二氧化碳汽车空调体系的动态仿真

二氧化碳汽车空调系统的动态仿真摘要：本文建立了跨临界二氧化碳汽车空调系统的动态仿真模型。利用移动边界法和平均空泡系数法对蒸发器建立了集总参数模型；利用移动边界法对气冷器和中间换热器分别建立了集总参数模型；由于压缩机和节流阀的热惯性较小，利用经验公式对它们建立了稳态模型。计算结果同实验数据的比较表明，该动态模型能比较准确地体现系统实际的动态性能。关键字：二氧化碳汽车空调动态仿真0前言出于环保的考虑，采用自然工质是21世纪制冷剂替代的必然趋势。自从挪威的PettersonJ和LorentzenG于上世纪90年代论述了自然工质CO2用于汽车空调系统的可能性并进行试验研究后，用跨临界CO2汽车空调系统逐渐成为其应用研究的热点。目前国内已有学者建立了CO2汽车空调系统和部件的稳态模型，进行了稳态仿真研究，取得了一定成果。但我们知道，汽车空调的压缩机一般由主发动机驱动，系统工作状态受车速影响很大，稳态模型难以准确模拟系统实际的工作状态。本文在实验的基础上建立了跨临界CO2汽车空调系统的动态仿真模型，用此模型分析了CO2汽车空调系统的一些动态特性，并通过实验进行了验证。1跨临界二氧化碳汽车空调模型所建立的二氧化碳汽车空调制冷系统模型的组成。其中，利用移动边界和平均空泡系数法对蒸发器建立了集总参数模型；对气冷器和中间换热器分别建立了集总参数模型；由于压缩机和节流阀的热惯性较小，利用经验公式对其建立了稳态模型。各部件模型间根据质量守恒和能量守恒原理联系起来，组成一个完整的系统模型。1.1压缩机模型对压缩机建立热力学模型，为了简化建模过程，作如下假设（1）由于压缩机的体积较小，而且置于几乎密闭的压缩机室中，因此可将其压缩看作是一绝热过程。（2）压缩机转速较快，吸气、压缩和排气过程都在很短的时间内完成，故可认为压缩机处于准稳态。压缩机的热力学参数主要包括制冷剂质量流量和出和出口焓以及输入功率，利用以下关系式求出（1）（2）（3）式中，mcom为压缩机中制冷剂质量流量，kg/s；ω为压缩机转速，rpm；V表示压缩机汽缸容积，m3；ν表示压缩机吸气比容，m3/kg；hci、hco、hco,i分别表示进口焓、出口焓和等熵出口焓，kJ/kg；W为压缩机输入功率，kW；ηvol、ηs分别表示压缩机的容积效率和等熵效率。根据相关文献和实验数据拟合可得容积效率和等熵效率的计算式[1]（4）（5）1.2气冷器模型为了降低模拟计算的难度，本文对换热器都建立集总参数模型。在对气冷器建模过程中，作如下假设：流（穿1窃）将气由冷器简状化为一涨水平的半细长管降，制冷类剂在其咏中单向典流动。削（刃2绢）气冷埋器中各语处的制朵冷剂压兄力都相超等，即摊忽略由桶制冷剂吗动量变业化和摩虫擦引起阶的沿轴匠向的压桑降。浅（井3谅）忽略印制冷剂护的轴向患热传导签和因摩映擦生成艳的热量名。输（资4工）认为截换热管颗壁各点言的温度球都相等贱。兄根据以惜上假设瞒，采用傲常用的江移动边中界模型稠[2]睬，只需程对该一章维流动蛇建立质碍量守恒蚀和能量药守恒方李程（6）（7）慧再根据烫管壁的去热平衡迹，可得半关系式汗：（8）旋在管内摇，驱CO踏2统单相流拴动，其虚换热系誉数众由旬Dit疏tus获-Bo飞elt案e剧r扫公式求炼出升[3]胡：（9）石κ见为制冷断剂的热藏传导系宗数敬，舞W/(缴m·K腐)饲；傍R仙e轿、章P带r约分别表响示管内予流动的杰雷诺数慌和普朗龙特数。苦空气侧容的换热暑系数选严用加热音工况下妙三角形别差排平誓翅片绕也圆管流禁的计算牛式宏[4]赏：衡（对1礼0桂）昨λ蹦为空气葵的热传田导系数个，喝W/(和m·K团)筝；番A演o型表示单案位管长集上无翅闹片部分唤的外管猛壁的表专面积蒸，右m组2防；穷A耍f奸表示单尾位管长祖上翅片这的表面读积储，顽m薯2吊；诸R散e愿为最窄豆通道上敬空气的区雷诺数矩；刷P箩r抗为空气酸的普朗今特数。芬1.3兵侦蒸发器唐模型数蒸发器宾中养CO牌2忽的状态团可能由富三种情咬况：却（读1疲）蒸发亭器进出哄口都在吗两相区少；与（杂2马）蒸发浙器进口赏在两相异区，出固口为过悦热态；隙（秃3处）蒸发漫器进口鼠为过冷喷态，出唤口为过爽热态，雅中间在盘两相区尾。实际授当中，矛第二种宋情况出渐现的比撇较多，庭而且本才文所建渐的系统比模型中累不包括亏气液分嘱离器，疮就要求逢蒸发器月出口大的脂CO叔2竿必须处夫于过热途态，因荷此，本葡文按照筝第二种给情况对张蒸发器读建模谢。染在此处田仍要用汪到气冷捉器建模腥过程中碰的四点运假设，垦并引入陵平均空欠泡系数先理论雀[5]该。类似营于气冷伤器模型戒，根据五两相区涝内液态睁制冷剂即的质量拦守恒：少（则1驰1就）团假设蒸物发器内趟气态制科冷剂的输体积远砖大于液嚷态，则抵根据蒸项发器内啄的气态悲制冷剂分蒸气质驴量守恒质，有文（南1鄙2喇）辣根据管险壁的热透平衡，罚可得关答系式：呆（俘1库3脏）住对蒸发银器过热滨区部分皮的建模粮与气冷烘器类似值。这里险忽略两瓜相区和保过热区鸣管壁温耽度的差否别。兄蒸发器尽内制冷寿剂侧的贸换热系定数根据欣制冷剂鲁的状态视的不同袖而使用狐不同的揉计算式甲。在过运热区，缸采降用闻Dit弊tus笨-Bo继elt扶e勾r尊公式：闹（侍1闪4视）溪在两相修区，采惊用以下饲关系式孩（丧1险5隐）利（雨1绞6浮）魄式中煮，前h武lv忍表示制必冷剂的饿汽化潜淘热功，逃kW/周k副g亮；腊x阴in舅、虚x斜out冷分别表刮示进出惜口的制集冷剂干衡度；下昂标表示慕液态。皇管外选老用湿工咱况下三摇角形差及排平翅慨片绕圆贯管空气逆换热系带数计算逗公式：杯（迫1芳7舌）仿其中予，受b娱表示翅除片间距食，戚h烤表示翅番片高度勿。杨1.4膊缠中间换炭热器模湖型丰如前所笑述，中悦间换热汪器是逆株流套管泳式。根黄据前面况的假设求，可认孙为高低享压侧的事制冷剂卖都是单照相的；想同时假沈设中间惯管壁各酷处的温任度相同愈，高低巡压侧压尊力都近鸭似维持增恒定。哨根据质败量和能昏量守恒约，有以财下关系均式：困（箩1闪8具）天（势1滔9负）节（协2多0钢）概其中制繁冷剂与茄管壁间运的平均脑温差利游用下式固计算：促（暑2姻1魄）捕式趁（步2掌0鹊）～披（弱2掉3哨）中，均下肆标贝H蚀、模L稠分别表层示中间晋换热器唤的高压绕侧和低乏压侧帮，姜i攻n磁和亿ou胁t落分别表尿示进口贡和出口荡。高压束侧的换羽热系乱数撇α初H抗用瓜（宗9搁）式计胞算，低接压侧的朋换热系总数影α席L蹈用鹅（擦1怀4增）式计奋算。腾1.5伴原换热器即压降模女型荒为了简爹化，在洞对换热缘器建模子的过程叔中忽略投了制冷府剂在流爬经换热板管时的掌压力损滑失。在众对系统撤进行模疼拟时，槽各个部寸件之间着的压力笛要达到衡平衡，详其间就约需要插糟入压降减模型。糊对于单梁相流动视的压力影损失，某采用常理用的压抄降关系洁式：新（顽2著2画）墨其中，基摩擦因爬子止f凑可晒由蚂Bla夸siu尺s瓜公式求崭得：倍（宅2练3拼）善而两相辩流的压腹力损失浇利乏用完Loc见kha维rt-愈Mar寄tin岩ell如i仆关系式足来计算盯[6]旦。谁1.6赴花节流阀吓模型买由于节嘱流阀内浊制冷剂垂的状态烘变化相瓜对较快彩，故假调设节流喊阀处于塔准稳态飞；另外杏，认为秃节流过遍程是等右焓的。殊通过实喝验数据吼拟合可洲得节流抄阀的流华量关系陆式：眉（守2冬8评）榜其中拔，音C辫v抛表示流筛量系数幕，根据盲实验数尘据拟合如得到。理2.超盲实验数殖据与仿患真结果厅的对比乔在系统疗达到稳琴定后，潜改变某墓些参数采，系统聋的性能惨会发生蚂显著变园化。利尤用建立亡的动态赴模型，懒在系统陪达到稳茧态时添晌加扰动袭，可以顷模拟这台一动态碰过程。务实验中累连续改碧变压缩幕机转速俩，记录鹿一些特告定状态护参数值康的变化序，并以犹次来建赔立的验逃证动态公模型。驾压缩机组转速艇按且180凳0-1艰650虫-13腥50症rp肾m娇变化时省，一些我系统状内态参数县值动态暂变化的未实验值未和计算与值的比规较。。喊总体上付看来，帖虽然计墙算值在勿量上还扮与实验税值还存且在一定呼偏差，抹但变化圾趋势基早本上一磁致，能耐体现制肠冷系统榴实际的补动态反确应。票压缩机偶的转速碌对系统英性能有搭很大的堤影响，警实际当恩中车速灾的频繁死变化，慢从而不巡断改变星系统性棉能，故宴利用该宽动态模馒型来预付测空调劈系统的岛动态性命能有很遮大的意临义。另理外，该揪模型还配能描述某膨胀阀运开度变求化和蒸陵发器循律环风的船流量及们温度变卵化时系挖统的动肌态性能揭，也能丰预测这雁几个参虚数同时佣变化时终系统的蔬动态性消能。限扫于篇幅蓝的关系炮，这里浇不一一夺论述。味3摸伟结论内本文为运一跨临隆界二氧助化碳汽巧车空调午系统建口立了动孩态模型系，它可霉以用来复预测压幼缩机转洽速、膨辆胀阀开鹿度、蒸耐发器和旬气冷器援循环风透流量和肃温度等报参数变求化时制悼冷系统程的动态封反应。禽通过实捧验，可攻以验证脑，在压彼缩机转制速变化椒时，动愁态模型跌的计算容结果基勉本上能记反应系付统实际袭的动态馆性能。蹈因此，匀可以认卫为该动羊态模型指可以用失来模拟寨跨临界由二氧化稳碳汽车迅空调的隆动态性规能。糊参考文易献闲[1]她P.丛Do灭man春ski皮,D坡.Do轨idi需on.政Co领mpu科ter疤Mo蒸del战ing诚of译th支eV滚apo暑rC番omp仅res荣sio碗nC防ycl恨ew六ith尽Co屠nst竞ant运Fl旦owA汁rea怖Ex沈pan塔sio伴nD稿evi握ce[畜P].模NB僚SB矛uil珠din猴gS棋cie驼nce饿Se烛rie纠s1炊55,唱19统83征pp2蕉5-3捏9.站[2]校Gr剪ald手,E馅.W协.,袜Mac阅Art搬hur滩,J困.W泼..据AM佳ovi驰ng止bou隔nda取ry提For撇mul途ati这on尸for心Mod津eli类ng衬Tim疯e-D弟epe颈nde岗nt搅Two扩-Ph头ase滴Fl碌ows倾[J]得.提Int肾ern缺ati触ona妹lJ译our粥nal宰of梁He清at&考Fl穴uid石Fl出ow蝶,v档ol.痰13,获no故.3,呼pp绩.26俭6-2哪72,迎19浑92.役[3]同AS闲HRA雁EH扬and坊boo垃kF蚊und街ame纽nta蓝ls[并M].柱19裂97.最[4]汽塌吴业正唐等谨.到制冷原送理与设圈备定[M]盏.容西安交桃通大学照出版封社桥,19票87.堪[5]藏Be宵ck,升B.乞T.搬,We日dek扬ind稼,G.算L.眼A厘Gen艳era叙liz伍ati板on侵of粘the舅Sy你ste异mM猪ean扑Vo孤id蔬Fra亲cti巴on侍Mod刺elf糊or露Tra吨nsi驾ent胜Tw鼓o-P显has般eE限vap手ora梁tin交gF沿low脉s[J悟].淡Jou侄rna龙lo蝇fH乒eat仰Tra穷nsf祝er毅Tra征nsa略cti候ons柱of汽th残eA凶SME唤,v批ol.洗103削,n桥o.1茶,p溉p.疾81-始85,责19俭81.汉[6]梅Ju唤n-Y折oun傅gC勉hoi贺,M贸ark片A.宴K