小型汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

緒論1.1研究背景1.1.1汽車(chē)空調(diào)的介紹汽車(chē)空調(diào)是用來(lái)調(diào)節(jié)汽車(chē)車(chē)內(nèi)溫度、濕度和舒適度的安裝在汽車(chē)上的制冷空調(diào)系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)空調(diào)的要求越來(lái)越高，如今汽車(chē)空調(diào)基本已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟普通家用空調(diào)的功能，如制冷、制熱、調(diào)節(jié)濕度、空氣清潔[1]。同時(shí)，汽車(chē)空調(diào)也有跟普通空調(diào)不一樣的地方：因?yàn)槠?chē)空調(diào)的工作環(huán)境與運(yùn)行安裝有很大的不同，所以汽車(chē)空調(diào)就需要有一下幾點(diǎn)特點(diǎn)：[2]能夠承受比較大的振動(dòng)和沖擊。汽車(chē)作為交通工具需要在不同的路上行駛，這就導(dǎo)致汽車(chē)在行駛過(guò)車(chē)中汽車(chē)空調(diào)有很大的振動(dòng)和收到?jīng)_擊。所以，汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中個(gè)部件和連接件都要能承受比較大的振動(dòng)與沖擊，以防止空調(diào)系統(tǒng)的損壞和制冷劑的泄漏；汽車(chē)空調(diào)需要有較大的制冷量。汽車(chē)空調(diào)的工作環(huán)境比較惡劣，室外溫度高，且車(chē)內(nèi)人員密度大。這種工作環(huán)境使得汽車(chē)空調(diào)要負(fù)擔(dān)的排熱量要比室內(nèi)空調(diào)大得多。因此，汽車(chē)空調(diào)需要有較大的制冷量，要能在短時(shí)間內(nèi)把車(chē)內(nèi)溫度降下來(lái)；汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力不是電力，而是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車(chē)空調(diào)不能使用電網(wǎng)上的電，只能用發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，但這樣汽車(chē)空調(diào)使用的動(dòng)力將減少汽車(chē)行駛的動(dòng)力，而且如果空調(diào)效率不高時(shí)，空調(diào)的使用會(huì)增加很多油耗；汽車(chē)空調(diào)結(jié)構(gòu)要求高。因?yàn)槠?chē)的體積比較小，特別是小型汽車(chē)在保證乘客使用空間的情況下留給汽車(chē)動(dòng)力和其它裝置的空間是非常小的。所以，對(duì)汽車(chē)空調(diào)結(jié)構(gòu)的要求就比較高，需要它能結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理、質(zhì)量可靠。1.1.2本課題的由來(lái)及意義根據(jù)汽車(chē)空調(diào)H型熱力膨脹閥生產(chǎn)廠家提供的信息，膨脹閥在某些特殊情況下會(huì)出現(xiàn)“嘯叫”的現(xiàn)象。還有，考慮到汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，所以有必要對(duì)汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)在變轉(zhuǎn)速時(shí)的空調(diào)整體效率以及換熱器效率做一些研究。針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題做了以下了解：汽車(chē)空調(diào)中H型熱力膨脹閥“嘯叫”的問(wèn)題一直困擾著膨脹閥制造行業(yè)。據(jù)調(diào)查，消費(fèi)者對(duì)有關(guān)膨脹閥噪聲的投訴是最多的，這也是整個(gè)行業(yè)中最普遍的問(wèn)題[3]。目前實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái)只有小型空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和小型冰箱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，沒(méi)有汽車(chē)空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。而市場(chǎng)上的汽車(chē)空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)一般只是教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，且實(shí)驗(yàn)臺(tái)中帶動(dòng)壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而汽車(chē)在真實(shí)的使用過(guò)程中車(chē)速是在不斷變化的，這也讓汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速在不斷變化。因此，本課題就針對(duì)這些問(wèn)題設(shè)計(jì)一臺(tái)綜合型的汽車(chē)空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以實(shí)現(xiàn)以下功能：1、用以模擬出膨脹閥“嘯叫”的狀態(tài)并分析這種狀態(tài)時(shí)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)各部件特別是膨脹閥的運(yùn)行參數(shù)；2、用以教學(xué)演示，分析汽車(chē)空調(diào)有別于普通空調(diào)的特性；3、模擬汽車(chē)空調(diào)啟動(dòng)與關(guān)閉以及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速時(shí)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，并予以記錄，用以分析變轉(zhuǎn)速時(shí)汽車(chē)空調(diào)各部件的工作狀況；4、作為一臺(tái)綜合性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在變工況時(shí)對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷量和冷凝器性能進(jìn)行測(cè)試研究。1.2國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車(chē)空調(diào)膨脹閥“嘯叫”的研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外汽車(chē)空調(diào)膨脹閥“嘯叫”的研究在汽車(chē)空調(diào)嘯叫的問(wèn)題上，F(xiàn)uchs等對(duì)節(jié)流短管的穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了研究，獲得了節(jié)流短管內(nèi)徑、長(zhǎng)度與噪聲特性的關(guān)系。Amini對(duì)以空氣為工質(zhì)的節(jié)流閥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)閥的閥頭，閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，噪聲降低了約10%。[3]在熱力膨脹閥噪聲產(chǎn)生的機(jī)理以及控制方法上，美國(guó)Illnois(伊利諾斯學(xué)院)制冷空調(diào)中心對(duì)熱力膨脹閥在不同工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步分析，獲得了熱力膨脹閥的穩(wěn)態(tài)噪聲與系統(tǒng)工作條件關(guān)系的定性結(jié)果。[3]Kam總結(jié)了閥內(nèi)噪聲的聲源可能是渦流混合，渦流/壁面相互作用，運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)/壁面相互作用，流動(dòng)分離，漩渦脫離，或聲學(xué)共振。相關(guān)研究多集中在管系共振。[4]為了方便分析，管道被模擬成有端部支撐的薄壁圓柱形殼體，Greespon研究了圓柱形殼體的固有頻率并建立了相關(guān)的預(yù)估理論。[5]Heckle建立了基于薄圓柱殼體徑向及軸向波數(shù)變化來(lái)預(yù)測(cè)固有頻率的簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)式。[6]Enrique研究了聲模態(tài)與管壁結(jié)構(gòu)模態(tài)的禍合，并研究了噪聲通過(guò)節(jié)流機(jī)構(gòu)管道或蒸發(fā)器壁面?zhèn)鞑サ臋C(jī)理。[7]1.2.2國(guó)內(nèi)汽車(chē)空調(diào)膨脹閥“嘯叫”的研究葉奇昉，陳江平建立了熱力膨脹閥瞬態(tài)噪聲試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)制冷系統(tǒng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中熱力膨脹閥嘯叫噪聲進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。獲得了熱力膨脹閥參數(shù)對(duì)瞬態(tài)噪聲的影響，獲得如下結(jié)論：系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中熱力膨脹閥將產(chǎn)生嘯叫，嘯叫噪聲頻率在530Hz左右，持續(xù)時(shí)間4s左右。系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的嘯叫受到熱力膨脹閥溫包充注方式的影響。采用交叉式充注以及低蒸干壓力充注能夠有效的降低膨脹閥噪聲頻率與幅值。在熱力膨脹閥中安裝碟形彈簧可限制內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件在水平方向振動(dòng)，有利于降低膨脹閥嘯叫聲。熱力膨脹閥“嘯叫”是伴隨著空調(diào)系統(tǒng)的瞬態(tài)變化出現(xiàn)的（如系統(tǒng)啟動(dòng)、關(guān)閉過(guò)程，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速突變等），持續(xù)時(shí)間在5s內(nèi)。[8]施駿業(yè)等人指出汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生“嘯叫”的噪聲源來(lái)自于型熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并建立了閥芯運(yùn)動(dòng)部件模型，計(jì)算了閥芯的固有頻率，并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，獲得了當(dāng)“嘯叫”產(chǎn)生時(shí)型閥的振動(dòng)及噪聲頻譜圖以及無(wú)“嘯叫”產(chǎn)生時(shí)型閥的振動(dòng)及噪聲頻譜圖。結(jié)果表明，閥芯運(yùn)動(dòng)部件第一階固有頻率較低，易誘發(fā)共振導(dǎo)致閥門(mén)頻繁開(kāi)啟而產(chǎn)生“嘯叫”，據(jù)此對(duì)型閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以改變固有頻率的方式來(lái)避免共振消除“嘯叫”。[8]

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算及選型2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能分析1、用以模擬出膨脹閥“嘯叫”的狀態(tài)并分析這種狀態(tài)時(shí)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)各部件特別是膨脹閥的運(yùn)行參數(shù)；2、用以教學(xué)演示，分析汽車(chē)空調(diào)有別于普通空調(diào)的特性；3、模擬汽車(chē)空調(diào)啟動(dòng)與關(guān)閉以及汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)變速時(shí)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，并予以記錄，用以分析變轉(zhuǎn)速時(shí)汽車(chē)空調(diào)各部件的工作狀況；4、作為一臺(tái)綜合性的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在變工況時(shí)對(duì)制冷系統(tǒng)的制冷量和冷凝器性能進(jìn)行測(cè)試研究。根據(jù)汽車(chē)空調(diào)H型熱力膨脹閥生產(chǎn)廠家提供的信息，膨脹閥出現(xiàn)“嘯叫”的現(xiàn)象主要在汽車(chē)空調(diào)開(kāi)停機(jī)、汽車(chē)突然加減速和變工況的情況下。因此，實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要能夠模擬汽車(chē)空調(diào)開(kāi)停機(jī)和汽車(chē)突然加減速時(shí)壓縮機(jī)隨之加減速的情況。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)中需用電動(dòng)機(jī)代替汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)給汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)提供動(dòng)力，所以要給該動(dòng)力電機(jī)配備一臺(tái)變頻器，且該電動(dòng)機(jī)最好也選用變頻電機(jī)。另外要實(shí)現(xiàn)變工況就需要搭建一個(gè)冷凝室。在實(shí)驗(yàn)室中需要對(duì)下面的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量分析：蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力和溫度等。2.2汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)2.2.1汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)主要的部件有：壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、儲(chǔ)液干燥器、蒸發(fā)器等，圖2-1所示的是制冷系統(tǒng)基本組成的主要部分。圖2-1制冷系統(tǒng)基本組成主要部件1—冷凝器2—壓縮機(jī)3—蒸發(fā)器4—節(jié)流裝置5—低壓軟管（蒸氣）6—高壓軟管（液體）7—高壓軟管（蒸氣）8—儲(chǔ)液干燥器2.2.2汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的工作原理1）汽車(chē)空調(diào)制冷工作原理制冷空調(diào)系統(tǒng)都是通過(guò)制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)以及相變實(shí)現(xiàn)制冷，制冷工作原理如圖2-2所示。圖2-2汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)工作原理1—壓縮機(jī)2、5、7—高壓管3—冷凝器4—冷卻風(fēng)扇6—儲(chǔ)液干燥器8—膨脹閥9、13—低壓管10—蒸發(fā)器11—鼓風(fēng)機(jī)12—感溫器汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷的原理跟普通空調(diào)一樣，也是通過(guò)系統(tǒng)中各部件的工作，讓制冷劑在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)和相變，通過(guò)制冷劑的流動(dòng)和相變帶走和吸收釋放熱量。系統(tǒng)中，壓縮機(jī)通過(guò)對(duì)低壓低溫的氣體制冷劑進(jìn)行壓縮將其壓縮為高溫高壓的氣體制冷劑；再進(jìn)入冷凝器中進(jìn)行相變放熱后變?yōu)楦邷馗邏旱囊后w制冷劑后流入儲(chǔ)液干燥器；干燥器對(duì)制冷劑進(jìn)行過(guò)濾、吸水后流向膨脹閥，制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓后變?yōu)榈蛪旱蜏氐囊后w制冷劑，其中少量制冷劑氣化為蒸氣；接著制冷劑流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中制冷劑通過(guò)相變吸熱后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)制冷劑，冷凝劑的冷量由蒸發(fā)風(fēng)機(jī)吹出的空氣帶到汽車(chē)車(chē)廂內(nèi)從而降低車(chē)內(nèi)空氣的溫度；從蒸發(fā)器中出來(lái)的制冷劑在被壓縮機(jī)吸入形成循環(huán)，在整個(gè)循環(huán)中壓縮機(jī)也有提供循環(huán)動(dòng)力的作用。2）汽車(chē)空調(diào)制冷過(guò)程蒸汽壓縮式制冷過(guò)程如圖2-3所示。制冷劑在制冷系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)、相變，從而達(dá)到傳送冷量、熱量的目的，最終實(shí)現(xiàn)制冷。制冷劑要經(jīng)過(guò)壓縮升壓、冷凝放熱、節(jié)流降壓和蒸發(fā)吸熱四個(gè)過(guò)程后在制冷系統(tǒng)中完成了一次循環(huán)，同時(shí)也達(dá)到了制冷的目的。圖2-3空調(diào)制冷過(guò)程壓縮過(guò)程：從蒸發(fā)器流出的低溫低壓的制冷劑吸入壓縮機(jī)后經(jīng)過(guò)壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w制冷劑后在進(jìn)入冷凝器中冷凝，壓縮過(guò)程不但使制冷劑得到了冷凝需要的溫度和壓力也是整個(gè)循環(huán)過(guò)程中的循環(huán)動(dòng)力。冷凝過(guò)程：高溫高壓的氣體制冷劑進(jìn)入冷凝器后通過(guò)冷凝器和空氣換熱后釋放了潛熱后相變?yōu)橐簯B(tài)的高溫高壓的制冷劑。這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了把制冷系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的熱量和從車(chē)箱內(nèi)帶走的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。節(jié)流過(guò)程：高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥后降低了壓力，變成了低溫低壓的液態(tài)制冷劑。節(jié)流過(guò)程使制冷劑得到了蒸發(fā)吸熱需要的溫度和壓力，達(dá)到了蒸發(fā)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)條件。蒸發(fā)過(guò)程：低溫低壓的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸收空氣的熱量實(shí)現(xiàn)相變吸熱，帶走了車(chē)廂內(nèi)的熱量釋放了冷量，最后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)制冷劑?？照{(diào)系統(tǒng)通過(guò)制冷劑的循環(huán)不斷進(jìn)行上面四個(gè)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)不斷的將車(chē)內(nèi)的熱量“搬”到外界空氣中去，達(dá)到制冷的目的。2.2.3汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的選型考慮到制冷系統(tǒng)分別選型后存在的安裝以及性能匹配等問(wèn)題，決定選擇長(zhǎng)城風(fēng)駿的一款皮卡車(chē)的整套汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，這樣一來(lái)系統(tǒng)中各部件之間的連接件、管道以及蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)都將選定，如此不但方便系統(tǒng)安裝而且空調(diào)系統(tǒng)的整體性能會(huì)比較良好。下面就對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)中各部件的功能做一簡(jiǎn)介。2.2.4壓縮機(jī)選型所選汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)為旋葉式12、13、14系列JSS-D14壓縮機(jī)，如圖2-4為該壓縮機(jī)的實(shí)物圖，圖2-5為安裝方式圖。圖2-4壓縮機(jī)的實(shí)物圖軸裝式（正面去掉電磁離合器）軸裝式（側(cè)面）軸裝式（反面）直裝式（正面去掉電磁離合器）直裝式（側(cè)面）直裝式（反面）蝶裝式（正面去掉電磁離合器）蝶裝式（側(cè)面）蝶裝式（反面）圖2-5壓縮機(jī)安裝方式圖表2-1為壓縮機(jī)規(guī)格參數(shù)：表2-1壓縮機(jī)規(guī)格參數(shù)如圖2-6為壓縮機(jī)性能曲線：圖2-6壓縮機(jī)性能曲線汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的電磁離合器汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)的動(dòng)力不是電力，而是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在汽車(chē)行駛的時(shí)候不一定需要使用空調(diào)，這就需要汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)有一個(gè)不同于普通空調(diào)的部件——電磁離合器，電磁離合器的作用如下。壓縮機(jī)電磁離合器的作用其實(shí)就是把壓縮機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)連接起來(lái)，在通過(guò)自身的吸合和釋放達(dá)到控制發(fā)動(dòng)機(jī)是否帶動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的，其最終作用就是空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。電磁離合器的動(dòng)作受到空調(diào)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)和系統(tǒng)保護(hù)裝置壓力和溫度保護(hù)器的控制。2.2.5冷凝器的選型冷凝器的作用冷凝器是將溫高壓的氣體制冷劑進(jìn)入冷凝器后通過(guò)冷凝器和空氣換熱后釋放了潛熱后相變?yōu)橐簯B(tài)的高溫高壓的制冷劑的換熱器。這個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了把制冷系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的熱量和從車(chē)箱內(nèi)帶走的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。幾種冷凝器的特點(diǎn)比較管片式冷凝器是冷凝器最早使用的換熱器形式。管片式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，造價(jià)低，缺點(diǎn)是散熱效率比較低。管帶式冷凝器的連接都是通過(guò)焊接完成，這樣可以使散熱管與制冷劑有比較高的傳熱效率。管片式冷凝器的特點(diǎn)有：（1）當(dāng)截兩種管的面積相同時(shí)，橢圓扁管與制冷劑的接觸面積比圓管大，這樣，管道與制冷劑的換熱效果比較好；（2）扁管的迎風(fēng)面積小，形成比較有利的流形，氣體阻力小，背風(fēng)面渦流區(qū)小。這樣，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)換熱效果好，而流動(dòng)阻力??；（3）結(jié)構(gòu)緊湊。在相同量的管簇時(shí)，扁管肋片所占面積小。這樣，相同的外形尺寸，扁管的換熱面積較大；（4）整體結(jié)構(gòu)都是由鋁材制造，重量比較小，成本也有所下降；（5）蛇形管的彎頭比較少，多以所需要的焊接也比較少，制造起來(lái)簡(jiǎn)單，所以成本會(huì)比較低。管帶式冷凝器目前只是在轎車(chē)上有較多應(yīng)用。[9]鰭片式冷凝器是把一系列表面銑出鰭片狀的散熱片的管道組裝在一起，做成一個(gè)整體的冷凝器。這樣管道和散熱片為一整體，其換熱效率比管帶式冷凝器有5%的提高，并且比較節(jié)省制造成本，而且其抗振性特別好。鰭片式冷凝器無(wú)需焊接，簡(jiǎn)化了工藝，但銑削需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備。平流式冷凝器是管帶式冷凝器的進(jìn)一步發(fā)展。平流式冷凝器改變了管帶式單條蛇形扁管的結(jié)構(gòu)形式，采用了兩條集流管間連接多條扁管的結(jié)構(gòu)形式。平流式冷凝器是將制冷劑從一端的分流管中分散流入一系列扁管中去，制冷劑從扁管中流到另一端后收集到集流管中。平流式冷凝器的優(yōu)點(diǎn)是：壓力變化小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高。平流式是最有發(fā)展前途的冷凝器，但目前存在有待解決的問(wèn)題，比如其焊點(diǎn)多且焊點(diǎn)長(zhǎng)，工作的可靠性和耐久性有待提高[9]。本系統(tǒng)中冷凝器為平流式冷凝器。2.2.6蒸發(fā)器的選型1）蒸發(fā)器的作用蒸發(fā)器也是利用空氣流動(dòng)換熱和輻射換熱將制冷劑從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后吸熱已達(dá)到降低車(chē)內(nèi)空氣溫度的換熱器。幾種冷凝器的特點(diǎn)比較管片式和管帶式蒸發(fā)器與管片式和管帶式冷凝器的特點(diǎn)相同，這里不再贅述。層疊式蒸發(fā)器的每一層是用鋁制的平板中間夾一層波形翅片，兩側(cè)再用封條密封而成。相比于管片式和管帶式蒸發(fā)器，層疊式蒸發(fā)器的特點(diǎn)如下：（1）結(jié)構(gòu)緊湊。在這種換熱器中，翅片的傳熱面積占總傳熱面積的比例很大，在較小的體積內(nèi)可以有很大的傳熱面積，結(jié)構(gòu)最緊湊，傳熱效率也高，比管帶式約高10%；（2）這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷凝器制造難度比較大，所需成本高，而且抗振性不好導(dǎo)致制冷劑容易泄漏；（3）制冷劑流道狹窄，比較容易造成堵塞，而且在堵塞后不好清洗。[1]2.2.7膨脹閥選型膨脹閥的介紹汽車(chē)空調(diào)膨脹閥屬于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)流裝置，它的作用有：節(jié)流降壓、調(diào)節(jié)流量、防止液擊和過(guò)熱。膨脹閥主要有電子膨脹閥和熱力膨脹閥，汽車(chē)空調(diào)上主要使用的是熱力膨脹閥，而熱力膨脹閥又有三種形式：內(nèi)平衡式膨脹閥、外平衡式膨脹閥和H型膨脹閥。由于本實(shí)驗(yàn)臺(tái)是研究H型膨脹閥的，故在此介紹一下H型膨脹閥。H型膨脹閥安裝在蒸發(fā)器的進(jìn)、出口之間，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖如圖2-7所示。圖2-7膨脹閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖1—感溫包2—膜片3—球閥4—球閥彈簧5—調(diào)整螺柱H型膨脹閥中的節(jié)流孔是由球閥3和閥體之間的縫隙來(lái)?yè)?dān)當(dāng)?shù)?，它的開(kāi)合可以控制制冷劑流量的大小，圖中溫包桿1和球閥彈片4一起控制節(jié)流孔球閥的開(kāi)度。在連接蒸發(fā)器和壓縮機(jī)兩接口之間的通道中，溫包桿垂直穿過(guò)。溫包桿上部為空心，頂部與膜片連接且密封，其空腔構(gòu)成了一個(gè)感溫包，溫包桿上部為實(shí)心，下端接觸球閥，成為球閥開(kāi)度調(diào)整機(jī)構(gòu)的頂桿。由于蒸發(fā)器出口的制冷劑直接流經(jīng)膨脹閥，因此H型膨脹閥不需要細(xì)長(zhǎng)的毛細(xì)管。又因?yàn)槟て瑐?cè)承受的是蒸發(fā)器的出口壓力，不用平衡管卻與外平衡式膨脹閥有同樣的節(jié)流控制效果。H型熱力膨脹閥和其他兩種熱力膨脹閥的工作方法是一樣的，而H型膨脹閥作為整體型膨脹閥有這些優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊；可靠性高。維修調(diào)試方便。2.3制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算1、制冷系統(tǒng)工況的確定（1）冷凝溫度tk的確定汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中一般都使用風(fēng)冷式冷凝器。而對(duì)于冷凝器來(lái)說(shuō)環(huán)境溫度tw（主要考慮夏季環(huán)境溫度）是決定冷凝溫度tk的主要因素。由于汽車(chē)空調(diào)所處的環(huán)境一般都比較惡劣，所以取tk=43℃。在風(fēng)冷式冷凝器中，一般取冷凝溫度tk比環(huán)境溫度高13—16℃。既tk=tw+x對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，確定冷凝溫度tk還需要考慮這些因素：a、風(fēng)冷式冷凝器的傳熱系數(shù)比較低，而汽車(chē)空調(diào)的安裝空間有限導(dǎo)致汽車(chē)空調(diào)冷凝器不能設(shè)計(jì)的太大，所以一般需要增大傳熱溫差，以提高冷凝溫度tk的辦法來(lái)解決換熱問(wèn)題。b、汽車(chē)空調(diào)冷凝器的工作環(huán)境比較惡劣，很容易會(huì)有積灰和雜質(zhì)覆蓋，減小了傳熱系數(shù)。c、汽車(chē)空調(diào)冷凝器受到地面輻射的影響較大。由于這些原因，故選擇冷凝器溫度tk與環(huán)境溫度的差值為17℃。既：tk=tw+17=60℃（2）蒸發(fā)溫度t0是主要由所要控制的空間的要求溫度來(lái)決定的，其所使用蒸發(fā)器的類(lèi)型和被冷卻介質(zhì)的性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)溫度的大小也有很大的影響。如果t0降低，壓縮機(jī)制冷量會(huì)隨之降低。這種情況下通過(guò)提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到增加制冷劑循環(huán)量。經(jīng)過(guò)綜合考慮，蒸發(fā)溫度t0選為0℃是合適的。（3）過(guò)冷度Δtsc取Δtsc=5℃（4）過(guò)熱度Δtsh汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)多采用熱力膨脹閥供液，為了確保壓縮機(jī)干沖程，充分發(fā)揮蒸發(fā)器的有效傳熱面積，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度一般為5—7℃。對(duì)于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，壓縮機(jī)吸氣溫度一般為15—18℃。當(dāng)蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，有效過(guò)熱為5—7℃，無(wú)效過(guò)熱為10—11℃，總的過(guò)熱度Δtsh=15—18℃，這里取Δtsh=15℃制冷系統(tǒng)制冷量的確定根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線圖2-6得到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與制冷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表2-2：表2-2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與制冷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系表壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）1000200030004000制冷量（W）28125760823711028取壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4000rpm，制冷量為11kW。取壓縮機(jī)的容積效率λ和指示效率ηi都為0.8。3、制冷系統(tǒng)的熱力計(jì)算繪制R134a制冷劑壓—焓圖上該工況的循環(huán)圖，如圖2-8所示。根據(jù)以上所述，制冷循環(huán)的工況參數(shù)為：tk=60℃；t0=0℃；t3=tk-Δtsc=55℃；t1=t0+Δtsh=15℃圖2-8R134a制冷劑壓焓圖查R134a的熱力性質(zhì)圖和表，得循環(huán)各特征點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如下表2-3所示。表2-3循環(huán)各特征點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)表點(diǎn)號(hào)p/MPat/℃h/(kJ/kg)v/(m3/kg)00.2930397.310.29315410.9710.013321.681450.15531.68155279.301單位質(zhì)量制冷量q0=h0-h4=397.3—279.301=117.999kJ/kg單位容積制冷量qzv=q0/v1=117.999/0.0133=8872.11kJ/m3理論比功ω=h2-h1=450.155-410.971=39.18kJ/kg指示比功ωi=ω/ηi=39.18/0.8=48.98kJ/kg冷凝器入口的制冷劑比焓值h2s因ωi=h2s-h1，所以h2s=ωi+h1=48.98+410.971=459.951kJ/kg性能系數(shù)理論值COP=q0/ω=117.999/39.18=3.012指示值COPi=q0/ωi=117.999/48.98=2.409冷凝器的單位熱負(fù)荷qk=h2s-h3=459.951-279.301=180.65kJ/kg制冷劑循環(huán)的質(zhì)量流量qm=Φ0/q0=11/117.999=93.2×10-3kg/s實(shí)際輸氣量和理論輸氣量qvs=qmv1=93.2×10-3×0.0133=1.24×10-3m3/sqvh=qvs/λ=1.24×10-3/0.8=1.55×10-3m3/s壓縮機(jī)消耗的理論功率P=qmω=93.2×10-3×39.18=3.65kWPi=P/ηi=3.65/0.8=4.56kW冷凝器熱負(fù)荷Φk=qmqk=93.2×10-3×180.65=16.84kW2.4壓縮機(jī)動(dòng)力電機(jī)的選型計(jì)算汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般是在0—6000rpm內(nèi)，貨車(chē)為0到2800rpm[10]。怠速時(shí)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速一般為600—1000rpm?？紤]到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般不會(huì)太高，所以設(shè)定該試驗(yàn)臺(tái)代替汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0到4000rpm，這樣既可以實(shí)現(xiàn)該試驗(yàn)臺(tái)的功能也不會(huì)因選型過(guò)大而增加設(shè)計(jì)難度和資源浪費(fèi)。根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線圖2-6可以得到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與功率消耗對(duì)應(yīng)表2-4：表2-4壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與功率消耗對(duì)應(yīng)表壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）1000200030004000功率消耗（W）1344270241235502故取壓縮機(jī)的最大消耗功率為5.5kW。根據(jù)壓縮機(jī)消耗功率選擇壓縮機(jī)動(dòng)力電機(jī)為型號(hào)為YVF2-132S-4的變頻調(diào)速三相異步電機(jī)。YVF2系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī)使用條件：海拔不超過(guò)1000m；2.環(huán)境溫度不超過(guò)40℃，最低不超過(guò)15℃；3.相對(duì)濕度為90%。表2-5YVF2系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)（部分）表型號(hào)標(biāo)稱(chēng)功率Wk標(biāo)稱(chēng)電流A額定轉(zhuǎn)矩N.m最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)重量（kg）YVF2-90S-41.13.07.02.817YVF2-90L-41.54.09.527YVF2-100L1-42.25.214.033YVF2-100L2-43.07.019.037YVF2-112M-44.09.025.444YVF2-132S-45.511.535.080YVF2-132M-47.515.547.797YVF2-160M-411.02270.0125YVF2-160L-415.02995.5140YVF2-180M-418.537117.1210表2-6YVF2系列配套風(fēng)機(jī)及制動(dòng)器有關(guān)參數(shù)表型號(hào)風(fēng)機(jī)功率(W)風(fēng)機(jī)電壓(V)力矩(N.m)電壓(V)功率(W)YVF2-9060三相380V50Hz159960YVF2-10060309980YVF2-1126040170110YVF2-1326080170130YVF2-16060150170150YVF2-180230200170150YVF2-200230300170200YVF2-225230450170200YVF2-2502305501703002.5冷凝風(fēng)機(jī)的選型計(jì)算風(fēng)機(jī)選型主要根據(jù)所需風(fēng)量風(fēng)壓去選擇。實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要模擬汽車(chē)行駛過(guò)程中空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而在汽車(chē)行駛中冷凝風(fēng)主要來(lái)自汽車(chē)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)速，故這里我們先以60km/h風(fēng)速計(jì)算風(fēng)機(jī)風(fēng)量：風(fēng)量=冷凝器面積×風(fēng)速冷凝器面積=0.67×0.35=0.24m2風(fēng)量=0.24×60×1000=14400m3/h選擇上虞市華成風(fēng)機(jī)有限公司T35系列風(fēng)機(jī)。下面是該系列的實(shí)物圖2-8、外形尺寸表及性能參數(shù)表：圖2-8風(fēng)機(jī)實(shí)物圖表2-7風(fēng)機(jī)外形尺寸表機(jī)號(hào)尺寸(單位：mm)DD1L1L2L3L4HΦ12.8290350220260150250200Φ8.53.15325390220260150250220Φ8.53.55365430260300200300240Φ8.54410480260300200300260Φ10.54.5460530280320250350290Φ10.55510580310350300400320Φ10.55.6570650380420400500360Φ10.56.3640720400460400500400Φ12.57.1720800420480500600440Φ12.58810890460520500600500Φ12.59910990590650600700540Φ12.51010101100690750600700595Φ12.511.211301230770830700800640Φ12.5

表2-8T35型風(fēng)機(jī)性能參數(shù)表(部分)機(jī)號(hào)7.1轉(zhuǎn)速(rpm)1450960葉角(deg)15202530351520253035風(fēng)量(m3/h)1344417670218952381526120890211700144981576917296風(fēng)壓(Pa)249277284306380110122125134167功率(kW)1.52.22.2340.750.750.750.751.1根據(jù)風(fēng)機(jī)廠商提供的信息，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量有實(shí)際使用系數(shù)0.85，故應(yīng)選風(fēng)量大于1694m3/h的風(fēng)機(jī)。綜上所述，最終選定風(fēng)機(jī)型為：機(jī)號(hào)7.1，轉(zhuǎn)速1450rpm，風(fēng)量17670m3/h，風(fēng)壓277Pa，功率2.2kW，風(fēng)機(jī)尺寸如上表中所示。2.6壓縮機(jī)動(dòng)力電機(jī)變頻器和冷凝風(fēng)機(jī)變頻器的選型變頻器的選型介紹：1、確定負(fù)載機(jī)械特性，確定負(fù)載機(jī)械特性后，再選擇變頻器和電機(jī)，否則所選電器不能充分發(fā)揮性能。[11]2、根據(jù)負(fù)載特性，選擇變頻器控制方式。選擇變頻器，其容量、電源相數(shù)、電壓等級(jí)等項(xiàng)目容易確定，變頻器選定后，還要考慮是否加裝電抗器、濾波器、制動(dòng)電阻等，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載還要考慮是否采用變頻電機(jī)等。[12]表2-9變頻器的選型表型號(hào)額定電壓額定功率壓縮機(jī)動(dòng)力電機(jī)變頻器VFD075B43A380V7.5KW冷凝風(fēng)機(jī)變頻器VFD037F43A380V3.7KW2.7測(cè)量?jī)x器的選擇實(shí)驗(yàn)臺(tái)中需要測(cè)量的數(shù)據(jù)有：蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、冷凝后壓力蒸發(fā)前既節(jié)流后壓力；蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、冷凝器前后空氣溫度。1、選擇的對(duì)應(yīng)測(cè)量?jī)x器如下表：表2-10測(cè)量?jī)x器選型表設(shè)備型號(hào)參數(shù)數(shù)量壓力傳感器美國(guó)OmegaPX409-150DDUV0—150psi/10bar3美國(guó)OmegaPX409-500DDUV0—500psi/35bar2溫度傳感器美國(guó)Omega5TC-GG-T-20-7220號(hào)線規(guī)80英寸6風(fēng)速計(jì)法國(guó)KIMOCTV1000—20m/s-20—80℃12、壓力傳感器相關(guān)介紹：（1）規(guī)格：輸出：10mV/V，比率式電源電壓：5~10Vdc電流消耗：5mA@10Vdc輸入阻抗：1000~5000Ω輸出阻抗：5000Ω±10%（常規(guī)）零點(diǎn)平衡：量程≤1psi：通常為±1%（最大值為2%）量程>1psi：通常為±0.5%（最大值為1%）跨距設(shè)置：量程≤1psi：通常為±1%（最大值為2%）量程>1psi：通常為±0.5%（最大值為1%）（2）單位換算0.1MPa=100kPa=1bar＝14.5PSI=30inHg3、溫度傳感器相關(guān)介紹：表2-11溫度傳感器（熱電偶）型號(hào)解釋(1)熱電偶絕緣GG代表玻纖編織；TT代表PFA；KK代表聚酰亞胺(2)熱電偶類(lèi)型J代表J型熱電偶；K代表K型熱電偶；T代表T型熱電偶；E代表E熱電偶(3)線規(guī)20代表20號(hào)線規(guī)；24代表24號(hào)線規(guī)；30代表30號(hào)線規(guī)；36代表36號(hào)線規(guī)(僅適用于TT和KK絕緣)；40代表40號(hào)線規(guī)（僅適用于TT和KK絕緣）(4)熱電偶長(zhǎng)度36代表40英寸；72代表80英寸；定制代表定制長(zhǎng)度英寸（從12至600英寸，只整數(shù)）4、風(fēng)速計(jì)相關(guān)介紹：表2-12CTV100熱線風(fēng)速儀產(chǎn)品規(guī)格表測(cè)量對(duì)象溫度風(fēng)速量程0—50℃

-20—80℃

-50—50℃

0—100℃0—5m/s

0—10m/s

0—15m/s

0—20m/s

0—30m/s單位℃，oFm/s，rpm精度±0.5%讀數(shù)±0.4℃±3%讀數(shù)±0.3m/s分辨率0.1℃0.1m/s防護(hù)等級(jí)IP65傳感器熱線式風(fēng)速，A類(lèi)Pt100輸出0—10V或4—20mA（根據(jù)型號(hào)）適用環(huán)境空氣或中性氣體外殼ABS

3汽車(chē)空調(diào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總設(shè)計(jì)方案冷凝室的設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要控制冷凝溫度，就需要把冷凝器和風(fēng)機(jī)封閉起來(lái)，故要設(shè)計(jì)冷凝室。下圖3-1是冷凝室初步設(shè)計(jì)圖，在冷凝器中，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣形成循環(huán)的流動(dòng)，通過(guò)進(jìn)出風(fēng)口的開(kāi)關(guān)可以選擇是否有新風(fēng)進(jìn)入冷凝室，因?yàn)槔淠鲗?shí)在散熱，所以如此可以達(dá)到升高與降低冷凝室的溫度。圖3-1冷凝室初步設(shè)計(jì)圖如下圖3-2所示為考慮到冷凝室與試驗(yàn)臺(tái)接合安裝的最終設(shè)計(jì)圖：圖3-2冷凝室最終設(shè)計(jì)圖圖3-3實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終設(shè)計(jì)圖（正面）1-壓縮機(jī)2-電動(dòng)機(jī)3-蒸發(fā)器4-膨脹閥5-動(dòng)力電機(jī)變頻器6-風(fēng)機(jī)變頻器7-壓力傳感器8-視液鏡上圖3-3是實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終設(shè)計(jì)圖（正面），系統(tǒng)中由電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)壓縮機(jī)1運(yùn)行，變頻器5用來(lái)改變電機(jī)2的轉(zhuǎn)速已達(dá)到壓縮機(jī)變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的開(kāi)停機(jī)以及汽車(chē)空調(diào)變轉(zhuǎn)速的運(yùn)行情況，再通過(guò)壓力、溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)在這些運(yùn)行情況下的壓力溫度等數(shù)據(jù)變化；通過(guò)變速試驗(yàn)找出膨脹閥“嘯叫”的狀態(tài)，測(cè)量并記錄此時(shí)系統(tǒng)中壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程和各溫度壓力變化過(guò)程，從而分析產(chǎn)生“嘯叫”的原因；圖中6為冷凝風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻器，用來(lái)控制冷凝風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到變工況運(yùn)行的目的；圖中4為膨脹閥，膨脹閥為本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要研究對(duì)象之一；圖中7為三個(gè)壓力傳感器，分別測(cè)量蒸發(fā)器進(jìn)出口管道中冷劑壓力；圖中7為蒸發(fā)器，為所選汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)的整體配置；8為視液鏡。圖3-4實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終設(shè)計(jì)圖（背面）1-冷凝風(fēng)機(jī)2-冷凝器3-壓力傳感器4-送風(fēng)開(kāi)關(guān)5-隔板6-排風(fēng)扇上圖3-4是實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終設(shè)計(jì)圖（背面），背面主要為冷凝室，其主要作用在圖3-1中有提到，這里就不贅述。本圖中3為兩個(gè)壓力傳感器，用來(lái)測(cè)量冷凝器進(jìn)出口處管道中冷劑壓力；4為蒸發(fā)器送風(fēng)管口擋片，用來(lái)控制蒸發(fā)器送風(fēng)開(kāi)關(guān)及大小，以降低冷凝器內(nèi)溫度達(dá)到控制冷凝室內(nèi)冷凝環(huán)境溫度；5為冷凝室排風(fēng)口以及壓縮機(jī)散熱隔板；6為蒸發(fā)器排風(fēng)扇。

4總結(jié)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是對(duì)自己所學(xué)知識(shí)的鞏固和檢驗(yàn)，同時(shí)也學(xué)到了很多新知識(shí)。從閱讀翻譯文獻(xiàn)到如今的論文基本完成，自己從系統(tǒng)到各零部件有了更深的認(rèn)知。(1)、通過(guò)學(xué)習(xí)汽車(chē)空調(diào)方面的文獻(xiàn)資料，使我對(duì)汽車(chē)空調(diào)有了很深入的了解，對(duì)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中各部件有別于普通空調(diào)的特點(diǎn)及原理有了一個(gè)較全面的了解，也看到了有關(guān)汽車(chē)空調(diào)研究的需求；(2)、在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)以及制冷系統(tǒng)和各部件的選型中，基本