二氧化碳汽車空調(diào)體系的動(dòng)態(tài)仿真

二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真摘要：本文建立了跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型。利用移動(dòng)邊界法和平均空泡系數(shù)法對蒸發(fā)器建立了集總參數(shù)模型；利用移動(dòng)邊界法對氣冷器和中間換熱器分別建立了集總參數(shù)模型；由于壓縮機(jī)和節(jié)流閥的熱慣性較小，利用經(jīng)驗(yàn)公式對它們建立了穩(wěn)態(tài)模型。計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，該動(dòng)態(tài)模型能比較準(zhǔn)確地體現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)際的動(dòng)態(tài)性能。關(guān)鍵字：二氧化碳汽車空調(diào)動(dòng)態(tài)仿真0前言出于環(huán)保的考慮，采用自然工質(zhì)是21世紀(jì)制冷劑替代的必然趨勢。自從挪威的PettersonJ和LorentzenG于上世紀(jì)90年代論述了自然工質(zhì)CO2用于汽車空調(diào)系統(tǒng)的可能性并進(jìn)行試驗(yàn)研究后，用跨臨界CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)逐漸成為其應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。目前國內(nèi)已有學(xué)者建立了CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)和部件的穩(wěn)態(tài)模型，進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)仿真研究，取得了一定成果。但我們知道，汽車空調(diào)的壓縮機(jī)一般由主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)工作狀態(tài)受車速影響很大，穩(wěn)態(tài)模型難以準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)實(shí)際的工作狀態(tài)。本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了跨臨界CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型，用此模型分析了CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)的一些動(dòng)態(tài)特性，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。1跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)模型所建立的二氧化碳汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)模型的組成。其中，利用移動(dòng)邊界和平均空泡系數(shù)法對蒸發(fā)器建立了集總參數(shù)模型；對氣冷器和中間換熱器分別建立了集總參數(shù)模型；由于壓縮機(jī)和節(jié)流閥的熱慣性較小，利用經(jīng)驗(yàn)公式對其建立了穩(wěn)態(tài)模型。各部件模型間根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理聯(lián)系起來，組成一個(gè)完整的系統(tǒng)模型。1.1壓縮機(jī)模型對壓縮機(jī)建立熱力學(xué)模型，為了簡化建模過程，作如下假設(shè)（1）由于壓縮機(jī)的體積較小，而且置于幾乎密閉的壓縮機(jī)室中，因此可將其壓縮看作是一絕熱過程。（2）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速較快，吸氣、壓縮和排氣過程都在很短的時(shí)間內(nèi)完成，故可認(rèn)為壓縮機(jī)處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。壓縮機(jī)的熱力學(xué)參數(shù)主要包括制冷劑質(zhì)量流量和出和出口焓以及輸入功率，利用以下關(guān)系式求出（1）（2）（3）式中，mcom為壓縮機(jī)中制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；ω為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，rpm；V表示壓縮機(jī)汽缸容積，m3；ν表示壓縮機(jī)吸氣比容，m3/kg；hci、hco、hco,i分別表示進(jìn)口焓、出口焓和等熵出口焓，kJ/kg；W為壓縮機(jī)輸入功率，kW；ηvol、ηs分別表示壓縮機(jī)的容積效率和等熵效率。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可得容積效率和等熵效率的計(jì)算式[1]（4）（5）1.2氣冷器模型為了降低模擬計(jì)算的難度，本文對換熱器都建立集總參數(shù)模型。在對氣冷器建模過程中，作如下假設(shè)：流（穿1竊）將氣由冷器簡狀化為一漲水平的半細(xì)長管降，制冷類劑在其詠中單向典流動(dòng)。削（刃2絹）氣冷埋器中各語處的制朵冷劑壓兄力都相超等，即攤忽略由桶制冷劑嗎動(dòng)量變業(yè)化和摩蟲擦引起階的沿軸匠向的壓桑降。淺（井3諒）忽略印制冷劑護(hù)的軸向患熱傳導(dǎo)簽和因摩映擦生成艷的熱量名。輸（資4工）認(rèn)為截?fù)Q熱管顆壁各點(diǎn)言的溫度球都相等賤。兄根據(jù)以惜上假設(shè)瞞，采用傲常用的江移動(dòng)邊中界模型稠[2]睬，只需程對該一章維流動(dòng)蛇建立質(zhì)礙量守恒蝕和能量藥守恒方李程（6）（7）慧再根據(jù)燙管壁的去熱平衡跡，可得半關(guān)系式汗：（8）旋在管內(nèi)搖，驅(qū)CO踏2統(tǒng)單相流拴動(dòng)，其虛換熱系譽(yù)數(shù)眾由旬Dit疏tus獲-Bo飛elt案e劇r掃公式求煉出升[3]胡：（9）石κ見為制冷斷劑的熱藏傳導(dǎo)系宗數(shù)敬，舞W/(繳m·K腐)飼；傍R仙e轎、章P帶r約分別表響示管內(nèi)予流動(dòng)的杰雷諾數(shù)慌和普朗龍?zhí)財(cái)?shù)?？嗫諝鈧?cè)容的換熱暑系數(shù)選嚴(yán)用加熱音工況下妙三角形別差排平誓翅片繞也圓管流禁的計(jì)算牛式宏[4]賞：衡（對1禮0桂）昨λ蹦為空氣葵的熱傳田導(dǎo)系數(shù)個(gè)，喝W/(和m·K團(tuán))箏；番A演o型表示單案位管長集上無翅鬧片部分喚的外管猛壁的表專面積蒸，右m組2防；窮A耍f奸表示單尾位管長祖上翅片這的表面讀積儲，頑m薯2吊；諸R散e愿為最窄豆通道上敬空氣的區(qū)雷諾數(shù)矩；刷P籮r抗為空氣酸的普朗今特?cái)?shù)。芬1.3兵偵蒸發(fā)器唐模型數(shù)蒸發(fā)器賓中養(yǎng)CO牌2忽的狀態(tài)團(tuán)可能由富三種情咬況：卻（讀1疲）蒸發(fā)亭器進(jìn)出哄口都在嗎兩相區(qū)少；與（雜2馬）蒸發(fā)浙器進(jìn)口賞在兩相異區(qū)，出固口為過悅熱態(tài)；隙（禿3處）蒸發(fā)漫器進(jìn)口鼠為過冷噴態(tài)，出喚口為過爽熱態(tài)，雅中間在盤兩相區(qū)尾。實(shí)際授當(dāng)中，矛第二種宋情況出漸現(xiàn)的比撇較多，庭而且本才文所建漸的系統(tǒng)比模型中累不包括虧氣液分囑離器，瘡就要求逢蒸發(fā)器月出口大的脂CO叔2竿必須處夫于過熱途態(tài)，因荷此，本葡文按照箏第二種給情況對張蒸發(fā)器讀建模謝。染在此處田仍要用汪到氣冷捉器建模腥過程中碰的四點(diǎn)運(yùn)假設(shè)，墾并引入陵平均空欠泡系數(shù)先理論雀[5]該。類似營于氣冷傷器模型戒，根據(jù)五兩相區(qū)澇內(nèi)液態(tài)睜制冷劑即的質(zhì)量攔守恒：少（則1馳1就）團(tuán)假設(shè)蒸物發(fā)器內(nèi)趟氣態(tài)制科冷劑的輸體積遠(yuǎn)磚大于液嚷態(tài)，則抵根據(jù)蒸項(xiàng)發(fā)器內(nèi)啄的氣態(tài)悲制冷劑分蒸氣質(zhì)驢量守恒質(zhì)，有文（南1鄙2喇）辣根據(jù)管險(xiǎn)壁的熱透平衡，罰可得關(guān)答系式：呆（俘1庫3臟）住對蒸發(fā)銀器過熱濱區(qū)部分皮的建模糧與氣冷烘器類似值。這里險(xiǎn)忽略兩瓜相區(qū)和保過熱區(qū)鳴管壁溫耽度的差否別。兄蒸發(fā)器盡內(nèi)制冷壽劑側(cè)的貿(mào)換熱系定數(shù)根據(jù)欣制冷劑魯?shù)臓顟B(tài)視的不同袖而使用狐不同的揉計(jì)算式甲。在過運(yùn)熱區(qū)，缸采降用聞Dit弊tus笨-Bo繼elt扶e勾r尊公式：鬧（侍1閃4視）溪在兩相修區(qū)，采驚用以下飼關(guān)系式孩（喪1險(xiǎn)5隱）利（雨1絞6?。┢鞘街兄?，前h武lv忍表示制必冷劑的餓汽化潛淘熱功，逃kW/周k副g亮；臘x陰in舅、虛x斜out冷分別表刮示進(jìn)出惜口的制集冷劑干衡度；下昂標(biāo)表示慕液態(tài)。皇管外選老用濕工咱況下三搖角形差及排平翅慨片繞圓貫管空氣逆換熱系帶數(shù)計(jì)算逗公式：杯（迫1芳7舌）仿其中予，受b娛表示翅除片間距食，戚h烤表示翅番片高度勿。楊1.4膊纏中間換炭熱器模湖型豐如前所笑述，中悅間換熱汪器是逆株流套管泳式。根黃據(jù)前面況的假設(shè)求，可認(rèn)孫為高低享壓側(cè)的事制冷劑賣都是單照相的；想同時(shí)假沈設(shè)中間慣管壁各酷處的溫任度相同愈，高低巡壓側(cè)壓尊力都近鴨似維持增恒定。哨根據(jù)質(zhì)敗量和能昏量守恒約，有以財(cái)下關(guān)系均式：困（籮1閃8具）天（勢1滔9負(fù)）節(jié)（協(xié)2多0鋼）概其中制繁冷劑與茄管壁間運(yùn)的平均腦溫差利游用下式固計(jì)算：促（暑2姻1魄）捕式趁（步2掌0鵲）～披（弱2掉3哨）中，均下肆標(biāo)貝H蝕、模L稠分別表層示中間晉換熱器喚的高壓繞側(cè)和低乏壓側(cè)幫，姜i攻n磁和億ou脅t落分別表尿示進(jìn)口貢和出口蕩。高壓束側(cè)的換羽熱系亂數(shù)撇α初H抗用瓜（宗9擱）式計(jì)胞算，低接壓側(cè)的朋換熱系總數(shù)影α席L蹈用鵝（擦1懷4增）式計(jì)奮算。騰1.5伴原換熱器即壓降模女型荒為了簡爹化，在洞對換熱緣器建模子的過程叔中忽略投了制冷府劑在流爬經(jīng)換熱板管時(shí)的掌壓力損滑失。在眾對系統(tǒng)撤進(jìn)行模疼擬時(shí)，槽各個(gè)部寸件之間著的壓力笛要達(dá)到衡平衡，詳其間就約需要插糟入壓降減模型。糊對于單梁相流動(dòng)視的壓力影損失，某采用常理用的壓抄降關(guān)系潔式：新（頑2著2畫）墨其中，基摩擦因爬子止f湊可曬由螞Bla夸siu尺s瓜公式求嶄得：倍（宅2練3拼）善而兩相辯流的壓腹力損失澆利乏用完Loc見kha維rt-愈Mar寄tin巖ell如i仆關(guān)系式足來計(jì)算盯[6]旦。誰1.6赴花節(jié)流閥嚇模型買由于節(jié)囑流閥內(nèi)濁制冷劑垂的狀態(tài)烘變化相瓜對較快彩，故假調(diào)設(shè)節(jié)流喊閥處于塔準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)飛；另外杏，認(rèn)為禿節(jié)流過遍程是等右焓的。殊通過實(shí)喝驗(yàn)數(shù)據(jù)吼擬合可洲得節(jié)流抄閥的流華量關(guān)系陸式：眉（守2冬8評）榜其中拔，音C辮v拋表示流篩量系數(shù)幕，根據(jù)盲實(shí)驗(yàn)數(shù)塵據(jù)擬合如得到。理2.超盲實(shí)驗(yàn)數(shù)殖據(jù)與仿患真結(jié)果廳的對比喬在系統(tǒng)療達(dá)到穩(wěn)琴定后，潛改變某墓些參數(shù)采，系統(tǒng)聾的性能慘會發(fā)生螞顯著變園化。利尤用建立亡的動(dòng)態(tài)赴模型，懶在系統(tǒng)陪達(dá)到穩(wěn)繭態(tài)時(shí)添晌加擾動(dòng)襲，可以頃模擬這臺一動(dòng)態(tài)碰過程。務(wù)實(shí)驗(yàn)中累連續(xù)改碧變壓縮幕機(jī)轉(zhuǎn)速倆，記錄鹿一些特告定狀態(tài)護(hù)參數(shù)值康的變化序，并以猶次來建賠立的驗(yàn)逃證動(dòng)態(tài)公模型。駕壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速艇按且180凳0-1艱650蟲-13腥50癥rp腎m嬌變化時(shí)省，一些我系統(tǒng)狀內(nèi)態(tài)參數(shù)縣值動(dòng)態(tài)暫變化的未實(shí)驗(yàn)值未和計(jì)算與值的比規(guī)較。。喊總體上付看來，帖雖然計(jì)墻算值在勿量上還扮與實(shí)驗(yàn)稅值還存且在一定呼偏差，抹但變化圾趨勢基早本上一磁致，能耐體現(xiàn)制腸冷系統(tǒng)榴實(shí)際的補(bǔ)動(dòng)態(tài)反確應(yīng)。票壓縮機(jī)偶的轉(zhuǎn)速碌對系統(tǒng)英性能有搭很大的堤影響，警實(shí)際當(dāng)恩中車速災(zāi)的頻繁死變化，慢從而不巡斷改變星系統(tǒng)性棉能，故宴利用該寬動(dòng)態(tài)模饅型來預(yù)付測空調(diào)劈系統(tǒng)的島動(dòng)態(tài)性命能有很遮大的意臨義。另理外，該揪模型還配能描述某膨脹閥運(yùn)開度變求化和蒸陵發(fā)器循律環(huán)風(fēng)的船流量及們溫度變卵化時(shí)系挖統(tǒng)的動(dòng)肌態(tài)性能揭，也能豐預(yù)測這雁幾個(gè)參虛數(shù)同時(shí)傭變化時(shí)終系統(tǒng)的蔬動(dòng)態(tài)性消能。限掃于篇幅藍(lán)的關(guān)系炮，這里澆不一一奪論述。味3摸偉結(jié)論內(nèi)本文為運(yùn)一跨臨隆界二氧助化碳汽巧車空調(diào)午系統(tǒng)建口立了動(dòng)孩態(tài)模型系，它可霉以用來復(fù)預(yù)測壓幼縮機(jī)轉(zhuǎn)洽速、膨輛脹閥開鹿度、蒸耐發(fā)器和旬氣冷器援循環(huán)風(fēng)透流量和肅溫度等報(bào)參數(shù)變求化時(shí)制悼冷系統(tǒng)程的動(dòng)態(tài)封反應(yīng)。禽通過實(shí)捧驗(yàn)，可攻以驗(yàn)證腦，在壓彼縮機(jī)轉(zhuǎn)制速變化椒時(shí)，動(dòng)愁態(tài)模型跌的計(jì)算容結(jié)果基勉本上能記反應(yīng)系付統(tǒng)實(shí)際襲的動(dòng)態(tài)館性能。蹈因此，勻可以認(rèn)衛(wèi)為該動(dòng)羊態(tài)模型指可以用失來模擬寨跨臨界由二氧化穩(wěn)碳汽車迅空調(diào)的隆動(dòng)態(tài)性規(guī)能。糊參考文易獻(xiàn)閑[1]她P.叢Do滅man春ski皮,D坡.Do軌idi需on.政Co領(lǐng)mpu科ter疤Mo蒸del戰(zhàn)ing誠of譯th支eV滾apo暑rC番omp僅res榮sio碗nC防ycl恨ew六ith盡Co屠nst競ant運(yùn)Fl旦owA汁rea怖Ex沈pan塔sio伴nD稿e(cuò)vi握ce[畜P].模NB僚SB矛uil珠din猴gS棋cie駝nce餓Se燭rie糾s1炊55,唱19統(tǒng)83征pp2蕉5-3捏9.站[2]校Gr剪ald手,E餡.W協(xié).,襪Mac閱Art搬hur灘,J困.W潑..據(jù)AM佳ovi馳ng止bou隔nda取ry提For撇mul途ati這on尸for心Mod津eli類ng襯Tim瘋e-D弟epe頸nde崗nt攪Two擴(kuò)-Ph頭ase滴Fl碌ows傾[J]得.提Int腎ern缺ati觸ona妹lJ譯our粥nal宰o(hù)f梁He清at&考Fl穴uid石Fl出ow蝶,v檔ol.痰13,獲no故.3,呼pp績.26儉6-2哪72,迎19渾92.役[3]同AS閑HRA雁EH揚(yáng)and坊boo垃kF蚊und街ame紐nta藍(lán)ls[并M].柱19裂97.最[4]汽塌吳業(yè)正唐等謹(jǐn).到制冷原送理與設(shè)圈備定[M]盞.容西安交桃通大學(xué)照出版封社橋,19票87.堪[5]藏Be宵c(diǎn)k,升B.乞T.搬,We日dek揚(yáng)ind稼,G.算L.眼A厘Gen艷era敘liz伍ati板on侵of粘the舅Sy你ste異mM豬ean撲Vo孤id蔬Fra親cti巴on侍Mod刺elf糊or露Tra噸nsi駕ent勝Tw鼓o-P顯has般eE限vap手ora梁tin交gF沿low脈s[J悟].淡Jou侄rna龍lo蠅fH乒eat仰Tra窮nsf祝er毅Tra征nsa略cti候ons柱of汽th殘eA兇SME喚,v批ol.洗103削,n橋o.1茶,p溉p.疾81-始85,責(zé)19儉81.漢[6]梅Ju喚n-Y折oun傅gC勉hoi賀,M貿(mào)ark片A.宴K