本科毕业设计小型汽车空调系统实验台的设计.docx
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本科毕业设计小型汽车空调系统实验台的设计
中国计量学院
本科毕业设计（论文）
小型汽车空调系统实验台的设计
DesignonSmallAutomotive
AirConditioningSystemTestSystem
2013年05月
小型汽车空调系统实验台的设计
摘要：
如今，汽车空调的使用已经普及，而随着科技水平的提高，人们对汽车空调的要求也越来越高，但在提高汽车空调的综合性能的同时也出现了许多问题。
根据汽车空调H型热力膨胀阀生产厂家提供的信息，膨胀阀在某些特殊情况下会出现“啸叫”的现象。
因此，本文主要针对这一问题设计一台小型汽车空调实验台，用以研究H型热力膨胀阀“啸叫”的问题。
作为一台综合型的实验台，该实验台可以用于以下实验：
1、用以模拟出膨胀阀“啸叫”的状态并分析这种状态时汽车空调系统各部件特别是膨胀阀的运行参数；
2、用以教学演示，分析汽车空调有别于普通空调的特性；
3、模拟汽车空调启动与关闭以及汽车发动机变速时空调的运行状态，并予以记录，用以分析变转速时汽车空调各部件的工作状况；
4、作为一台综合性的实验台，在变工况时对制冷系统的制冷量和冷凝器性能进行测试研究。
关键词：
汽车空调；实验台；噪音；
中图分类号：
TB657
DesignonSmallAutomotiveAirConditioningSystemTestSystem
Abstract:
Today,theforthputtingofautomotiveairconditioninghasbeenuniversal,andwiththedevelopmentoftheScienceandTechnology,people’srequirementsonautomotiveairconditioningarealsogettinghigherandhigher,butastheoverallperformanceofautomotiveair-conditioningisimproving,therehavebeenmanyproblemsatthesametime.AccordingtoinformationprovidedbyAutomotiveAirConditioningH-typethermalexpansionvalvemanufacturers,theexpansionvalveinsomespecialcaseswillgeneratethephenomenonof"howling".
Therefore,thispaperwillmainlydesignasmallautomobileairconditioningbenchtosolvethisproblemofthe"whistle"issueandtostudytheH-typethermalexpansionvalve.Asacomprehensivetest-bed,thebenchcanbeusedinthefollowingexperiments:
1、Forsimulation,analysisofthe"whistle"issuesofautomotiveairconditioningH-typethermalexpansionvalve;
2、Forteachingdemonstration,analysisofautomotiveairconditioning,andit’sdifferencefromordinaryairconditionedcarcharacteristics;
3、Analogautomotiveairconditioningandautomotiveengineintheconditionsofstartupandshutdownandtheautomotiveairconditioning‘soperatingstatuswhentheengineisstartup.Atthesametimegettherecordandanalysisoftheautomotiveairconditioningpartsworkingconditionswhenthespeedisvariable;
4、Thisbenchcanbeusedtodotheresearchofcoolingcapacitytestofsmallautomotiveairconditioningsystems,andcondenserperformancetestingofsmallautomotiveairconditioningsystems.
Keywords:
automotiveairconditioning;testsystem;noise;
Classification:
TB657
目次
摘要I
AbstractII
目次III
1绪论1
1.1研究背景1
1.1.1汽车空调的介绍1
1.1.2本课题的由来及意义1
1.2国内外关于汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究现状2
1.2.1国外汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究2
1.2.2国内汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究2
2实验系统的设计计算及选型4
2.1实验台要实现的功能分析4
2.2汽车空调制冷系统4
2.2.1汽车空调制冷系统简介4
2.2.2汽车空调制冷系统的工作原理4
2.2.3汽车空调制冷系统的选型6
2.2.4压缩机选型6
2.2.5冷凝器的选型9
2.2.6蒸发器的选型9
2.2.7膨胀阀选型10
2.3制冷系统的热力计算11
2.4压缩机动力电机的选型计算13
2.5冷凝风机的选型计算14
2.6压缩机动力电机变频器和冷凝风机变频器的选型16
2.7测量仪器的选择16
3汽车空调实验台的总设计方案18
4总结21
参考文献22
学位论文数据集24
1绪论
1.1研究背景
1.1.1汽车空调的介绍
汽车空调是用来调节汽车车内温度、湿度和舒适度的安装在汽车上的制冷空调系统。
随着现代科技与经济的发展，人们对汽车空调的要求越来越高，如今汽车空调基本已经可以实现跟普通家用空调的功能，如制冷、制热、调节湿度、空气清洁[1]。
同时，汽车空调也有跟普通空调不一样的地方：
因为汽车空调的工作环境与运行安装有很大的不同，所以汽车空调就需要有一下几点特点：
[2]
1、能够承受比较大的振动和冲击。
汽车作为交通工具需要在不同的路上行驶，这就导致汽车在行驶过车中汽车空调有很大的振动和收到冲击。
所以，汽车空调系统中个部件和连接件都要能承受比较大的振动与冲击，以防止空调系统的损坏和制冷剂的泄漏；
2、汽车空调需要有较大的制冷量。
汽车空调的工作环境比较恶劣，室外温度高，且车内人员密度大。
这种工作环境使得汽车空调要负担的排热量要比室内空调大得多。
因此，汽车空调需要有较大的制冷量，要能在短时间内把车内温度降下来；
3、汽车空调压缩机的动力不是电力，而是汽车发动机。
汽车空调不能使用电网上的电，只能用发动机作为动力源，但这样汽车空调使用的动力将减少汽车行驶的动力，而且如果空调效率不高时，空调的使用会增加很多油耗；
4、汽车空调结构要求高。
因为汽车的体积比较小，特别是小型汽车在保证乘客使用空间的情况下留给汽车动力和其它装置的空间是非常小的。
所以，对汽车空调结构的要求就比较高，需要它能结构紧凑、设计合理、质量可靠。
1.1.2本课题的由来及意义
根据汽车空调H型热力膨胀阀生产厂家提供的信息，膨胀阀在某些特殊情况下会出现“啸叫”的现象。
还有，考虑到汽车空调压缩机转速会根据发动机转速的变化而变化，所以有必要对汽车空调压缩机在变转速时的空调整体效率以及换热器效率做一些研究。
针对以上两个问题做了以下了解：
汽车空调中H型热力膨胀阀“啸叫”的问题一直困扰着膨胀阀制造行业。
据调查，消费者对有关膨胀阀噪声的投诉是最多的，这也是整个行业中最普遍的问题[3]。
目前实验室现有的试验台只有小型空调实验台和小型冰箱实验台，没有汽车空调实验台。
而市场上的汽车空调实验台一般只是教学实验台，且实验台中带动压缩机的电机转速不变，而汽车在真实的使用过程中车速是在不断变化的，这也让汽车空调压缩机的转速在不断变化。
因此，本课题就针对这些问题设计一台综合型的汽车空调实验台以实现以下功能：
1、用以模拟出膨胀阀“啸叫”的状态并分析这种状态时汽车空调系统各部件特别是膨胀阀的运行参数；
2、用以教学演示，分析汽车空调有别于普通空调的特性；
3、模拟汽车空调启动与关闭以及汽车发动机变速时空调的运行状态，并予以记录，用以分析变转速时汽车空调各部件的工作状况；
4、作为一台综合性的实验台，在变工况时对制冷系统的制冷量和冷凝器性能进行测试研究。
1.2国内外关于汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究现状
1.2.1国外汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究
在汽车空调啸叫的问题上，Fuchs等对节流短管的稳态噪声进行了研究，获得了节流短管内径、长度与噪声特性的关系。
Amini对以空气为工质的节流阀进行了实验研究。
对阀的阀头，阀座结构进行了改进，噪声降低了约10%。
[3]
在热力膨胀阀噪声产生的机理以及控制方法上，美国Illnois（伊利诺斯学院）制冷空调中心对热力膨胀阀在不同工况下的稳态噪声进行了实验研究，并对实验结果进行了初步分析，获得了热力膨胀阀的稳态噪声与系统工作条件关系的定性结果。
[3]
Kam总结了阀内噪声的声源可能是涡流混合，涡流/壁面相互作用，运动部件振动，运动部件振动/壁面相互作用，流动分离，漩涡脱离，或声学共振。
相关研究多集中在管系共振。
[4]
为了方便分析，管道被模拟成有端部支撑的薄壁圆柱形壳体，Greespon研究了圆柱形壳体的固有频率并建立了相关的预估理论。
[5]
Heckle建立了基于薄圆柱壳体径向及轴向波数变化来预测固有频率的简单关联式。
[6]
Enrique研究了声模态与管壁结构模态的祸合，并研究了噪声通过节流机构管道或蒸发器壁面传播的机理。
[7]
1.2.2国内汽车空调膨胀阀“啸叫”的研究
叶奇昉，陈江平建立了热力膨胀阀瞬态噪声试验台，对制冷系统开机过程中热力膨胀阀啸叫噪声进行了实验研究。
获得了热力膨胀阀参数对瞬态噪声的影响，获得如下结论：
1）系统启动过程中热力膨胀阀将产生啸叫，啸叫噪声频率在530Hz左右，持续时间4s左右。
2）系统启动过程中产生的啸叫受到热力膨胀阀温包充注方式的影响。
采用交叉式充注以及低蒸干压力充注能够有效的降低膨胀阀噪声频率与幅值。
3）在热力膨胀阀中安装碟形弹簧可限制内运动部件在水平方向振动，有利于降低膨胀阀啸叫声。
4）热力膨胀阀“啸叫”是伴随着空调系统的瞬态变化出现的（如系统启动、关闭过程，压缩机转速突变等），持续时间在5s内。
[8]
施骏业等人指出汽车空调系统发生“啸叫”的噪声源来自于型热力膨胀阀的结构特点，并建立了阀芯运动部件模型，计算了阀芯的固有频率，并进行了相关的试验，获得了当“啸叫”产生时型阀的振动及噪声频谱图以及无“啸叫”产生时型阀的振动及噪声频谱图。
结果表明，阀芯运动部件第一阶固有频率较低，易诱发共振导致阀门频繁开启而产生“啸叫”，据此对型阀结构进行了优化，以改变固有频率的方式来避免共振消除“啸叫”。
[8]
2实验系统的设计计算及选型
2.1实验台要实现的功能分析
1、用以模拟出膨胀阀“啸叫”的状态并分析这种状态时汽车空调系统各部件特别是膨胀阀的运行参数；
2、用以教学演示，分析汽车空调有别于普通空调的特性；
3、模拟汽车空调启动与关闭以及汽车发动机变速时空调的运行状态，并予以记录，用以分析变转速时汽车空调各部件的工作状况；
4、作为一台综合性的实验台，在变工况时对制冷系统的制冷量和冷凝器性能进行测试研究。
根据汽车空调H型热力膨胀阀生产厂家提供的信息，膨胀阀出现“啸叫”的现象主要在汽车空调开停机、汽车突然加减速和变工况的情况下。
因此，实验台需要能够模拟汽车空调开停机和汽车突然加减速时压缩机随之加减速的情况。
在实验台中需用电动机代替汽车发动机给汽车空调压缩机提供动力，所以要给该动力电机配备一台变频器，且该电动机最好也选用变频电机。
另外要实现变工况就需要搭建一个冷凝室。
在实验室中需要对下面的数据进行测量分析：
蒸发压力、冷凝压力、蒸发温度、冷凝温度、压缩机进出口压力和温度等。
2.2汽车空调制冷系统
2.2.1汽车空调制冷系统简介
汽车空调系统主要的部件有：
压缩机、冷凝器、膨胀阀、储液干燥器、蒸发器等，图2-1所示的是制冷系统基本组成的主要部分。
图2-1制冷系统基本组成主要部件
1—冷凝器2—压缩机3—蒸发器4—节流装置5—低压软管（蒸气）
6—高压软管（液体）7—高压软管（蒸气）8—储液干燥器
2.2.2汽车空调制冷系统的工作原理
1）汽车空调制冷工作原理
制冷空调系统都是通过制冷剂在系统中循环流动以及相变实现制冷，制冷工作原理如图2-2所示。
图2-2汽车空调制冷系统工作原理
1—压缩机2、5、7—高压管3—冷凝器4—冷却风扇6—储液干燥器
8—膨胀阀9、13—低压管10—蒸发器11—鼓风机12—感温器
汽车空调系统实现制冷的原理跟普通空调一样，也是通过系统中各部件的工作，让制冷剂在系统中实现循环和相变，通过制冷剂的流动和相变带走和吸收释放热量。
系统中，压缩机通过对低压低温的气体制冷剂进行压缩将其压缩为高温高压的气体制冷剂；再进入冷凝器中进行相变放热后变为高温高压的液体制冷剂后流入储液干燥器；干燥器对制冷剂进行过滤、吸水后流向膨胀阀，制冷剂经过膨胀阀节流降压后变为低压低温的液体制冷剂，其中少量制冷剂气化为蒸气；接着制冷剂流入蒸发器，在蒸发器中制冷剂通过相变吸热后变为低温低压的气态制冷剂，冷凝剂的冷量由蒸发风机吹出的空气带到汽车车厢内从而降低车内空气的温度；从蒸发器中出来的制冷剂在被压缩机吸入形成循环，在整个循环中压缩机也有提供循环动力的作用。
2）汽车空调制冷过程
蒸汽压缩式制冷过程如图2-3所示。
制冷剂在制冷系统中实现循环、相变，从而达到传送冷量、热量的目的，最终实现制冷。
制冷剂要经过压缩升压、冷凝放热、节流降压和蒸发吸热四个过程后在制冷系统中完成了一次循环，同时也达到了制冷的目的。
图2-3空调制冷过程
压缩过程：
从蒸发器流出的低温低压的制冷剂吸入压缩机后经过压缩后变为高温高压的气体制冷剂后在进入冷凝器中冷凝，压缩过程不但使制冷剂得到了冷凝需要的温度和压力也是整个循环过程中的循环动力。
冷凝过程：
高温高压的气体制冷剂进入冷凝器后通过冷凝器和空气换热后释放了潜热后相变为液态的高温高压的制冷剂。
这个过程实现了把制冷系统工作中产生的热量和从车箱内带走的热量转移到空气中。
节流过程：
高温高压液态制冷剂经过膨胀阀后降低了压力，变成了低温低压的液态制冷剂。
节流过程使制冷剂得到了蒸发吸热需要的温度和压力，达到了蒸发过程的实现条件。
蒸发过程：
低温低压的液态制冷剂在蒸发器中吸收空气的热量实现相变吸热，带走了车厢内的热量释放了冷量，最后变为低温低压的气态制冷剂。
空调系统通过制冷剂的循环不断进行上面四个过程，从而实现不断的将车内的热量“搬”到外界空气中去，达到制冷的目的。
2.2.3汽车空调制冷系统的选型
考虑到制冷系统分别选型后存在的安装以及性能匹配等问题，决定选择长城风骏的一款皮卡车的整套汽车空调系统，这样一来系统中各部件之间的连接件、管道以及蒸发器风机都将选定，如此不但方便系统安装而且空调系统的整体性能会比较良好。
下面就对该空调系统中各部件的功能做一简介。
2.2.4压缩机选型
所选汽车空调压缩机为旋叶式12、13、14系列JSS-D14压缩机，如图2-4为该压缩机的实物图，图2-5为安装方式图。
图2-4压缩机的实物图
轴装式（正面去掉电磁离合器）轴装式（侧面）轴装式（反面）
直装式（正面去掉电磁离合器）直装式（侧面）直装式（反面）
蝶装式（正面去掉电磁离合器）蝶装式（侧面）蝶装式（反面）
图2-5压缩机安装方式图
表2-1为压缩机规格参数：
表2-1压缩机规格参数
如图2-6为压缩机性能曲线：
图2-6压缩机性能曲线
4）汽车空调压缩机的电磁离合器
汽车空调压缩机的动力不是电力，而是汽车发动机，但是在汽车行驶的时候不一定需要使用空调，这就需要汽车空调压缩机有一个不同于普通空调的部件——电磁离合器，电磁离合器的作用如下。
压缩机电磁离合器的作用其实就是把压缩机和发动机连接起来，在通过自身的吸合和释放达到控制发动机是否带动压缩机转动的目的，其最终作用就是空调系统的开关。
电磁离合器的动作受到空调系统的开关和系统保护装置压力和温度保护器的控制。
2.2.5冷凝器的选型
1）冷凝器的作用
冷凝器是将温高压的气体制冷剂进入冷凝器后通过冷凝器和空气换热后释放了潜热后相变为液态的高温高压的制冷剂的换热器。
这个过程实现了把制冷系统工作中产生的热量和从车箱内带走的热量转移到空气中。
2）几种冷凝器的特点比较
管片式冷凝器是冷凝器最早使用的换热器形式。
管片式冷凝器的优点有结构简单，设计简易，造价低，缺点是散热效率比较低。
管带式冷凝器的连接都是通过焊接完成，这样可以使散热管与制冷剂有比较高的传热效率。
管片式冷凝器的特点有：
（1）当截两种管的面积相同时，椭圆扁管与制冷剂的接触面积比圆管大，这样，管道与制冷剂的换热效果比较好；
（2）扁管的迎风面积小，形成比较有利的流形，气体阻力小，背风面涡流区小。
这样，当风速一定时换热效果好，而流动阻力小；（3）结构紧凑。
在相同量的管簇时，扁管肋片所占面积小。
这样，相同的外形尺寸，扁管的换热面积较大；（4）整体结构都是由铝材制造，重量比较小，成本也有所下降；（5）蛇形管的弯头比较少，多以所需要的焊接也比较少，制造起来简单，所以成本会比较低。
管带式冷凝器目前只是在轿车上有较多应用。
[9]
鳍片式冷凝器是把一系列表面铣出鳍片状的散热片的管道组装在一起，做成一个整体的冷凝器。
这样管道和散热片为一整体，其换热效率比管带式冷凝器有5%的提高，并且比较节省制造成本，而且其抗振性特别好。
鳍片式冷凝器无需焊接，简化了工艺，但铣削需要专门的设备。
平流式冷凝器是管带式冷凝器的进一步发展。
平流式冷凝器改变了管带式单条蛇形扁管的结构形式，采用了两条集流管间连接多条扁管的结构形式。
平流式冷凝器是将制冷剂从一端的分流管中分散流入一系列扁管中去，制冷剂从扁管中流到另一端后收集到集流管中。
平流式冷凝器的优点是：
压力变化小、质量小、结构紧凑、传热效率高。
平流式是最有发展前途的冷凝器，但目前存在有待解决的问题，比如其焊点多且焊点长，工作的可靠性和耐久性有待提高[9]。
本系统中冷凝器为平流式冷凝器。
2.2.6蒸发器的选型
1）蒸发器的作用
蒸发器也是利用空气流动换热和辐射换热将制冷剂从液态变为气态后吸热已达到降低车内空气温度的换热器。
2）几种冷凝器的特点比较
管片式和管带式蒸发器与管片式和管带式冷凝器的特点相同，这里不再赘述。
层叠式蒸发器的每一层是用铝制的平板中间夹一层波形翅片，两侧再用封条密封而成。
相比于管片式和管带式蒸发器，层叠式蒸发器的特点如下：
（1）结构紧凑。
在这种换热器中，翅片的传热面积占总传热面积的比例很大，在较小的体积内可以有很大的传热面积，结构最紧凑，传热效率也高，比管带式约高10%；
（2）这种结构复杂的冷凝器制造难度比较大，所需成本高，而且抗振性不好导致制冷剂容易泄漏；（3）制冷剂流道狭窄，比较容易造成堵塞，而且在堵塞后不好清洗。
[1]
2.2.7膨胀阀选型
1）膨胀阀的介绍
汽车空调膨胀阀属于汽车空调系统中的节流装置，它的作用有：
节流降压、调节流量、防止液击和过热。
膨胀阀主要有电子膨胀阀和热力膨胀阀，汽车空调上主要使用的是热力膨胀阀，而热力膨胀阀又有三种形式：
内平衡式膨胀阀、外平衡式膨胀阀和H型膨胀阀。
由于本实验台是研究H型膨胀阀的，故在此介绍一下H型膨胀阀。
H型膨胀阀安装在蒸发器的进、出口之间，其内部结构和实物图如图2-7所示。
图2-7膨胀阀内部结构和实物图
1—感温包2—膜片3—球阀4—球阀弹簧5—调整螺柱
H型膨胀阀中的节流孔是由球阀3和阀体之间的缝隙来担当的，它的开合可以控制制冷剂流量的大小，图中温包杆1和球阀弹片4一起控制节流孔球阀的开度。
在连接蒸发器和压缩机两接口之间的通道中，温包杆垂直穿过。
温包杆上部为空心，顶部与膜片连接且密封，其空腔构成了一个感温包，温包杆上部为实心，下端接触球阀，成为球阀开度调整机构的顶杆。
由于蒸发器出口的制冷剂直接流经膨胀阀，因此H型膨胀阀不需要细长的毛细管。
又因为膜片侧承受的是蒸发器的出口压力，不用平衡管却与外平衡式膨胀阀有同样的节流控制效果。
H型热力膨胀阀和其他两种热力膨胀阀的工作方法是一样的，而H型膨胀阀作为整体型膨胀阀有这些优点：
1）结构简单，紧凑；
2）可靠性高。
3）维修调试方便。
2.3制冷系统的热力计算
1、制冷系统工况的确定
（1）冷凝温度tk的确定
汽车空调系统中一般都使用风冷式冷凝器。
而对于冷凝器来说环境温度tw（主要考虑夏季环境温度）是决定冷凝温度tk的主要因素。
由于汽车空调所处的环境一般都比较恶劣，所以取tk=43℃。
在风冷式冷凝器中，一般取冷凝温度tk比环境温度高13—16℃。
既tk=tw+x
对于空调系统，确定冷凝温度tk还需要考虑这些因素：
a、风冷式冷凝器的传热系数比较低，而汽车空调的安装空间有限导致汽车空调冷凝器不能设计的太大，所以一般需要增大传热温差，以提高冷凝温度tk的办法来解决换热问题。
b、汽车空调冷凝器的工作环境比较恶劣，很容易会有积灰和杂质覆盖，减小了传热系数。
c、汽车空调冷凝器受到地面辐射的影响较大。
由于这些原因，故选择冷凝器温度tk与环境温度的差值为17℃。
既：
tk=tw+17=60℃
（2）蒸发温度t0是主要由所要控制的空间的要求温度来决定的，其所使用蒸发器的类型和被冷却介质的性质对蒸发温度的大小也有很大的影响。
如果t0降低，压缩机制冷量会随之降低。
这种情况下通过提高压缩机的转速，可以达到增加制冷剂循环量。
经过综合考虑，蒸发温度t0选为0℃是合适的。
（3）过冷度Δtsc
取Δtsc=5℃
（4）过热度Δtsh
汽车空调系统多采用热力膨胀阀供液，为了确保压缩机干冲程，充分发挥蒸发器的有效传热面积，蒸发器出口过热度一般为5—7℃。
对于汽车空调系统，压缩机吸气温度一般为15—18℃。
当蒸发温度为0℃时，有效过热为5—7℃，无效过热为10—11℃，总的过热度Δtsh=15—18℃，这里取Δtsh=15℃
2、制冷系统制冷量的确定
根据压缩机性能曲线图2-6得到压缩机转速与制冷量的对应关系表2-2：
表2-2压缩机转速与制冷量的对应关系表
压缩机转速（rpm）
1000
2000
3000
4000
制冷量（W）
2812
5760
8237
11028
取压缩机转速为4000rpm，制冷量为11kW。
取压缩机的容积效率λ和指示效率ηi都为0.8。
3、制
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