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采用微通道换热器的二氧化碳汽车空调系统研究

金纪峰  
【摘要】:在各国对环保问题日益关注的形势下,汽车空调行业使用的温室气体制冷剂R134a面临巨大的替代压力,二氧化碳(CO_2)由于其高效及环境安全性而被认为是最有前景的替代制冷剂之一。为使我国汽车空调行业掌握二氧化碳跨临界循环制冷技术,在未来制冷剂替代技术中具有自己的核心竞争力,在上海市科技发展基金项目的资助下,本文对使用微通道换热器的新一代二氧化碳跨临界汽车空调系统进行了研究,其主要内容包括: 一、考虑二氧化碳作为制冷剂的特殊性,开发了微通道气冷器、微通道蒸发器和中间换热器的稳态仿真模型,通过与实验数据的比较,验证了所开发仿真模型的正确性。其中,蒸发器模型采用了最新制冷剂侧传热和压降关联式,并且考虑了进/出口集管及孔口处的压力损失,提高了在高蒸汽干度工况下传热和压降的计算精度。模型对制冷量、制冷剂侧压降和冷凝水排除率预测的平均标准偏差(RMS)分别为±1.9%、±12.3%和±8.2%,该仿真模型可用于指导蒸发器的优化设计。 二、研制了国内第一套由微通道换热器、变排量压缩机、套管式中间换热器、油分离器以及气液分离器等部件组成的二氧化碳跨临界汽车空调系统。该系统采用了传热性能优良的微通道气冷器及蒸发器,解决了以往二氧化碳汽车空调系统性能偏低的问题。同时,对该二氧化碳空调系统进行了实车在线测试,结果表明该系统的降温特性稍差于R134a系统,有待进一步的优化。 三、实验研究了节流阀开度、压缩机转速、充注量、气液分离器、气冷器迎面风速等对二氧化碳汽车空调系统的影响。实验结果表明:在带有气液分离器的二氧化碳汽车空调系统中,同样存在最佳充注量的问题;当压缩机转速为900rpm,环境温度为25℃时,系统COP最高可达2.83,较以往国内的管翅式换热器结构的CO_2系统性能提高34.8%;影响系统性能提高的主要因素来自于气冷器制冷剂侧的压降特性。 四、建立了二氧化碳汽车空调系统的稳态仿真模型及动态仿真模型。其中,稳态仿真模型的开发基于逐管计算的有限单元法,并且考虑了中间换热器及连接管路的影响因素。通过与实验数据的对比,该模型能够预测系统性能的偏差在±5%以内。动态模型的开发采用了集总参数法和相界面移动法相结合的方法,压缩机的效率由实验数据拟合得到;蒸发器的动态模型为出口带有气液分离器的结构形式。动态仿真结果表明,使用气液分离器的汽车空调系统的动态特性明显优于无气液分离器的系统。


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