小型汽車空調系統(tǒng)實驗臺的設計

緒論1.1研究背景1.1.1汽車空調的介紹汽車空調是用來調節(jié)汽車車內(nèi)溫度、濕度和舒適度的安裝在汽車上的制冷空調系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代科技與經(jīng)濟的發(fā)展，人們對汽車空調的要求越來越高，如今汽車空調基本已經(jīng)可以實現(xiàn)跟普通家用空調的功能，如制冷、制熱、調節(jié)濕度、空氣清潔[1]。同時，汽車空調也有跟普通空調不一樣的地方：因為汽車空調的工作環(huán)境與運行安裝有很大的不同，所以汽車空調就需要有一下幾點特點：[2]能夠承受比較大的振動和沖擊。汽車作為交通工具需要在不同的路上行駛，這就導致汽車在行駛過車中汽車空調有很大的振動和收到?jīng)_擊。所以，汽車空調系統(tǒng)中個部件和連接件都要能承受比較大的振動與沖擊，以防止空調系統(tǒng)的損壞和制冷劑的泄漏；汽車空調需要有較大的制冷量。汽車空調的工作環(huán)境比較惡劣，室外溫度高，且車內(nèi)人員密度大。這種工作環(huán)境使得汽車空調要負擔的排熱量要比室內(nèi)空調大得多。因此，汽車空調需要有較大的制冷量，要能在短時間內(nèi)把車內(nèi)溫度降下來；汽車空調壓縮機的動力不是電力，而是汽車發(fā)動機。汽車空調不能使用電網(wǎng)上的電，只能用發(fā)動機作為動力源，但這樣汽車空調使用的動力將減少汽車行駛的動力，而且如果空調效率不高時，空調的使用會增加很多油耗；汽車空調結構要求高。因為汽車的體積比較小，特別是小型汽車在保證乘客使用空間的情況下留給汽車動力和其它裝置的空間是非常小的。所以，對汽車空調結構的要求就比較高，需要它能結構緊湊、設計合理、質量可靠。1.1.2本課題的由來及意義根據(jù)汽車空調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出現(xiàn)“嘯叫”的現(xiàn)象。還有，考慮到汽車空調壓縮機轉速會根據(jù)發(fā)動機轉速的變化而變化，所以有必要對汽車空調壓縮機在變轉速時的空調整體效率以及換熱器效率做一些研究。針對以上兩個問題做了以下了解：汽車空調中H型熱力膨脹閥“嘯叫”的問題一直困擾著膨脹閥制造行業(yè)。據(jù)調查，消費者對有關膨脹閥噪聲的投訴是最多的，這也是整個行業(yè)中最普遍的問題[3]。目前實驗室現(xiàn)有的試驗臺只有小型空調實驗臺和小型冰箱實驗臺，沒有汽車空調實驗臺。而市場上的汽車空調實驗臺一般只是教學實驗臺，且實驗臺中帶動壓縮機的電機轉速不變，而汽車在真實的使用過程中車速是在不斷變化的，這也讓汽車空調壓縮機的轉速在不斷變化。因此，本課題就針對這些問題設計一臺綜合型的汽車空調實驗臺以實現(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)時汽車空調系統(tǒng)各部件特別是膨脹閥的運行參數(shù)；2、用以教學演示，分析汽車空調有別于普通空調的特性；3、模擬汽車空調啟動與關閉以及汽車發(fā)動機變速時空調的運行狀態(tài)，并予以記錄，用以分析變轉速時汽車空調各部件的工作狀況；4、作為一臺綜合性的實驗臺，在變工況時對制冷系統(tǒng)的制冷量和冷凝器性能進行測試研究。1.2國內(nèi)外關于汽車空調膨脹閥“嘯叫”的研究現(xiàn)狀1.2.1國外汽車空調膨脹閥“嘯叫”的研究在汽車空調嘯叫的問題上，F(xiàn)uchs等對節(jié)流短管的穩(wěn)態(tài)噪聲進行了研究，獲得了節(jié)流短管內(nèi)徑、長度與噪聲特性的關系。Amini對以空氣為工質的節(jié)流閥進行了實驗研究。對閥的閥頭，閥座結構進行了改進，噪聲降低了約10%。[3]在熱力膨脹閥噪聲產(chǎn)生的機理以及控制方法上，美國Illnois(伊利諾斯學院)制冷空調中心對熱力膨脹閥在不同工況下的穩(wěn)態(tài)噪聲進行了實驗研究，并對實驗結果進行了初步分析，獲得了熱力膨脹閥的穩(wěn)態(tài)噪聲與系統(tǒng)工作條件關系的定性結果。[3]Kam總結了閥內(nèi)噪聲的聲源可能是渦流混合，渦流/壁面相互作用，運動部件振動，運動部件振動/壁面相互作用，流動分離，漩渦脫離，或聲學共振。相關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的預估理論。[5]Heckle建立了基于薄圓柱殼體徑向及軸向波數(shù)變化來預測固有頻率的簡單關聯(lián)式。[6]Enrique研究了聲模態(tài)與管壁結構模態(tài)的禍合，并研究了噪聲通過節(jié)流機構管道或蒸發(fā)器壁面?zhèn)鞑サ臋C理。[7]1.2.2國內(nèi)汽車空調膨脹閥“嘯叫”的研究葉奇昉，陳江平建立了熱力膨脹閥瞬態(tài)噪聲試驗臺，對制冷系統(tǒng)開機過程中熱力膨脹閥嘯叫噪聲進行了實驗研究。獲得了熱力膨脹閥參數(shù)對瞬態(tài)噪聲的影響，獲得如下結論：系統(tǒng)啟動過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)時間4s左右。系統(tǒng)啟動過程中產(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)運動部件在水平方向振動，有利于降低膨脹閥嘯叫聲。熱力膨脹閥“嘯叫”是伴隨著空調系統(tǒng)的瞬態(tài)變化出現(xiàn)的（如系統(tǒng)啟動、關閉過程，壓縮機轉速突變等），持續(xù)時間在5s內(nèi)。[8]施駿業(yè)等人指出汽車空調系統(tǒng)發(fā)生“嘯叫”的噪聲源來自于型熱力膨脹閥的結構特點，并建立了閥芯運動部件模型，計算了閥芯的固有頻率，并進行了相關的試驗，獲得了當“嘯叫”產(chǎn)生時型閥的振動及噪聲頻譜圖以及無“嘯叫”產(chǎn)生時型閥的振動及噪聲頻譜圖。結果表明，閥芯運動部件第一階固有頻率較低，易誘發(fā)共振導致閥門頻繁開啟而產(chǎn)生“嘯叫”，據(jù)此對型閥結構進行了優(yōu)化，以改變固有頻率的方式來避免共振消除“嘯叫”。[8]

2實驗系統(tǒng)的設計計算及選型2.1實驗臺要實現(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)時汽車空調系統(tǒng)各部件特別是膨脹閥的運行參數(shù)；2、用以教學演示，分析汽車空調有別于普通空調的特性；3、模擬汽車空調啟動與關閉以及汽車發(fā)動機變速時空調的運行狀態(tài)，并予以記錄，用以分析變轉速時汽車空調各部件的工作狀況；4、作為一臺綜合性的實驗臺，在變工況時對制冷系統(tǒng)的制冷量和冷凝器性能進行測試研究。根據(jù)汽車空調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)象主要在汽車空調開停機、汽車突然加減速和變工況的情況下。因此，實驗臺需要能夠模擬汽車空調開停機和汽車突然加減速時壓縮機隨之加減速的情況。在實驗臺中需用電動機代替汽車發(fā)動機給汽車空調壓縮機提供動力，所以要給該動力電機配備一臺變頻器，且該電動機最好也選用變頻電機。另外要實現(xiàn)變工況就需要搭建一個冷凝室。在實驗室中需要對下面的數(shù)據(jù)進行測量分析：蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機進出口壓力和溫度等。2.2汽車空調制冷系統(tǒng)2.2.1汽車空調制冷系統(tǒng)簡介汽車空調系統(tǒng)主要的部件有：壓縮機、冷凝器、膨脹閥、儲液干燥器、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—儲液干燥器2.2.2汽車空調制冷系統(tǒng)的工作原理1）汽車空調制冷工作原理制冷空調系統(tǒng)都是通過制冷劑在系統(tǒng)中循環(huán)流動以及相變實現(xiàn)制冷，制冷工作原理如圖2-2所示。圖2-2汽車空調制冷系統(tǒng)工作原理1—壓縮機2、5、7—高壓管3—冷凝器4—冷卻風扇6—儲液干燥器8—膨脹閥9、13—低壓管10—蒸發(fā)器11—鼓風機12—感溫器汽車空調系統(tǒng)實現(xiàn)制冷的原理跟普通空調一樣，也是通過系統(tǒng)中各部件的工作，讓制冷劑在系統(tǒng)中實現(xiàn)循環(huán)和相變，通過制冷劑的流動和相變帶走和吸收釋放熱量。系統(tǒng)中，壓縮機通過對低壓低溫的氣體制冷劑進行壓縮將其壓縮為高溫高壓的氣體制冷劑；再進入冷凝器中進行相變放熱后變?yōu)楦邷馗邏旱囊后w制冷劑后流入儲液干燥器；干燥器對制冷劑進行過濾、吸水后流向膨脹閥，制冷劑經(jīng)過膨脹閥節(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)風機吹出的空氣帶到汽車車廂內(nèi)從而降低車內(nèi)空氣的溫度；從蒸發(fā)器中出來的制冷劑在被壓縮機吸入形成循環(huán)，在整個循環(huán)中壓縮機也有提供循環(huán)動力的作用。2）汽車空調制冷過程蒸汽壓縮式制冷過程如圖2-3所示。制冷劑在制冷系統(tǒng)中實現(xiàn)循環(huán)、相變，從而達到傳送冷量、熱量的目的，最終實現(xiàn)制冷。制冷劑要經(jīng)過壓縮升壓、冷凝放熱、節(jié)流降壓和蒸發(fā)吸熱四個過程后在制冷系統(tǒng)中完成了一次循環(huán)，同時也達到了制冷的目的。圖2-3空調制冷過程壓縮過程：從蒸發(fā)器流出的低溫低壓的制冷劑吸入壓縮機后經(jīng)過壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍怏w制冷劑后在進入冷凝器中冷凝，壓縮過程不但使制冷劑得到了冷凝需要的溫度和壓力也是整個循環(huán)過程中的循環(huán)動力。冷凝過程：高溫高壓的氣體制冷劑進入冷凝器后通過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。這個過程實現(xiàn)了把制冷系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的熱量和從車箱內(nèi)帶走的熱量轉移到空氣中。節(jié)流過程：高溫高壓液態(tài)制冷劑經(jīng)過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)流過程使制冷劑得到了蒸發(fā)吸熱需要的溫度和壓力，達到了蒸發(fā)過程的實現(xiàn)條件。蒸發(fā)過程：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現(xiàn)相變吸熱，帶走了車廂內(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{系統(tǒng)通過制冷劑的循環(huán)不斷進行上面四個過程，從而實現(xiàn)不斷的將車內(nèi)的熱量“搬”到外界空氣中去，達到制冷的目的。2.2.3汽車空調制冷系統(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題，決定選擇長城風駿的一款皮卡車的整套汽車空調系統(tǒng)，這樣一來系統(tǒng)中各部件之間的連接件、管道以及蒸發(fā)器風機都將選定，如此不但方便系統(tǒng)安裝而且空調系統(tǒng)的整體性能會比較良好。下面就對該空調系統(tǒng)中各部件的功能做一簡介。2.2.4壓縮機選型所選汽車空調壓縮機為旋葉式12、13、14系列JSS-D14壓縮機，如圖2-4為該壓縮機的實物圖，圖2-5為安裝方式圖。圖2-4壓縮機的實物圖軸裝式（正面去掉電磁離合器）軸裝式（側面）軸裝式（反面）直裝式（正面去掉電磁離合器）直裝式（側面）直裝式（反面）蝶裝式（正面去掉電磁離合器）蝶裝式（側面）蝶裝式（反面）圖2-5壓縮機安裝方式圖表2-1為壓縮機規(guī)格參數(shù)：表2-1壓縮機規(guī)格參數(shù)如圖2-6為壓縮機性能曲線：圖2-6壓縮機性能曲線汽車空調壓縮機的電磁離合器汽車空調壓縮機的動力不是電力，而是汽車發(fā)動機，但是在汽車行駛的時候不一定需要使用空調，這就需要汽車空調壓縮機有一個不同于普通空調的部件——電磁離合器，電磁離合器的作用如下。壓縮機電磁離合器的作用其實就是把壓縮機和發(fā)動機連接起來，在通過自身的吸合和釋放達到控制發(fā)動機是否帶動壓縮機轉動的目的，其最終作用就是空調系統(tǒng)的開關。電磁離合器的動作受到空調系統(tǒng)的開關和系統(tǒng)保護裝置壓力和溫度保護器的控制。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入冷凝器后通過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。這個過程實現(xiàn)了把制冷系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的熱量和從車箱內(nèi)帶走的熱量轉移到空氣中。幾種冷凝器的特點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)點有結構簡單，設計簡易，造價低，缺點是散熱效率比較低。管帶式冷凝器的連接都是通過焊接完成，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有：（1）當截兩種管的面積相同時，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）扁管的迎風面積小，形成比較有利的流形，氣體阻力小，背風面渦流區(qū)小。這樣，當風速一定時換熱效果好，而流動阻力小；（3）結構緊湊。在相同量的管簇時，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）整體結構都是由鋁材制造，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，制造起來簡單，所以成本會比較低。管帶式冷凝器目前只是在轎車上有較多應用。[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。鰭片式冷凝器無需焊接，簡化了工藝，但銑削需要專門的設備。平流式冷凝器是管帶式冷凝器的進一步發(fā)展。平流式冷凝器改變了管帶式單條蛇形扁管的結構形式，采用了兩條集流管間連接多條扁管的結構形式。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)點是：壓力變化小、質量小、結構緊湊、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題，比如其焊點多且焊點長，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)后吸熱已達到降低車內(nèi)空氣溫度的換熱器。幾種冷凝器的特點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)器的特點如下：（1）結構緊湊。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，結構最緊湊，傳熱效率也高，比管帶式約高10%；（2）這種結構復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空調膨脹閥屬于汽車空調系統(tǒng)中的節(jié)流裝置，它的作用有：節(jié)流降壓、調節(jié)流量、防止液擊和過熱。膨脹閥主要有電子膨脹閥和熱力膨脹閥，汽車空調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。由于本實驗臺是研究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、出口之間，其內(nèi)部結構和實物圖如圖2-7所示。圖2-7膨脹閥內(nèi)部結構和實物圖1—感溫包2—膜片3—球閥4—球閥彈簧5—調整螺柱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擔當?shù)?，它的開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)流孔球閥的開度。在連接蒸發(fā)器和壓縮機兩接口之間的通道中，溫包桿垂直穿過。溫包桿上部為空心，頂部與膜片連接且密封，其空腔構成了一個感溫包，溫包桿上部為實心，下端接觸球閥，成為球閥開度調整機構的頂桿。由于蒸發(fā)器出口的制冷劑直接流經(jīng)膨脹閥，因此H型膨脹閥不需要細長的毛細管。又因為膜片側承受的是蒸發(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：結構簡單，緊湊；可靠性高。維修調試方便。2.3制冷系統(tǒng)的熱力計算1、制冷系統(tǒng)工況的確定（1）冷凝溫度tk的確定汽車空調系統(tǒng)中一般都使用風冷式冷凝器。而對于冷凝器來說環(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。由于汽車空調所處的環(huán)境一般都比較惡劣，所以取tk=43℃。在風冷式冷凝器中，一般取冷凝溫度tk比環(huán)境溫度高13—16℃。既tk=tw+x對于空調系統(tǒng)，確定冷凝溫度tk還需要考慮這些因素：a、風冷式冷凝器的傳熱系數(shù)比較低，而汽車空調的安裝空間有限導致汽車空調冷凝器不能設計的太大，所以一般需要增大傳熱溫差，以提高冷凝溫度tk的辦法來解決換熱問題。b、汽車空調冷凝器的工作環(huán)境比較惡劣，很容易會有積灰和雜質覆蓋，減小了傳熱系數(shù)。c、汽車空調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決定的，其所使用蒸發(fā)器的類型和被冷卻介質的性質對蒸發(fā)溫度的大小也有很大的影響。如果t0降低，壓縮機制冷量會隨之降低。這種情況下通過提高壓縮機的轉速，可以達到增加制冷劑循環(huán)量。經(jīng)過綜合考慮，蒸發(fā)溫度t0選為0℃是合適的。（3）過冷度Δtsc取Δtsc=5℃（4）過熱度Δtsh汽車空調系統(tǒng)多采用熱力膨脹閥供液，為了確保壓縮機干沖程，充分發(fā)揮蒸發(fā)器的有效傳熱面積，蒸發(fā)器出口過熱度一般為5—7℃。對于汽車空調系統(tǒng)，壓縮機吸氣溫度一般為15—18℃。當蒸發(fā)溫度為0℃時，有效過熱為5—7℃，無效過熱為10—11℃，總的過熱度Δtsh=15—18℃，這里取Δtsh=15℃制冷系統(tǒng)制冷量的確定根據(jù)壓縮機性能曲線圖2-6得到壓縮機轉速與制冷量的對應關系表2-2：表2-2壓縮機轉速與制冷量的對應關系表壓縮機轉速（rpm）1000200030004000制冷量（W）28125760823711028取壓縮機轉速為4000rpm，制冷量為11kW。取壓縮機的容積效率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的熱力性質圖和表，得循環(huán)各特征點的狀態(tài)參數(shù)如下表2-3所示。表2-3循環(huán)各特征點的狀態(tài)參數(shù)表點號p/MPat/℃h/(kJ/kg)v/(m3/kg)00.2930397.310.29315410.9710.013321.681450.15531.68155279.301單位質量制冷量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冷凝器的單位熱負荷qk=h2s-h3=459.951-279.301=180.65kJ/kg制冷劑循環(huán)的質量流量qm=Φ0/q0=11/117.999=93.2×10-3kg/s實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冷凝器熱負荷Φk=qmqk=93.2×10-3×180.65=16.84kW2.4壓縮機動力電機的選型計算汽車發(fā)動機的轉速一般是在0—6000rpm內(nèi)，貨車為0到2800rpm[10]。怠速時汽車發(fā)動機的轉速一般為600—1000rpm?？紤]到汽車發(fā)動機轉速一般不會太高，所以設定該試驗臺代替汽車發(fā)動機的電動機轉速范圍為0到4000rpm，這樣既可以實現(xiàn)該試驗臺的功能也不會因選型過大而增加設計難度和資源浪費。根據(jù)壓縮機性能曲線圖2-6可以得到壓縮機轉速與功率消耗對應表2-4：表2-4壓縮機轉速與功率消耗對應表壓縮機轉速（rpm）1000200030004000功率消耗（W）1344270241235502故取壓縮機的最大消耗功率為5.5kW。根據(jù)壓縮機消耗功率選擇壓縮機動力電機為型號為YVF2-132S-4的變頻調速三相異步電機。YVF2系列變頻調速三相異步電機使用條件：海拔不超過1000m；2.環(huán)境溫度不超過40℃，最低不超過15℃；3.相對濕度為90%。表2-5YVF2系列變頻調速三相異步電機技術數(shù)據(jù)（部分）表型號標稱功率Wk標稱電流A額定轉矩N.m最大轉矩倍數(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系列配套風機及制動器有關參數(shù)表型號風機功率(W)風機電壓(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冷凝風機的選型計算風機選型主要根據(jù)所需風量風壓去選擇。實驗臺需要模擬汽車行駛過程中空調系統(tǒng)的工作狀態(tài)，而在汽車行駛中冷凝風主要來自汽車相對運動產(chǎn)生的風速，故這里我們先以60km/h風速計算風機風量：風量=冷凝器面積×風速冷凝器面積=0.67×0.35=0.24m2風量=0.24×60×1000=14400m3/h選擇上虞市華成風機有限公司T35系列風機。下面是該系列的實物圖2-8、外形尺寸表及性能參數(shù)表：圖2-8風機實物圖表2-7風機外形尺寸表機號尺寸(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型風機性能參數(shù)表(部分)機號7.1轉速(rpm)1450960葉角(deg)15202530351520253035風量(m3/h)1344417670218952381526120890211700144981576917296風壓(Pa)249277284306380110122125134167功率(kW)1.52.22.2340.750.750.750.751.1根據(jù)風機廠商提供的信息，風機的設計風量有實際使用系數(shù)0.85，故應選風量大于1694m3/h的風機。綜上所述，最終選定風機型為：機號7.1，轉速1450rpm，風量17670m3/h，風壓277Pa，功率2.2kW，風機尺寸如上表中所示。2.6壓縮機動力電機變頻器和冷凝風機變頻器的選型變頻器的選型介紹：1、確定負載機械特性，確定負載機械特性后，再選擇變頻器和電機，否則所選電器不能充分發(fā)揮性能。[11]2、根據(jù)負載特性，選擇變頻器控制方式。選擇變頻器，其容量、電源相數(shù)、電壓等級等項目容易確定，變頻器選定后，還要考慮是否加裝電抗器、濾波器、制動電阻等，恒轉矩負載還要考慮是否采用變頻電機等。[12]表2-9變頻器的選型表型號額定電壓額定功率壓縮機動力電機變頻器VFD075B43A380V7.5KW冷凝風機變頻器VFD037F43A380V3.7KW2.7測量儀器的選擇實驗臺中需要測量的數(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、壓縮機進出口溫度、冷凝器前后空氣溫度。1、選擇的對應測量儀器如下表：表2-10測量儀器選型表設備型號參數(shù)數(shù)量壓力傳感器美國OmegaPX409-150DDUV0—150psi/10bar3美國OmegaPX409-500DDUV0—500psi/35bar2溫度傳感器美國Omega5TC-GG-T-20-7220號線規(guī)80英寸6風速計法國KIMOCTV1000—20m/s-20—80℃12、壓力傳感器相關介紹：（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、溫度傳感器相關介紹：表2-11溫度傳感器（熱電偶）型號解釋(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號線規(guī)；24代表24號線規(guī)；30代表30號線規(guī)；36代表36號線規(guī)(僅適用于TT和KK絕緣)；40代表40號線規(guī)（僅適用于TT和KK絕緣）(4)熱電偶長度36代表40英寸；72代表80英寸；定制代表定制長度英寸（從12至600英寸，只整數(shù)）4、風速計相關介紹：表2-12CTV100熱線風速儀產(chǎn)品規(guī)格表測量對象溫度風速量程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防護等級IP65傳感器熱線式風速，A類Pt100輸出0—10V或4—20mA（根據(jù)型號）適用環(huán)境空氣或中性氣體外殼ABS

3汽車空調實驗臺的總設計方案冷凝室的設計：實驗臺需要控制冷凝溫度，就需要把冷凝器和風機封閉起來，故要設計冷凝室。下圖3-1是冷凝室初步設計圖，在冷凝器中，風機驅動空氣形成循環(huán)的流動，通過進出風口的開關可以選擇是否有新風進入冷凝室，因為冷凝器實在散熱，所以如此可以達到升高與降低冷凝室的溫度。圖3-1冷凝室初步設計圖如下圖3-2所示為考慮到冷凝室與試驗臺接合安裝的最終設計圖：圖3-2冷凝室最終設計圖圖3-3實驗臺最終設計圖（正面）1-壓縮機2-電動機3-蒸發(fā)器4-膨脹閥5-動力電機變頻器6-風機變頻器7-壓力傳感器8-視液鏡上圖3-3是實驗臺最終設計圖（正面），系統(tǒng)中由電動機2帶動壓縮機1運行，變頻器5用來改變電機2的轉速已達到壓縮機變轉速運行，從而實現(xiàn)制冷系統(tǒng)的開停機以及汽車空調變轉速的運行情況，再通過壓力、溫度傳感器測量系統(tǒng)在這些運行情況下的壓力溫度等數(shù)據(jù)變化；通過變速試驗找出膨脹閥“嘯叫”的狀態(tài)，測量并記錄此時系統(tǒng)中壓縮機運行過程和各溫度壓力變化過程，從而分析產(chǎn)生“嘯叫”的原因；圖中6為冷凝風機電機變頻器，用來控制冷凝風機轉速以達到變工況運行的目的；圖中4為膨脹閥，膨脹閥為本實驗臺的主要研究對象之一；圖中7為三個壓力傳感器，分別測量蒸發(fā)器進出口管道中冷劑壓力；圖中7為蒸發(fā)器，為所選汽車空調制冷系統(tǒng)的整體配置；8為視液鏡。圖3-4實驗臺最終設計圖（背面）1-冷凝風機2-冷凝器3-壓力傳感器4-送風開關5-隔板6-排風扇上圖3-4是實驗臺最終設計圖（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為兩個壓力傳感器，用來測量冷凝器進出口處管道中冷劑壓力；4為蒸發(fā)器送風管口擋片，用來控制蒸發(fā)器送風開關及大小，以降低冷凝器內(nèi)溫度達到控制冷凝室內(nèi)冷凝環(huán)境溫度；5為冷凝室排風口以及壓縮機散熱隔板；6為蒸發(fā)器排風扇。

4總結這次的畢業(yè)設計，是對自己所學知識的鞏固和檢驗，同時也學到了很多新知識。從閱讀翻譯文獻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知。(1)、通過學習汽車空調方面的文獻資料，使我對汽車空調有了很深入的了解，對汽車空調系統(tǒng)中各部件有別于普通空調的特點及原理有了一個較全面的了解，也看到了有關汽車空調研究的需求；(2)、在實驗臺的設計以及制冷系統(tǒng)和各部件的選型中，基本