào)安裝在凱迪拉克轎車上。這種自動空調(diào)裝置只要預(yù)先設(shè)置好溫度，機(jī)器就能自動地在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)工作，達(dá)到調(diào)節(jié)車內(nèi)空氣的目的。第五階段：微型計算機(jī)控制的汽車空調(diào)。1973年美國通用汽車公司和日本五十鈴汽車公司一起聯(lián)合研究微型計算機(jī)控制的汽車空調(diào)系統(tǒng)，1977年同時安裝在各自生產(chǎn)的汽車上。微型計算機(jī)控制的汽車空調(diào)功能增加了顯示數(shù)字化，冷、暖、通風(fēng)三位一體化。微型計算機(jī)根據(jù)車內(nèi)外的環(huán)境條件，控制空調(diào)器的工作，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)運(yùn)行與汽車運(yùn)行的相關(guān)統(tǒng)一，極大地提高了調(diào)節(jié)效果、節(jié)約了燃料，從而提高了汽車的整體性能和最佳的舒適性。目前微型計算機(jī)控制的汽車空調(diào)都裝在高級汽車上，如福特公司的林肯、豐田汽車公司的凌志、本田汽車公司的雅閣和三菱大客車等。1.6我國汽車空調(diào)的發(fā)展現(xiàn)狀在20世紀(jì)60年代，我國曾經(jīng)有利用汽車發(fā)動機(jī)排出的高溫廢氣來取暖的供熱系統(tǒng)，并在60～70年代生產(chǎn)的北京吉普和北方的一些長途客車上應(yīng)用。1976年以來，上海、南京、廣東等地開始生產(chǎn)汽車空調(diào)設(shè)備，但這些產(chǎn)品大多數(shù)是為轎車配套的。20世紀(jì)80年代初期，我國從日本購進(jìn)降溫用汽車制冷系統(tǒng)，裝在我國生產(chǎn)的紅旗、上海、伏爾加等小轎車上，并發(fā)展成單一的降溫汽車空調(diào)。20世紀(jì)80年代中后期，我國第一汽車制造廠以及上海、北京、湖南、廣州、佛山等地分別從日本、德國引進(jìn)先進(jìn)的空調(diào)生產(chǎn)線和空調(diào)技術(shù)，使我國的汽車空調(diào)技術(shù)接近世界水平，為我國的汽車空調(diào)發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。我國現(xiàn)有主要汽車空調(diào)生產(chǎn)廠家20多家，其中絕大部分都引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)線和生產(chǎn)設(shè)備，還有些是中外合資企業(yè)，國內(nèi)汽車空調(diào)技術(shù)的研究和開發(fā)與國外的差距正在逐漸縮小。從市場占有情況看，由于目前大多數(shù)汽車空調(diào)生產(chǎn)未具規(guī)模，加上汽車空調(diào)種類繁多，國內(nèi)汽車空調(diào)銷售市場僅為幾家所壟斷。其中上海德爾福汽車空調(diào)系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的愛斯牌汽車空調(diào)為別克、帕薩特、桑塔納、捷達(dá)、富康、切諾基等車型配套；杰克賽爾汽車空調(diào)有限公司生產(chǎn)的空調(diào)主要為奧迪、紅旗轎車及解放牌重、中、輕型車配套；湖北沙市電工儀表集團(tuán)生產(chǎn)為東風(fēng)汽車公司、神龍富康汽車公司配套的載貨車空調(diào)和富康轎車空調(diào)；廣州豪華空調(diào)器有限公司生產(chǎn)為海南馬自達(dá)、奧拓、廣州本田、長安之星配套的車用空調(diào)。隨著我國汽車配件市場的逐步放開，國內(nèi)汽車空調(diào)生產(chǎn)廠家面臨國外汽車空調(diào)專業(yè)生產(chǎn)廠家的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此國內(nèi)汽車空調(diào)生產(chǎn)如何走上專業(yè)化、規(guī)?；?jīng)營之路，將成為我國未來幾年汽車空調(diào)業(yè)迫切需要解決的問題。1.7汽車空調(diào)的發(fā)展方向當(dāng)前，從市場需求方面看，汽車空調(diào)裝置應(yīng)進(jìn)一步降低成本，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；從制造方面看，隨著車廂地板的降低以及車輛向大型化、高級化發(fā)展，需進(jìn)一步提高汽車空調(diào)各組成裝置的緊湊性和效率；從乘員和駕駛員方面看，車內(nèi)溫度要合理分布、設(shè)備操作要簡便，空調(diào)裝置應(yīng)向全季節(jié)型發(fā)展。1．日趨自動化早期的汽車空調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)出風(fēng)系統(tǒng)、冷氣系統(tǒng)和暖氣系統(tǒng)彼此間互相獨(dú)立，因而它們的控制系統(tǒng)也自成一體，且汽車空調(diào)都是手動控制，僅憑人的感覺來調(diào)節(jié)開關(guān)，因而溫度、濕度及風(fēng)量很難控制。近年來，隨著電子計算機(jī)的普及并逐步應(yīng)用到汽車空調(diào)系統(tǒng)，使得空調(diào)系統(tǒng)的控制效果日趨完善，空調(diào)設(shè)備的性能也越來越高。使用這種空調(diào)系統(tǒng)能進(jìn)行全天候的空氣調(diào)節(jié)，集制冷、采暖、通風(fēng)于一體。在人為設(shè)定的最佳溫度、濕度及風(fēng)量的情況下，該系統(tǒng)可根據(jù)車廂內(nèi)人員數(shù)量及其他情況的變化進(jìn)行多擋位、多模式的微調(diào)，從而達(dá)到設(shè)定的最佳值，使車內(nèi)始終保持舒適的人工氣候環(huán)境，同時可進(jìn)行故障自動診斷和數(shù)字顯示，從而縮短其檢修和準(zhǔn)備時間。2．提高舒適性當(dāng)前不少汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷和采暖是各自獨(dú)立的系統(tǒng)。每當(dāng)梅雨季節(jié)，車窗玻璃上常常蒙上霧氣，若要去掉霧氣，必須起動冷氣裝置，但這樣會使車內(nèi)太冷。為了克服此缺點(diǎn)，目前正在開發(fā)一種全季節(jié)型的空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有換氣、采暖、除濕、制冷等功能，夏天由發(fā)動機(jī)驅(qū)動制冷系統(tǒng)，冬天由加熱器制熱采暖，過渡季節(jié)(如梅雨季節(jié))則采用制冷與采暖混合吹出溫和風(fēng)進(jìn)行除濕。使車廂內(nèi)換氣情況達(dá)到最佳狀態(tài)。3．高效節(jié)能、小型輕量化要進(jìn)一步降低空調(diào)裝置的重量和外形尺寸，必須提高各組成裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性和效率。在壓縮機(jī)方面，以往的空調(diào)系統(tǒng)多采用斜板式壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)制冷能力相對較低，性能系數(shù)和容積效率也相對較小。為了提高壓縮機(jī)性能，現(xiàn)已使用了制冷效率高的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和三角轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)。在冷凝器和蒸發(fā)器方面，管片式換熱器已逐漸被管帶式換熱器取代。而目前散熱性能更佳，結(jié)構(gòu)更為緊湊的平行流冷凝器和層疊式蒸發(fā)器又有取代管帶式換熱器的趨勢。在制冷管路方面，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計使管路結(jié)構(gòu)更為合理，并在管路上裝配防振橡膠塊以防共振等。4．向環(huán)保型汽車空調(diào)發(fā)展目前所使用的汽車空調(diào)制冷劑R12對大氣臭氧層有一定的破壞作用，根據(jù)“蒙特利爾議定書”規(guī)定，發(fā)達(dá)國家1996年開始禁用R12，發(fā)展中國家2006年完全禁用R12。因此世界各國都在積極研制一種更適合環(huán)境保護(hù)的新型制冷劑。目前世界各國一致公認(rèn)R134a是R12的首選替代物，并基本上解決了空調(diào)系統(tǒng)的匹配和材料等一系列問題。5．采用空調(diào)新技術(shù)空調(diào)制冷方式有許多種，目前應(yīng)用于汽車空調(diào)的制冷方式全部為蒸汽壓縮式。其他制冷方式，如吸收式、吸附式、蒸汽噴射式、空氣壓縮式等，很少在汽車空調(diào)上采用。但利用發(fā)動機(jī)的余熱來驅(qū)動制冷系統(tǒng)是一個理想的節(jié)能方案，所以世界各國都在研究這種新技術(shù)。(1)氫化物汽車空調(diào)系統(tǒng)以色列發(fā)明了一種利用汽車排氣余熱作動力的汽車空調(diào)。這種新型汽車空調(diào)系統(tǒng)利用金屬氫化物作制冷劑，通過在不同溫度下金屬氫化物釋放或吸收氫氣的特點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)制冷。詳細(xì)情況可參考教材。(2)固體吸附制冷汽車空調(diào)系統(tǒng)固體吸附制冷是利用某些固體物質(zhì)在一定溫度、壓力下能吸附某種氣體或水蒸氣，在另一溫度、壓力下又能把它釋放出來的特性，通過吸附與解吸過程導(dǎo)致壓力變化，從而起到了壓縮機(jī)的作用。詳細(xì)情況可參考教材。(3)吸收式汽車空調(diào)系統(tǒng)吸收式制冷也是以熱能為動力，利用由兩種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成溶液的氣液平衡特性來完成制冷循環(huán)的。(4)二段式(也稱二級)制冷循環(huán)汽車空調(diào)系統(tǒng)二段式制冷循環(huán)(見圖1－4)是將有不安全因素的制冷工質(zhì)循環(huán)放在車廂外側(cè)(如轎車發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi))，通過中間制冷劑將車外蒸發(fā)器的冷量帶入車廂內(nèi)的風(fēng)機(jī)熱交換器中，制冷劑可以是可用于發(fā)動機(jī)冷卻的乙醇冷卻液。這種系統(tǒng)的樣機(jī)已表明其制冷量與目前的R134a系統(tǒng)相當(dāng)，很可能成為CO2、碳?xì)浠衔锘騌l52a等工質(zhì)采用的空調(diào)系統(tǒng)。2002年底20輛豐田電動轎車上安裝了日本電裝公司的CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)，這是世界上首次批量采用CO2空調(diào)系統(tǒng)的汽車。我國也開始進(jìn)行這方面的科研工作，上海易初通用機(jī)器有限公司與上海交通大學(xué)正在合作進(jìn)行低壓CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的探索。第二章空氣調(diào)節(jié)基礎(chǔ)(王宜義，王軍編著.汽車空調(diào).西安：西安交通大學(xué)出版社，1995.7)2.1基本概念一、濕空氣干空氣：空氣中除水蒸氣以外的氣體混合物濕空氣：干空氣和水蒸氣組成的混合物（理想氣體）濕空氣的基本狀態(tài)參數(shù)：溫度T或t、壓力p、比容v或密度ρ，服從理想氣體狀態(tài)方程：SKIPIF1<0或SKIPIF1<0式中：R表示氣體常數(shù)SKIPIF1<0，取決于氣體性質(zhì)。干空氣SKIPIF1<0；水蒸氣SKIPIF1<0。大氣壓力是指地球表面上的空氣層的重量對單位面積上所造成的壓力。定義在緯度為45o處海平面上的平均壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝1.01325×105Pa。大氣壓力隨地區(qū)的海拔高度不同而不同，在同一地區(qū)，由于季節(jié)變化和天氣晴雨變化也有差別。例如，上海市海拔為4.5m，夏季大氣壓力為100.5kPa，冬季為103.5kPa，而海拔為3658m的西藏拉薩地區(qū)，夏季大氣壓力僅為69.19kPa，冬季為65.07kPa。大氣壓力SKIPIF1<0SKIPIF1<0為干空氣的分壓力，SKIPIF1<0為水蒸氣的分壓力。空氣中水蒸氣越多，水蒸氣的分壓力越大。二、含濕量d含濕量d：每千克干空氣中所含水蒸氣的量。對于質(zhì)量為G的干空氣和水蒸氣，由理想氣體狀態(tài)方程，可寫出SKIPIF1<0，SKIPIF1<0利用SKIPIF1<0，并將SKIPIF1<0，SKIPIF1<0代入，得SKIPIF1<0SKIPIF1<0因?yàn)镾KIPIF1<0，所以d幾乎與水蒸氣分壓力成正比，與空氣的壓力成反比。對某一地區(qū)來說，大氣壓力基本上不變，可視為定值。因此含濕量就只與水蒸氣分壓力有關(guān)。在空調(diào)計算中，往往以含濕量的變化量來表達(dá)加濕或除濕的程度。例1-1已知某地區(qū)的大氣壓力B＝99325Pa，空氣中的水蒸氣分壓力Pq＝1550Pa。試求含濕量。[解]SKIPIF1<0SKIPIF1<0三、相對濕度φ在一定溫度下，濕空氣所含的水蒸氣有一個最大限度，超過這一限度，多余的水蒸氣就會從濕空氣中凝結(jié)出來。含有最大限度的水蒸氣的濕空氣稱為飽和空氣。飽和空氣所具有的水蒸氣分壓力和含濕量，稱為該溫度下濕空氣的飽和水蒸氣分壓力和飽和含濕量。相對濕度φ：空氣中水蒸氣分壓力SKIPIF1<0和同溫度下的飽和水蒸氣分壓力SKIPIF1<0之比。SKIPIF1<0SKIPIF1<0——干空氣，有很強(qiáng)的吸收水蒸氣的能力；SKIPIF1<0——飽和空氣，不能再吸收水蒸氣。含濕量和相對濕度之間有聯(lián)系，它們相互補(bǔ)充，但不能相互替代。含濕量只表示水蒸氣的含量多少，不能反映空氣達(dá)到飽和的程度；相對濕度則說明濕空氣接近飽和的程度，不表示水蒸氣在濕空氣中的含量。SKIPIF1<0，SKIPIF1<0，d與φ由露點(diǎn)結(jié)合。四、其他狀態(tài)參數(shù)（h、υ、ρ）1、空氣的焓h空氣的焓h是指濕空氣所含有的總熱量，SKIPIF1<0定壓比熱容cp定義為在壓力不變的條件下，lkg物質(zhì)溫度升高1oC所需要的熱量，單位是kJ/(kg·oC)。干空氣的定壓比熱容SKIPIF1<0kJ/(kg·oC)水蒸氣的定壓比熱容SKIPIF1<0kJ/(kg·oC)濕空氣的焓等于1kg干空氣和0.001d千克水蒸氣兩者焓之和，即SKIPIF1<0kJ/kg式中2500kJ/kg是在0oC時把1kg水變成0oC的水蒸氣所需要的汽化熱。由上式可知，在計算空氣焓時是以1kg干空氣作為基數(shù)進(jìn)行計算的，濕空氣的量是（1+0.001d）kg。h=(1.005+0.001*1.84d)t+2.5dkJ/kg第一部分直接與溫度有關(guān)，為濕空氣的顯熱部分，第二部分與溫度無直接關(guān)系，為濕空氣的潛熱部分。在空調(diào)計算中，用焓來表示空氣是得熱還是失熱。2、空氣的比容υ和密度ρ比容υ：單位質(zhì)量的空氣所占有的容積，m3/kg密度ρ：單位容積中所含有的空氣質(zhì)量，kg/m3SKIPIF1<0m3/kg濕空氣的密度由干空氣和水蒸氣組成，兩種氣體是均勻混合的，并且共同占有相同的容積和具有相同的溫度，所以：SKIPIF1<0將SKIPIF1<0，SKIPIF1<0以及SKIPIF1<0代入上式，徑整理得到SKIPIF1<0kg/m32.2濕空氣的焓濕圖（h-d圖）及其應(yīng)用一、焓濕圖在空調(diào)的計算中，為簡便起見，通常將狀態(tài)參數(shù)繪制成圖線形式，從而可將冗長的計算工作轉(zhuǎn)化為查圖工作，方便很多。常用的空氣狀態(tài)圖為焓濕圖。圖1-1是焓濕圖的示意圖。焓濕圖通常是針對某一特定的大氣壓力B繪制而成。以焓h為縱坐標(biāo)，以含濕量d為橫坐標(biāo)。為使圖線清晰和圖面開闊起見，兩坐標(biāo)軸之間的夾角為135o，圖上參變量為溫度t和相對濕度φ。圖上有四組線：等含濕量線簇d、等焓線簇h、等溫線簇t、等相對濕度線簇φ。等含濕量線（d＝常數(shù)）為垂直線，等溫線（t＝常數(shù)）近乎為水平線（只有t=0℃的等溫線才是水平的），等相對濕度線（φ＝常數(shù)）為一組曲線。注意：圖上φ＝100％的線是空氣的飽和狀態(tài)線，它將圖分成兩個區(qū)，上面部分為未飽和空氣區(qū)，下面部分為過飽和空氣區(qū)（霧濕區(qū)），在這個區(qū)域內(nèi)空氣狀態(tài)是不存在的，因?yàn)榭諝獾南鄬穸炔豢赡艽笥?00％。二、焓濕圖的應(yīng)用焓濕圖的應(yīng)用十分廣泛，并且直觀，其計算方便而計算結(jié)果又是在工程允許的偏差范圍內(nèi)。主要應(yīng)用包括：確定空氣的狀態(tài)參數(shù)；求空氣的露點(diǎn)溫度；求空氣的濕球溫度等。1．確定空氣的狀態(tài)參數(shù)前面介紹了濕空氣的四個狀態(tài)參數(shù)：焓h、含濕量d、溫度t、相對濕度φ。在四個狀態(tài)參數(shù)中，只有兩個是獨(dú)立的，即只要已知任意兩個參數(shù)，其他參數(shù)也就可以相應(yīng)確定。如圖1-2，h-d圖上的每一個點(diǎn)都代表了空氣的一個狀態(tài)，這個點(diǎn)是由2個參數(shù)規(guī)定的，一旦這個點(diǎn)確定下來，在這個點(diǎn)上的其他狀態(tài)參數(shù)也就相應(yīng)地確定。例：已知大氣壓為101.325kPa，室內(nèi)空氣溫度t=26℃，相對濕度φ＝55％，求空氣的含濕量和焓值。[解]選用B=101.325kPa的h-d圖；在圖上找出溫度t=26℃的等值線和φ＝55％的相對濕度線，兩條線的交點(diǎn)A即為所求的空氣狀態(tài)點(diǎn)；從圖上讀出含濕量dA=0.01156kg/kg干空氣，焓值hA=55.58kJ/kg干空氣。還可以從圖中查出在這個狀態(tài)下的水蒸氣分壓為1848.32Pa和水蒸氣飽和壓力SKIPIF1<0。2．求空氣的露點(diǎn)溫度什么是露點(diǎn)溫度？日常生活現(xiàn)象：冬季玻璃窗的玻璃內(nèi)表面上有結(jié)露現(xiàn)象，夏季在自來水管外表面上有滴水現(xiàn)象，它們屬于物體表面的溫度低于空氣的露點(diǎn)溫度所致?？諝庵兴魵夂窟_(dá)到飽和（最大限度值）時的溫度稱為空氣的露點(diǎn)溫度。在含濕量不變的條件下，溫度高于該露點(diǎn)溫度，飽和空氣變成未飽和空氣，溫度降低，會有水蒸氣不斷地從空氣中凝結(jié)出來。露點(diǎn)溫度可以在h-d圖上很方便地求得。如圖1-3，圖上A點(diǎn)處于未飽和空氣狀態(tài)，具有某一溫度tA和相對濕度φA。自A點(diǎn)作等含濕量冷卻，即自A點(diǎn)沿垂直線向下，經(jīng)冷卻后的空氣相對濕度增加，溫度愈低相對濕度愈高。直到與飽和線φ＝100％相交，交點(diǎn)為露點(diǎn)L，與之相應(yīng)的溫度即為露點(diǎn)溫度tl。露點(diǎn)溫度與含濕量有關(guān)，含濕量大則露點(diǎn)溫度高，含濕量相同的濕空氣有相同的露點(diǎn)溫度。3．求空氣的濕球溫度在空調(diào)工程中，廣泛地應(yīng)用干濕球溫度計來測量空氣的相對濕度，進(jìn)而計算出其他參數(shù)。干濕球溫度計是由兩根相同的溫度計組成，如圖1-4。其中一根的感溫包裸露在被測的空氣中，其讀數(shù)為干球溫度，就是我們通常所講的氣溫。另一根溫度計的感溫包上裹以清潔的脫脂紗布，紗布的一端浸入盛蒸餾水的容器中，在毛細(xì)現(xiàn)象作用下，紗布被浸潤，過了一段時間后這根溫度計的讀數(shù)低于干球溫度，包有紗布的溫度計測得的溫度稱為濕球溫度。濕球溫度也是空氣的狀態(tài)參數(shù)之一。濕球溫度為什么會低于干球溫度？可從熱濕交換原理加以說明，具體參考王宜義編著《汽車空調(diào)》（西安交通大學(xué)出版社，1995年）。干濕球溫度之差反映了空氣相對濕度的大小。如果干濕球溫度差等于0，表明周圍空氣達(dá)到飽和。注意：空調(diào)技術(shù)中所定義的濕球溫度要求流過濕球表面的風(fēng)速為2.5~4m/s以上，因?yàn)轱L(fēng)速太小時空氣與濕球表面熱濕交換不完善，濕球溫度過高。2.3汽車空調(diào)的舒適性(闕雄才，陳江平主編.汽車空調(diào)實(shí)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.3P58－65)“舒適”是一個范圍比較廣的概念。汽車上的舒適性是指為乘員提供舒適、愉快、便利的乘坐環(huán)境與條件，包括良好的平順性、低的車內(nèi)噪聲、適宜的空氣環(huán)境、良好的居住性能，以及良好的駕駛操作性能。從上述定義中可見，空調(diào)的舒適概念是指適宜的空氣環(huán)境?？照{(diào)的舒適度是一個模糊量，以往一直被人們作為精確量來處理，實(shí)際上是不太科學(xué)的。如人體感覺的冷與熱、干與濕，風(fēng)速的大與小，舒適程度的高與低，都是一種模糊量。很難以一條明顯界限來判斷“是”與“否”。影響舒適度的因素是很多的，不同的年齡、性別、衣著、種族、習(xí)慣、健康狀況、動作狀況、心理、情緒，對舒適性的感覺都是不一樣的，它們的關(guān)系可用圖4-4表達(dá)。車室內(nèi)舒適性是由乘員、司機(jī)、工作人員對溫度、濕度、空氣流速、車廂內(nèi)空氣的壓力、潔凈度、氣味、噪聲、振動等指標(biāo)的感受和反映來決定的。經(jīng)驗(yàn)表明，在已給定的空調(diào)車室內(nèi)，并不是每一個人都能對某一組條件感到舒適，其中包括每個人衣著、年齡、性別、國別、個人活動量、身體素質(zhì)等諸因素，舒適感由很多因素綜合效果來決定，熱舒適理論及國際標(biāo)準(zhǔn)在分析室內(nèi)環(huán)境的熱舒適性時，提出六個要素，其中四個與環(huán)境有關(guān)，即空氣的干球溫度、房間的平均輻射溫度、空氣中水蒸氣分壓力和空氣的相對流動速度。另外兩個要素與人有關(guān)，即人體的新陳代謝率和服裝的熱阻值。從影響舒適性重要性排列，其次序是溫度、濕度、空氣流速、噪聲、壓力、氣味、灰塵、細(xì)菌等。一般情況下只控制上述前三個要素。2.3.1熱舒適性與熱感覺1．人體能量平衡人體連續(xù)不斷地產(chǎn)生熱量，在不同的狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量并不相同，人體在靜坐時產(chǎn)生的熱量約為100W左右，在劇烈運(yùn)動時產(chǎn)生的熱量大約為1000W左右。人體靠攝取食物(糖、蛋白質(zhì)等碳水化合物)獲得能量維持生命。食物在人體新陳代謝過程中被分解氧化．同時釋放出能量。其中一部分直接以熱能形式維持體溫恒定并散發(fā)到體外，其它為機(jī)體所利用的能量，最終也都轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)到體外。人體為維持正常的體溫．必須使產(chǎn)熱和散熱保持平衡，人體熱平衡可用下式表示：S=M－W－E－R－C(4-13)式中S——人體蓄熱率（W/㎡）；M——人體能量代謝率（W/㎡），它決定于人體的活動量大??；W——人體所作的機(jī)械功（W/㎡）；E——汗液蒸發(fā)和呼出的水蒸氣所帶走的熱量（W/㎡）；R——穿衣人體外表面與周圍表面間的輻射換熱量（W/㎡）；C——穿衣人體外表面與周圍環(huán)境之間的對流換熱量（W/㎡）。在穩(wěn)定的環(huán)境條件下，s應(yīng)為零，這時，人體保持了能量平衡。如果周圍環(huán)境空氣溫度提高，則人體的對流和輻射散熱量將減少；為了保持熱平衡，人體會運(yùn)用自身的自動調(diào)節(jié)機(jī)能來加強(qiáng)汗腺分泌。這樣，由于排汗量和消耗在汗分蒸發(fā)上的熱量的增加，在一定程度上會補(bǔ)償人體對流和輻射散熱的減少。當(dāng)人體余熱量難以全部散出時，余熱量就會在體內(nèi)蓄存起來．于是式(4-13)中s變?yōu)檎担瑢?dǎo)致體溫上升，人體會感到很不舒適，體溫增到40℃時，出汗停止，如不采取措施，則體溫迅速上升，當(dāng)體溫上升到43.5℃時，人即死亡。2．人體與環(huán)境的熱交換Fanger(1967、1970年)，Hardy(1949年)，RappandGagge(1967年)，GaggeandHardy(1967年)等人，先后給出了計算人體與環(huán)境進(jìn)行熱交換的方法。人體與環(huán)境的熱交換主要通過對流、輻射和水分蒸發(fā)散熱的方式完成的。這一傳熱過程受活動強(qiáng)度、衣著情況、空氣溫度、空氣濕度、空氣流速、車廂壁體溫度等6個熱舒適度參數(shù)的影響。不同的傳熱機(jī)理對應(yīng)著總負(fù)荷的不同部分。比值的大小因不同參數(shù)而異。隨著空氣溫度的升高，對流換熱減少，而蒸發(fā)造成的潛熱卻增加。溫度較高時，蒸發(fā)散熱有時必須用來抵消射入的輻射。如在小轎車內(nèi)，即使溫度較低，射入車廂的太陽輻射也可以使人體的得熱達(dá)到必須加以考慮的程度。這部分過高的得熱，必須由體表水分的額外蒸發(fā)來加以平衡。因此從人體傳到空氣的熱量可能會多于人體自身的產(chǎn)熱量，其差值是靠額外蒸發(fā)來彌補(bǔ)的。因?yàn)榕c對流傳熱有關(guān)的參數(shù)是完全穩(wěn)定的，又因?yàn)槿梭w恒定的體溫以及固定的衣著，所以通過改變熱量損失的體溫調(diào)節(jié)機(jī)制只能在潛熱范圍內(nèi)。體表溫度的升高只能在極小范圍內(nèi)發(fā)生，而且車室內(nèi)空氣溫度和空氣流速不能分別調(diào)整。對于固定的車體溫度和給定的布局，輻射換熱也隨著不同的位置改變而改變。3．人體熱調(diào)節(jié)機(jī)理在工程實(shí)際中，人體與環(huán)境的熱交換及其調(diào)節(jié)照例用簡圖4-5來描述。人體的特點(diǎn)與其它脊椎(熱血)動物一樣，就是恒溫。但是，對于整個身體不能說是恒溫，因?yàn)閮?nèi)部器官的溫度(內(nèi)部溫度)與身體表面的溫度有明顯差別。通常，恒溫是指內(nèi)部溫度，在正常條件下，人的肌體溫度保持在37±0.5℃的水平上，為了使人體產(chǎn)熱量和散熱量平衡，人的機(jī)體應(yīng)該具有相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在調(diào)節(jié)人體溫度的生理學(xué)過程中，保證維持恒定體溫的辦法有：與產(chǎn)熱量有關(guān)的化學(xué)調(diào)節(jié)過程；與散熱量有關(guān)的生理學(xué)調(diào)節(jié)過程。4．熱舒適性與熱感覺“熱舒適”這一術(shù)語在研究人體對熱環(huán)境的主觀熱反應(yīng)時已被廣泛應(yīng)用。在美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)(ASHRAEStandard55—1992)中，熱舒適有明確定義，即熱舒適是對熱環(huán)境表示滿意的意識狀態(tài)。這一定義當(dāng)前已被普遍接受。“舒適”一詞解釋是滿意、高興及愉快。但到目前為止，在對熱舒適的解釋上大致有兩種不同的認(rèn)識：一種認(rèn)為熱舒適和熱感覺是相同的，或者熱感覺處于中性(即不冷不熱)就是熱舒適。擴(kuò)大一點(diǎn)，將微涼到微暖的主觀反應(yīng)區(qū)稱為熱舒適區(qū)，當(dāng)然，在具有這些熱感覺的同時，空氣濕度不應(yīng)過高或過低，風(fēng)速也必須維持在較低的水平(如低于0.2m/s)；也有人解釋熱舒適為“一種對環(huán)境既不感到熱也不感到冷的舒適狀態(tài)，也就是人們在這種舒適狀態(tài)下會有‘中性’的熱感覺”。Fanger在其《熱舒適》一書的解釋是“熱中性和熱舒適是一樣的，且這兩個概念以后以同義來對待?！标P(guān)于熱舒適和熱感覺的區(qū)別，早在1917年，Ebbeke就提出“熱感覺與皮膚熱感受器的活動有聯(lián)系，而熱舒適依賴于來自熱調(diào)節(jié)中心的熱調(diào)節(jié)反應(yīng)”。從圖4-6可以看出，熱感覺主要是皮膚感受器在熱刺激下的反應(yīng)，而熱舒適則是綜合各種感受器的熱刺激信號，形成集總的熱激勵而產(chǎn)生。圖4-6中虛線表示一種可能性，熱舒適則包含舒適與不舒適兩種可能性。但是，通常情況下熱舒適和熱感覺不作區(qū)分，認(rèn)為熱感覺和熱舒適是一回事。2.3.2穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)熱舒適性1．穩(wěn)態(tài)熱舒適性評價方法：PMV-PPD方法和ET*方法穩(wěn)態(tài)熱舒適性是以穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境為條件的，以人體的主觀熱感覺處于中性，風(fēng)速不大于0.15m/s，相對濕度為50％為最舒適的熱環(huán)境。P.O.Fanger收集了1396名美國與丹麥?zhǔn)茉噷ο蟮睦錈岣杏X資料，提出了表征人體熱反應(yīng)(冷熱感)的評價指標(biāo)，即預(yù)期平均評價PMV：式中M——人體能量代謝率(W/m2)，它決定于人體的活動量大??；W——人體所作的機(jī)械功(W/m2)；pa——人體周圍空氣的水蒸氣的壓力(Pa)；ta——人體周圍空氣溫度(℃)；fcl——穿衣服人體外表面積與裸身人體表面積之比，稱穿衣面積系數(shù)；Tcl一一衣服外表面溫度(℃)；SKIPIF1<0——車室平均輻射溫度(℃)。PMV的熱感覺標(biāo)尺見表4-1PMV指標(biāo)代表了對同一環(huán)境絕大多數(shù)人的冷熱感覺，因此可用PMV指標(biāo)預(yù)測熱環(huán)境下人體的熱反應(yīng)。由于人與人之間生理的差別，故用預(yù)期不滿意百分率PPD指標(biāo)來表示對熱環(huán)境不滿意的百分?jǐn)?shù)。PPD和PMV之間的關(guān)系如圖4-7所示。在PMV=0處，PPD為5％。這意味著，即使室內(nèi)環(huán)境為最佳熱舒適狀態(tài)，由于人們的生理差別，還有5％的人感到不滿意。ISO7730對PMV-PPD指標(biāo)的推薦值為：PPD<10％，即PMV值在-0.5～0.5之間。相當(dāng)于在人群中允許有10％的人感覺不滿意。在實(shí)際應(yīng)用中，丹麥有關(guān)公司已研制出模擬人體散熱機(jī)理，直接測得室內(nèi)環(huán)境PMV和PPD指標(biāo)的儀器，可以很方便地對房間熱舒適性進(jìn)行檢測和評價。大約在1947年，就已發(fā)現(xiàn)了原有的有效溫度的不足之處，如它過分夸大在較低溫度下濕度的作用，以及在較高溫度下又低估了濕度的作用。在1961年，納維斯(Nevins)指出：熱舒適標(biāo)準(zhǔn)溫度已由1900年的大約21℃干球溫度，變?yōu)?960年26℃。這種溫度上升的傾向，可以由無論是男性或女性都已習(xí)慣穿著比較輕薄的服裝來解釋，它也與生活方式、飲食的改變及期望舒適有關(guān)。2．以皮膚襲面溫度及其溫度變化率來判斷的非穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該指出，上述的研究是對穩(wěn)態(tài)熱環(huán)境的評價指標(biāo)，如果說對建筑物是適用的，而對像汽車空調(diào)這樣的動態(tài)條件則差距甚大。在開動的汽車?yán)铮錈岘h(huán)境是不穩(wěn)定的，不斷地受到內(nèi)、外擾量等諸多因案的影響。具體講，汽車行駛時車速和方向、太陽輻射的影響、車外空氣滲透、進(jìn)入車室內(nèi)的空氣的參數(shù)和數(shù)量都在不斷變化。致使車室冷、熱變化迅速；車室內(nèi)空間相對較小，人的產(chǎn)熱對熱環(huán)境影響較大；空氣的分布受到人體和座椅等的影響，不可能為均勻分布；加之噪聲和振動的影響?？傊?，汽車內(nèi)的熱環(huán)境具有非恒定、非均勻的特征。雖然從原則上說，影響人體熱平衡的所有參數(shù)都可能隨時變化，然而大多數(shù)情況下關(guān)心的是環(huán)境溫度的變化，溫度的變化可以分為三種類型：1)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)引起的呈三角波或正弦波形的周期性變化。其特征變量為平均值、波幅、波動周期或頻率，相應(yīng)于汽車空調(diào)由于車速變化或調(diào)節(jié)作用而引起的室溫波動。2)溫度的單調(diào)變化，如開停機(jī)過程。特征變量為初始值、變化幅度及變化率，對應(yīng)于車室降溫或升溫過程。3)階躍變化，如從一種熱環(huán)境走人另一個熱環(huán)境。由初始值、變化方向及幅度表征，對應(yīng)于人剛剛進(jìn)入車室的情況。C.H.Sprague(1970年)、D.P.Wyon(1971年)、D.A.McIntyre(1974年)研究了溫度波動對熱舒適性的影響。Sprague和McNall(1970年)通過測定干球溫度呈三角波波動的影響，考慮了平均輻射溫度的影響，導(dǎo)出了如下方程：SKIPIF1<0(4-14)式中SKIPIF1<0——溫度波幅(K)；SKIPIF1<0——循環(huán)頻率(1/h)。Wyon等研究了環(huán)境溫度呈正弦波動時的影響，建議波動振幅應(yīng)在l～2K范圍內(nèi)。Nevins(1975年)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推薦舒適性環(huán)境溫度與早期的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)(ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)(1985))吻合得很好，沒有明顯的證據(jù)說明由于波動使舒適性范圍變小。但總的說來，環(huán)境溫度波動頻率增加時，波幅應(yīng)下降，最大可達(dá)到穩(wěn)態(tài)舒適區(qū)的邊界值。頻率對波輻的影響有一適當(dāng)?shù)拈撝?約為1K)，當(dāng)振幅小于該值時．頻率的影響可以忽略。當(dāng)頻率大于1.5時，振幅隨頻率的減小而增大至穩(wěn)態(tài)舒適條件(ASHILA標(biāo)準(zhǔn))。可見ASHILA標(biāo)準(zhǔn)對于溫度波動問題已經(jīng)足夠準(zhǔn)確：“如果綜合溫度的波幅超過1.1K，則溫度變化率不超過22K/h。而當(dāng)波幅小于等于1.1K時，則溫度變化率沒有限制?！痹?975年，Nevin測定了波動率為19K/h的周期波動，認(rèn)為環(huán)境溫度的波動，使舒適區(qū)減小,但影響并不顯著。Hensel在20世紀(jì)50年代進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，環(huán)境溫度變化時，中性溫度和冷(或熱)的溫度差(熱感覺)，與溫度變化量成反比。熱感覺依賴于皮膚初始溫度、溫度變化方向、人體部位及面積，這一結(jié)論對熱舒適性同樣成立。在1976年，Mclnty和Gonzala對溫度變化時，衣服的隔熱性能及人的熱感覺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，受試人員為大學(xué)男生，著厚裝(1.1clo)或幾乎全裸，在休息和騎自行車兩種狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。溫度突然變化6K，溫度選取使受試者在實(shí)驗(yàn)開始時覺得較熱而稍后較冷，為了分析季節(jié)的影響，在六月和八月進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，熱感覺受著衣量、活動量及季節(jié)的影響。但是研究者發(fā)現(xiàn)，受試人員休息時的熱感覺不受衣著與季節(jié)的影響，盡管不穿衣服體溫變化肯定要快。由此，認(rèn)為光憑皮膚溫度還不足以判斷熱感覺。對沒穿衣服的人來說，休息時熱感覺明顯，而穿著衣服的人運(yùn)動時的感覺與季節(jié)有關(guān)(八月份感到較冷)。在1967年，Gagge用實(shí)驗(yàn)證明了變環(huán)境參數(shù)下熱舒適和熱感覺的不同，他們讓受試人員在中性熱條件下(29℃)呆lh，然后突然降溫至17.5℃或升溫至48℃，呆上2h后，重新進(jìn)入中性熱環(huán)境。受試者進(jìn)入冷環(huán)境時，馬上有冷感覺和不舒適感，而返回中性環(huán)境時不舒適感馬上消失，此時熱感覺相應(yīng)滯后于熱舒適性。進(jìn)入熱環(huán)境的試驗(yàn)顯示了類似的結(jié)果?？梢娪脽岣杏X來衡量熱舒適性，可能導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的過調(diào)。也許是由于濕度對熱舒適性的影響相對較小，對濕度變化的研究較少。DA．McIntpre(1976年)、R.R.Gonalez(1973、1979年)、R.G.Nevins(1975年)都證明了當(dāng)綜合溫度在舒適區(qū)內(nèi)或近舒適區(qū)時，對于采取坐姿或輕度活動、正常著裝的人，濕度從20％～60％變化時，沒有明顯的影響。而氣溫較高時，熱調(diào)節(jié)更多地依賴于蒸發(fā)散熱，此時相對濕度便變得很重要。有關(guān)氣流速度變化對影響熱舒適性的研究很少。在1992年，Willms通過實(shí)驗(yàn)研究，提出了風(fēng)速分布的舒適性標(biāo)準(zhǔn)。在1990年，Ishii用五男五女大學(xué)生為一組，測定了氣流速度對熱感覺的舒適性的影響。研究表明全身中，小腿對氣流速度最為敏感，女性對風(fēng)速及風(fēng)速波動都比較敏感，氣流的速度、強(qiáng)度及波動對熱舒適性有不同程度的影響。在1988年，F(xiàn)anger認(rèn)為：當(dāng)具有同樣的平均速度時，湍流度高的氣流更易引起不適?？偟目磥?，目前對于非穩(wěn)態(tài)熱舒適性的研究大都針對一種或幾種參數(shù)變化時的情況，迄今為止還沒有一個比較全面的、成功的評判標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)研究依然是唯一可靠的方法。2.3.3熱舒適標(biāo)準(zhǔn)與熱舒適性圖如何定量衡量熱舒適性始終是人們探討的課題之一。下面介紹目前提出的幾種方法。1．ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)圖4-8是美國供暖、制冷、空調(diào)工程師學(xué)會(ASHRAE)1977年版手冊基礎(chǔ)篇里給出的新的等效溫度圖。圖中斜畫的一組虛線即為等效溫度線，它們的數(shù)值是在φ=50％的相對濕度曲線上標(biāo)注的。例如，通過t=25℃、φ=50％兩線的交點(diǎn)的虛線，即為25℃等效溫度線，該線上各個點(diǎn)所表示的空氣狀態(tài)的實(shí)際干球溫度均不相等，相對濕度也不相同，但各點(diǎn)空氣狀態(tài)給人體的冷熱感卻相同，都相當(dāng)于t=25℃和φ=50％時的感覺。這些等效溫度是室內(nèi)空氣流速為v=0.15m/s時，通過對身著0.6clo的服裝，靜坐著的被試驗(yàn)人員實(shí)測所得的。所謂clo，是衣服的熱阻單位，1clo=0.155㎡.K／W。國外資料給出，內(nèi)穿襯衣外套普通衣服，其熱阻為lclo；正常冬服(室外穿)為1.5～2.0clo，在北極地區(qū)的服裝為4.0clo。在該圖中還畫出了兩塊舒適區(qū)，一塊是菱形面積，它是美國堪薩斯州立大學(xué)通過實(shí)驗(yàn)所得到的；另一塊平行四邊形面積是ASHRAE推薦的舒適標(biāo)準(zhǔn)55-74所給出的舒適區(qū)。兩者實(shí)驗(yàn)條件不同，前者適用于身著0.6～0.8clo服裝坐著的人，后者適用于身著0.8～1.0clo服裝坐著但活動量稍大的人。兩塊舒適區(qū)重疊處則是推薦的室內(nèi)空氣設(shè)計條件。25℃等效溫度線正好穿過重疊區(qū)的中心。2．有效溫度有效溫度試圖結(jié)合干球溫度、濕球溫度和空氣流速的效應(yīng)來反映熱和冷的同等感覺。換句話說，為給出同樣舒適的感覺．濕度越高，干球溫度就需越低，而濕度越低；則干球溫度就需越高。然而，由于有效溫度過分地強(qiáng)調(diào)了在較冷區(qū)域中空氣的濕度效應(yīng)，忽視溫暖條件下空氣的濕度效應(yīng)，以及沒有充分考慮熱濕條件下空氣的流速，故原有的有效溫度概念正逐漸被取代。目前它的應(yīng)用僅局限于靜坐的條件下。3．皮膚濕潤度標(biāo)準(zhǔn)皮膚的濕潤度是所觀測的皮膚出汗率與該環(huán)境下最大可能皮膚出汗率之比。皮膚濕潤度取決于皮膚溫度、空氣溫度、空氣濕度、空氣流速和衣著。已經(jīng)表明．皮膚濕潤度在描述不舒服及不愉快感覺方面，是一個比常用的溫度感覺更為可靠的參數(shù)。2.4汽車空調(diào)熱濕負(fù)荷的計算2.4.1、汽車空調(diào)熱濕負(fù)荷1．熱濕負(fù)荷汽車空調(diào)裝置為滿足乘客的舒適性要求，就必須維持車內(nèi)空氣的溫度、相對濕度的恒定。因此也就要對由于太陽輻射、氣候變化、乘員的出入、車內(nèi)發(fā)動機(jī)及物體等的散熱、散濕引起的溫度、濕度變化隨時進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了去除車室內(nèi)多余熱量而所需向車室內(nèi)供入的冷量，稱為空調(diào)裝置的冷負(fù)荷；為了補(bǔ)充室內(nèi)耗熱所需向車室內(nèi)送入的熱量稱為熱負(fù)荷。為了維持室內(nèi)濕度的恒定而所需要去除的水份量，則稱濕負(fù)荷。熱濕負(fù)荷計算的意義：1）確定空調(diào)汽車送風(fēng)量和設(shè)備設(shè)計的依據(jù)；2）可指明減少負(fù)荷的方法和途徑，達(dá)到節(jié)能和優(yōu)化的目的；3）可為空調(diào)系統(tǒng)的控制提供有益的條件。欲進(jìn)行熱濕負(fù)荷計算，則必須先確定計算的基數(shù)。2．熱濕負(fù)荷計算的基數(shù)熱濕負(fù)荷計算的基數(shù)包括：車室內(nèi)外空氣狀態(tài)參數(shù)（t，φ）如何選取、空調(diào)參數(shù)的精度——空調(diào)區(qū)空氣溫度和φ的波動范圍。因?yàn)榛鶖?shù)的高低不僅直接影響道熱濕負(fù)荷值而且還影響空調(diào)裝置的能耗水平?；鶖?shù)的確定主要以舒適性要求作前提。3．舒適的概念對空調(diào)而言，主要是指適宜的空氣環(huán)境，熱舒適性理論及國際標(biāo)準(zhǔn)對分析室內(nèi)環(huán)境的熱舒適時，提出了六個要素：1）空氣的干球溫度；2）房間的平均輻射溫度；3）空氣中的水蒸氣分壓力；4）氣流速度；5）人體新陳代謝率和服裝熱阻滯。前4個與環(huán)境有關(guān)，后兩者與人有關(guān)。不同民族、不同年齡、性別、衣著、健康狀況對舒適性的感受和要求往往是有差異的（如武漢人和北方人），但大致有t℃φ％wm/s舒適帶15～1822～2730～700.75~0.2(w)(s)不舒適帶0～14>27<30,>700.4熱舒適的PMV－PPD指示體系7點(diǎn)式生理感覺標(biāo)尺過冷冷稍冷正好稍熱熱過熱①②③④⑤⑥⑦PMV＝0－3.0-2.0-1.001.02.03.0PPD=5%表明最佳舒服狀態(tài)下仍有5％的人不滿意。2.4.2空氣參數(shù)的確定如前所述，確定車室內(nèi)空氣參數(shù)基數(shù)需要兼顧國情、舒適性和經(jīng)濟(jì)性諸方面。根據(jù)我國對舒適性方面的試驗(yàn)研究及我國具體條件：1．車室內(nèi)溫度夏季26～28℃；冬季16～18℃需要指出的是，在確定車內(nèi)空氣溫度基數(shù)時，還必須顧及車外的環(huán)境溫度，因?yàn)檐噧?nèi)外過大的溫差會使人不適應(yīng)。通常車室內(nèi)外Δt=5~7℃為宜，特殊時8~10℃。頭部溫度應(yīng)低于足部溫度。綜合考慮，有：t(℃)φ(％)Δtw(m/s)外氣量m3/(h.人)s24~28605~100.25~0.520~30w16~18>504.5~12<0.220~30冬季：頭部氣溫最好比車內(nèi)平均溫度低2～3℃，足部高2～3℃。2．車室外空氣參數(shù)（1）參考我國主要城市空調(diào)室外氣象參數(shù)，結(jié)合新制定的客車質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，夏季車室外空氣計算參數(shù)t(干球，℃)φ(％)w(m/s)外氣量m3/(h.人)卡車35>50<0.210~30工程車36>50<0.210~30轎車、旅游車3560<0.210~30空調(diào)室外空氣參數(shù)采用由概率論和數(shù)理統(tǒng)計方法得出的簡化公式夏季：室外SKIPIF1<0℃trp—?dú)v年最熱月平均溫度的平均值；tmax—?dú)v年極端最高溫度冬季：室外SKIPIF1<0℃tlp—?dú)v年最冷月平均溫度的平均值；tmax—?dú)v年最冷月中最低的日平均溫度或北方?。?0℃為室外空氣計算溫度。（2）濕球溫度夏季北方SKIPIF1<0℃南方SKIPIF1<0℃twp—對應(yīng)歷年最熱月平均溫度trp和平均相對濕度φrp的濕球溫度；twb.max—對應(yīng)歷年極端最高溫度tmax和最熱月平均相對濕度φrp的濕球溫度。冬季因空氣含濕量較小，且變化也小，不需給tw，只給室外計算相對濕度值。暖通規(guī)范中規(guī)定冬季空調(diào)室室外計算相對濕度采用歷年一月份月平均相對濕度的平均值。2.4.3熱濕負(fù)荷計算汽車由于結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性，各部位所用材料尺寸、厚度及隔熱方式各異，車速的變化致使汽車外殼與周圍空氣換熱方式發(fā)生變化，再加上外界氣候的變化、乘員出入等，因此很難算出汽車空調(diào)的熱濕負(fù)荷。另外，由于車身材料的蓄熱性，某時得到的熱量并不能馬上引起空氣溫度的變化，故制冷量應(yīng)大于放熱量（計算值），即SKIPIF1<0Qs為制冷能力（額定值）；Qe為計算出的得熱量（空調(diào)熱負(fù)荷）；K為修正系數(shù)。汽車空調(diào)室得失熱量的計算是根據(jù)傳熱學(xué)原理進(jìn)行，一般采用穩(wěn)定工況下的計算?？照{(diào)熱負(fù)荷Qe與哪些因素有關(guān)呢？熱源分析：1.車外溫度大于車內(nèi);2.太陽輻射;3.人體散熱;4.發(fā)動機(jī)散熱;5.地面反射;6.密封具體有:SKIPIF1<0（王宜義教材P12）SKIPIF1<0—通過車頂與車門傳入車廂的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—通過各玻璃表面以對流方式進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—通過各玻璃表面以輻射方式直接進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—從發(fā)動機(jī)室一側(cè)傳入車廂的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—從行李廂及車廂地板處傳入車廂的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—空調(diào)風(fēng)機(jī)造成的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—乘員散發(fā)的熱負(fù)荷；SKIPIF1<0—由通風(fēng)和密封性泄漏進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷。1．SKIPIF1<0—通過車頂與車門傳入車廂的熱負(fù)荷在太陽輻射的作用下，通過車頂與車門傳入車廂的熱量由兩部分組成：因車身內(nèi)外空氣的溫差而產(chǎn)生的、通過車身傳入的熱量；車身外表面從太陽輻射中所吸收的熱量。太陽輻射包括太陽直接輻射、天空散射輻射、地面反射輻射，大氣長波輻射、來自地面的長波輻射。其中前兩項（太陽直接輻射、天空散射輻射）為主，其他的輻射量很小，一般忽略不計。車身外表面從太陽輻射中所吸收的熱量具體計算參見王宜義教材P15。熱橋概念：由于車廂上有骨架（金屬），骨架外有蒙皮，內(nèi)有裝飾材料，中間有隔熱層，熱量傳入時，主要從骨架上傳入，形成“熱橋”。為了減少熱橋傳熱，可采用斷熱橋設(shè)計，即將骨架分為主骨架和輔骨架，前者以承載為目的，用鋼材或鋁型材，后者以斷熱為目的，主要用木材、膠合板、玻璃鋼等。2．通過窗玻璃傳入車廂的熱負(fù)荷太陽輻射到窗玻璃上的熱分成三路：一部分被反射、一部分被吸收，還有一部分透過玻璃以短波輻射的形式直接進(jìn)入車室內(nèi)。吸收的這部分太陽輻射能量存貯在玻璃內(nèi)，使之溫度增高，當(dāng)玻璃溫度高于車內(nèi)、車外溫度時，就以對流的方式向室內(nèi)、室外放熱。而透過窗玻璃的太陽輻射能，被車廂內(nèi)物體部分地吸收，部分地反射出去。因此，通過窗玻璃進(jìn)入車廂的熱負(fù)荷由三部分組成：由于車內(nèi)外溫差傳入的熱量；由于窗玻璃吸收的那部分以對流方式進(jìn)入車室內(nèi)的熱量；透過窗玻璃直接進(jìn)入車室內(nèi)的輻射能所形成的熱量。3．空氣滲透進(jìn)入車內(nèi)的熱負(fù)荷這主要指因門窗不嚴(yán)而泄入車室內(nèi)的空氣。由門窗縫隙帶入熱約占總得熱量的20～30％左右。據(jù)資料介紹，當(dāng)汽車車速為40km/h、寬1.5mm的縫隙的漏風(fēng)量為10m3/(h.m)，而當(dāng)縫隙寬增至3mm時，漏風(fēng)量加大到17m3/(h.m)。漏風(fēng)量帶入熱Q1可按下式計算：SKIPIF1<0Gv為滲透進(jìn)入車內(nèi)的空氣流量，由實(shí)驗(yàn)確定（氣密性試驗(yàn)）；hn、hw分別為車室內(nèi)外的空氣焓值，按濕球溫度找焓值。按人體衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)需要，新鮮空氣量為20～40m3/(h.人)，光靠門窗滲透的新風(fēng)不能滿足需要，需要通過空調(diào)器送進(jìn)新風(fēng)。SKIPIF1<0V為通風(fēng)量（m3/h），γ為空氣的容重。4．人體散熱量人體散熱受性別、年齡等多種因素影響，人體散熱中，對流成分占20％，輻射成分占40％，其余為潛熱（人體蒸發(fā)散熱）。隨室溫的升高，人體散熱中潛熱的比例略升，但全熱量仍為定值。在計算人體散熱時，為了方便起見，可以成年男子為基礎(chǔ)，再考慮群集系數(shù)例如：20℃時，成年男性散熱（一般情況）：顯熱84W，潛熱26，全熱110而30℃時，顯熱43W，潛熱65，全熱108而在汽車內(nèi)，坐、立、駕駛者等散熱量又不同，王宜義教材P19：靜坐60W，站立70W，駕駛120W（轎車），重型車駕駛186W。5．發(fā)動機(jī)室傳熱量發(fā)動機(jī)室向車室內(nèi)的傳熱可按多層均勻平壁傳熱計算，但在計算傳熱系數(shù)K時，需要考慮發(fā)動機(jī)室在車室內(nèi)的布置位置和發(fā)動機(jī)室風(fēng)速實(shí)際情況（即無遮擋時，風(fēng)速按車速；在有遮擋時，應(yīng)取阻力損失后之風(fēng)速）。6．空調(diào)風(fēng)機(jī)傳熱這部分熱量包括流經(jīng)風(fēng)管的空氣因室內(nèi)外溫差所致在沿程吸收或放出的熱量和通風(fēng)機(jī)的動力熱。通風(fēng)機(jī)動力熱按功耗Qm直接成空調(diào)熱負(fù)荷。2.4.4減少熱負(fù)荷的途徑減少熱負(fù)荷就能節(jié)約能耗。從前面分析計算知，要減少熱負(fù)荷就必須從影響熱負(fù)荷的各種因素入手。例如王宜義教材P19：熱負(fù)荷構(gòu)成主要在以下三個方面：太陽輻射、車內(nèi)外溫差傳熱、密封泄漏和通風(fēng)。所以要減少熱負(fù)荷采取的措施：減少溫差傳熱：減少車身骨架與蒙皮間的接觸面積；選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材質(zhì)作隔熱材料等；減少太陽輻射：采用吸收率小的車身材料，玻璃顏色、光潔度，采用紅外吸收玻璃和紅外反射玻璃；玻璃上貼遮陽塑料薄膜或噴涂一層遮陽塑料。紅外反射和紅外吸收玻璃具有單向透視功能，白天在車內(nèi)可以看到車外的景象，而外面的人看不清車內(nèi)的情景。提高氣密性，減少縫隙泄漏形成的熱負(fù)荷。第三章汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理(方貴銀，李輝編著.汽車空調(diào)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.1P16－34)3.1汽車空調(diào)的制冷原理(參考文獻(xiàn)：張蕾主編，汽車空調(diào).)3.1.1制冷方式空調(diào)的制冷方式很多，常見的有以下四種：液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和熱電制冷。其中液體汽化制冷的應(yīng)用最為廣泛，它是利用液體汽化時的吸熱效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)制冷的。蒸氣壓縮式、吸收式、蒸氣噴射式和吸附式制冷都屬于液體汽化制冷方式。1．液體汽化制冷任何液體汽化時都要吸收熱量。在定壓狀態(tài)下，1kg液體汽化時所吸收的熱量稱為汽化潛熱。r=h’’-h’=T(s’’-s’)(2-1)式中r——單位質(zhì)量工質(zhì)的汽化潛熱，單位為kJ／kg；h’’——單位質(zhì)量工質(zhì)的飽和蒸氣比焓值，單位為kJ／kg；h’——單位質(zhì)量工質(zhì)的飽和液體比焓值，單位為kJ／kg；s’’——單位質(zhì)量工質(zhì)的飽和蒸氣比熵值，單位為kJ／(kg·K)；s’——單位質(zhì)量工質(zhì)的飽和液體比熵值，單位為kJ／(kg·K)；T——此定壓下對應(yīng)的飽和溫度，單位為K。對于任何一種液體，汽化潛熱是隨其蒸發(fā)壓力而變的；而在相同的壓力下，不同工質(zhì)的汽化潛熱也是不相同的。工質(zhì)的分子量越小，其汽化潛熱的數(shù)值越大。對任何一種工質(zhì)，隨著蒸發(fā)溫度的提高其汽化潛熱不斷減小，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時其汽化潛熱為零。在制冷機(jī)的工作過程中，在低溫下蒸發(fā)的制冷劑液體都是使高壓液體經(jīng)節(jié)流降壓而得到的。較高壓力的飽和液體節(jié)流降壓后即進(jìn)入兩相區(qū)，并閃發(fā)出一定的飽和蒸氣。對于1kg制冷劑，若用x表示閃發(fā)后的干度，則當(dāng)其余液體全部轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼魵鈺r吸收的熱量為q0=r(1-x)(2—2)式中q0——單位制冷量，單位為kJ／kg；r——單位質(zhì)量工質(zhì)的汽化潛熱，單位為kJ／kg；x——工質(zhì)節(jié)流后的干度。由式(2—2)可知，單位制冷量不僅與汽化潛熱有關(guān)，還隨節(jié)流后的干度而變。制冷劑液體在節(jié)流膨脹前后壓力變化越大，則節(jié)流過程中閃發(fā)的氣體量越多，而單位制冷量就越小。由此可見，液體汽化制冷循環(huán)由工質(zhì)低壓下汽化、蒸氣升壓、高壓氣體液化和高壓液體降壓四個基本過程組成。蒸氣壓縮式制冷、吸收式制冷、蒸氣噴射式制冷和吸附式制冷都具備上述四個基本過程。2．氣體膨脹制冷在氣體制冷機(jī)中，是利用高壓氣體的絕熱膨脹達(dá)到低溫狀況，并利用膨脹后的氣體在低壓下的吸熱過程制冷的。氣體絕熱膨脹的特性隨使用的設(shè)備而變，一般有兩種方式：一種方式是高壓氣體經(jīng)膨脹機(jī)(活塞式或透平式)膨脹，此時有外功輸出，因而氣體溫降大，發(fā)熱時制冷量大，但膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；另一種方式是氣體經(jīng)節(jié)流閥膨脹(通常為節(jié)流)，此時無外功輸出，氣體的溫降小，制冷量也小，但節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)較簡單且便于氣體流量的調(diào)節(jié)。這種膨脹方式在氣體制冷機(jī)中使用較少。3．渦流管制冷利用氣體渦流制冷是法國工程師蘭克1933年提出的。渦流冷卻效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是利用人工方法產(chǎn)生旋渦使氣流分為冷、熱兩部分，并利用分離出來的冷氣流進(jìn)行制冷。渦流管是一根構(gòu)造比較簡單的管子，如圖2-l所示，主要由噴嘴、渦流室、分離孔板、調(diào)節(jié)閥及冷、熱兩端的管子所組成。壓縮空氣進(jìn)入噴嘴后沿切線方向進(jìn)入渦流室，形成自由渦流，且分離成溫度不同的兩股氣流；中心部分的低溫氣流，經(jīng)分離孔板的中心孔流出，而外圍邊緣部分的高溫氣流，則在另一端經(jīng)調(diào)節(jié)閥流出。所以利用渦流管可同時獲得冷、熱兩種不同溫度的氣流，冷氣流的溫度可達(dá)-10～-50℃，熱氣流的溫度可達(dá)100～150℃。調(diào)節(jié)閥通過改變熱氣流在閥前的壓力，調(diào)節(jié)兩部分氣流的流量比例，從而改變冷、熱氣流的溫度。渦流管制冷的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活、起動快、維護(hù)方便。只要有壓縮空氣，便可用渦流管制冷。渦流管制冷的主要缺點(diǎn)是效率低，制冷系數(shù)小于蒸氣壓縮式制冷機(jī)。4．熱電制冷熱電制冷又稱溫差電制冷，它是利用熱電效應(yīng)(即帕爾帖效應(yīng))的一種制冷方法。該方法的制冷效果主要取決于兩種材料的熱電勢。純金屬材料的導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性也好，其帕爾帖效應(yīng)很弱，制冷效率極低。半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢，可以成功地做成小型熱電制冷器。根據(jù)電流載體的不同，半導(dǎo)體分為N型(電子型)半導(dǎo)體和P型(空穴型)半導(dǎo)體。由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電制冷元件如圖2-2所示。當(dāng)通以直流電流I時，P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(電子)在外電場作用下產(chǎn)生運(yùn)動。由于載流子(空穴和電子)在半導(dǎo)體內(nèi)和金屬片內(nèi)具有的勢能不一樣，勢必在金屬片與半導(dǎo)體接頭處發(fā)生能量的傳遞及轉(zhuǎn)換。因?yàn)榭昭ㄔ赑型半導(dǎo)體內(nèi)具有的勢能高于空穴在金屬內(nèi)的勢能，在外電場作用下，當(dāng)空穴通過結(jié)點(diǎn)a時，就要從金屬片中吸取一部分熱量，以提高自身的勢能，才能進(jìn)入P型半導(dǎo)體內(nèi)，這樣結(jié)點(diǎn)。處就冷卻下來。當(dāng)空穴通過結(jié)點(diǎn)b時，空穴將多余的一部分勢能傳遞給結(jié)點(diǎn)6而進(jìn)入金屬片Ⅱ，因此結(jié)點(diǎn)b處就熱起來。同理，電子在N型半導(dǎo)體內(nèi)的勢能大于在金屬片中的勢能，在外電場作用下當(dāng)電子通過結(jié)點(diǎn)6時，就要從金屬片Ⅱ中吸取一部分熱量轉(zhuǎn)換成自身的勢能，才能進(jìn)入N型半導(dǎo)體內(nèi)，這樣結(jié)點(diǎn)d處就冷卻下來。當(dāng)電子運(yùn)動到達(dá)結(jié)點(diǎn)c時，電子將自身多余的一部分勢能傳給結(jié)點(diǎn)c而進(jìn)入金屬片Ⅱ，因此結(jié)點(diǎn)c處就熱起來。這就是電偶對制冷與發(fā)熱的基本原因。空調(diào)的制冷方式有許多種，目前實(shí)際應(yīng)用于汽車上的空調(diào)制冷方式，全部為蒸氣壓縮式。其他制冷方式，由于其制冷系數(shù)低，或者是熱源不足而引起制冷效率差，或換熱器過大，目前應(yīng)用在汽車上較困難。3.1.2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)簡介汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、蒸發(fā)器和鼓風(fēng)機(jī)等組成，如圖2-3所示，各部件之間采用鋼管(或鋁管)和高壓橡膠管聯(lián)接成一個密閉系統(tǒng)。此空調(diào)制冷系統(tǒng)是典型的非獨(dú)立式汽車空調(diào)系統(tǒng)，它采用的是單級蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。壓縮機(jī)有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種形式?？照{(diào)的蒸發(fā)冷卻裝置一般布置在車室儀表臺面板下，與儀表臺面板組裝成一體；冷凝器大多布置在車頭散熱器前面，并有單獨(dú)風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。汽車正常行駛產(chǎn)生的行駛風(fēng)對冷凝器起到很大的散熱效果，汽車怠速行駛時，冷凝器風(fēng)扇能加強(qiáng)其散熱能力，使其冷凝壓力不至于過高，否則會影響轎車空調(diào)的正常運(yùn)行。儲液干燥器一般都安裝在發(fā)動機(jī)室內(nèi)，在系統(tǒng)運(yùn)行時，對制冷劑進(jìn)行過濾、干燥吸濕和儲存多余的制冷劑。在儲液干燥器的上方裝有一個視液窗，用以觀察制冷系統(tǒng)中制冷劑量，正常工作時，制冷劑應(yīng)無泡沫平穩(wěn)流動。蒸發(fā)冷卻機(jī)組是將離心風(fēng)機(jī)裝在蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)口處，屬于壓入式送風(fēng)。膨脹閥和感溫包都安裝在機(jī)組里面，與機(jī)組聯(lián)成一體，這樣便于安裝和維修。在蒸發(fā)器出口，感溫包感受蒸發(fā)器出口溫度后，能自動調(diào)節(jié)膨脹閥的開度，控制制冷劑的流量，以維持車室內(nèi)一定的溫度。制冷系統(tǒng)工作時，制冷劑以不同的狀態(tài)在這個密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動，每一循環(huán)有四個基本過程：(1)壓縮過程壓縮機(jī)吸入蒸發(fā)器出口處的低溫低壓的制冷劑氣體，把它壓縮成高溫高壓的氣體排出壓縮機(jī)。(2)放熱過程高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器，由于壓力及溫度的降低，制冷劑氣體冷凝成液體，并放出大量的熱。(3)節(jié)流過程溫度和壓力較高的制冷劑液體通過膨脹裝置后體積變大，壓力和溫度急劇下降，以霧狀(細(xì)小液滴)排出膨脹裝置。(4)吸熱過程霧狀制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器，此時制冷劑沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于蒸發(fā)器內(nèi)溫度，故制冷劑液體蒸發(fā)成氣體。在蒸發(fā)過程中吸收周圍大量的熱量，變成低溫低壓的蒸氣又回到壓縮機(jī)。制冷系統(tǒng)在運(yùn)行條件發(fā)生變化時，冷凝溫度、蒸發(fā)溫度、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地發(fā)生變化。1)當(dāng)冷凝溫度升高，而蒸發(fā)溫度和其他工況不變時，汽車空調(diào)的制冷量將減小，功耗將增加，制冷系數(shù)將減小。冷凝溫度受環(huán)境溫度和冷凝器的散熱條件影響，環(huán)境溫度升高，冷凝溫度也升高。另外冷凝器的安裝位置也很重要，不要太靠近散熱器，要讓汽車行駛風(fēng)吹到冷凝器的正面(迎風(fēng)面)，以增強(qiáng)冷凝器的散熱效果。2)當(dāng)蒸發(fā)溫度降低，而冷凝溫度和其他工況不變時，汽車空調(diào)制冷量將減小，功耗將增大，制冷系數(shù)將減小。汽車空調(diào)蒸發(fā)溫度不宜調(diào)得過低，否則會在蒸發(fā)器外翅片表面產(chǎn)生結(jié)霜，影響換熱效果。實(shí)際運(yùn)行時，蒸發(fā)溫度一般調(diào)為0～5℃。3)當(dāng)汽車高速行駛時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之增加，這時壓縮機(jī)的排量也將增加，其制冷量和功率消耗都將增加。另外高速行駛的風(fēng)力使冷凝器的散熱條件大為改善，冷凝效果好，制冷劑過冷度增大，因此高速行駛時，汽車空調(diào)制冷系數(shù)增大。反之，汽車在低速行駛時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速減小，制冷劑循環(huán)量減小。另外冷凝器的散熱條件惡化，壓縮機(jī)的吸氣壓力增大，壓縮機(jī)功耗增加，因此其制冷系數(shù)將減小。汽車低速行駛時，時常會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)過載，加速它們的過早損壞，所以在汽車空調(diào)系統(tǒng)中常常裝有怠速繼電器，用以在低速時切斷汽車空調(diào)運(yùn)行，保護(hù)壓縮機(jī)和發(fā)動機(jī)。3.2汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的熱力循環(huán)(參考文獻(xiàn)：張蕾主編，汽車空調(diào).)3.2.1制冷劑壓-焓圖及溫-熵圖壓-焓圖是表示制冷循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時，制冷系統(tǒng)中的制冷劑狀態(tài)變化的曲線。掌握壓-焓圖對理解、檢查、維修制冷系統(tǒng)非常必要。在壓-焓圖中，將制冷劑全部狀態(tài)各點(diǎn)參數(shù)連續(xù)地表示在曲線上，如圖2-4所示。圖中橫坐標(biāo)表示焓值，縱坐標(biāo)表示絕對壓力。為了使圖形清晰、緊湊，縱坐標(biāo)常以對數(shù)標(biāo)尺lgp表示，因此制冷劑壓焓圖又稱為lgp-h圖。在圖2—4中，C點(diǎn)為臨界點(diǎn)。Cm為飽和液體線，其干度x=0。干蒸氣線，其干度z=1。飽和液體線與干蒸氣線之間為濕蒸氣區(qū)，其中繪出x值，即等干度線。Cm線左面是液態(tài)區(qū)，即未飽和液體區(qū)或稱過冷液體區(qū)。Cm線右邊為過熱蒸氣區(qū)。圖中繪出了等容線、等溫線、等熵線，其中等溫線在液態(tài)區(qū)是一條幾乎與縱坐標(biāo)平行的直線，在濕蒸氣區(qū)則為水平線(等壓汽化過程中溫度不變)，而在過熱蒸氣區(qū)則為急劇向下彎曲的曲線。制冷劑的一些熱力過程如等壓、等容、等溫、等熵過程，在壓-焓圖中可直接表示出來。由于制冷循環(huán)中幾個熱力過程在壓．焓圖上圖形簡單，而且能方便地查出熱力過程中焓值的變化，因此lgP-h圖在制冷工程計算中得到了廣泛應(yīng)用。在濕蒸氣區(qū)，若已知干度x，則只要知道其他任意一個參數(shù)即可確定制冷劑的狀態(tài)。如圖2-5所示為制冷劑溫-熵圖。它以熵為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)。圖中臨界點(diǎn)K左邊的實(shí)線為飽和液體線，右邊的實(shí)線為飽和蒸氣線，這兩條線把整個溫-熵圖劃分為三個區(qū)域，飽和液體線的左邊為過冷液體區(qū)，飽和蒸氣線的右邊為過熱蒸氣區(qū)，兩條線之間為濕蒸氣兩相區(qū)。圖中還畫有六種等參數(shù)線簇。等溫線為水平實(shí)線，等熵線為垂直實(shí)線，等壓線在兩相區(qū)內(nèi)與等溫線重合，是水平線，過熱區(qū)內(nèi)等壓線是向右上方傾斜的實(shí)線。過冷區(qū)內(nèi)等壓線密集于x=0的線附近，可近似用x=0的線代替。等容線用虛線表示，過熱區(qū)的等容線向右上方傾斜。在過熱區(qū)及兩相區(qū)內(nèi)，等焓線均為向右下方傾斜的實(shí)線，但兩相區(qū)內(nèi)的等焓線的斜率更大，過冷區(qū)液體的焓值可近似用同溫度下飽和液