带回热器的空调系统仿真分析研究

刘晓宇

摘要：文章利用仿真分析软件建立了一套空调系统仿真模型，在采用HFC-134a制冷剂的基础上增加回热器模型，分析不同工况下增加回热器后对系统制冷量、压缩机功耗的影响，为回热器在HFC-134a 汽车空调系统中实现更好的应用提供工程应用依据。仿真结果表明，增加回热器后，各工况下制冷性能均有提升，尤其是在怠速工况下提升幅度最大，可达3.97%；压缩机功率在各工况下均有降低；怠速工况下压缩机轴功率降幅最大，达6.36%；怠速工况下系统制冷效率COP提升11.0%。

关键词：汽车空调；回热器；仿真分析

中图分类号：U463 文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0027-04

0 引言

在炎热的夏季，汽车空调制冷系统开启后，会提高汽车发动机能耗、整车油耗及用户用车成本。在实现同等性能的前提下，与不带回热器的空调系统相比，带回热器的空调系统可以降低压缩机的负荷，进而降低发动机的输出功率及用户用车成本。因此，研究带回热器和不带回热器的空调系统的差异具有重要的现实和应用意义。钱锐等［1］的研究结果表明：经过合理匹配的带回热器的空调系统可以使空调系统出风口平均温度比原系统降低约1.5 ℃，在获得同样的系统制冷性能的情况下，系统能耗可以降低约10%。严诗杰等［2］的试验研究结果表明：在特定工况下，回热器可使汽车空调系统蒸发器制冷量及系统效率COP分别提高14.7%和20%。吴龙兵等［3］的研究结果表明：配置回热器的空调系统性能可提升约4%。随着计算机硬件性能的提升和软件技术的发展，仿真应用开始成为空调系统开发阶段用于性能验证和优化的主要手段，并且在降低研发成本、缩短开发周期方面具有很大的优势［4］。本文采用KULI软件（车辆系统级热平衡匹配软件）对某乘用车空调系统进行仿真建模和分析，并在系统中引入回热器，分析回热器在不同工况下对制冷系统的作用。

1 仿真模型的建立

根据空调元件的特点和布置方式，建立空调系统一维模型。模型中内侧（制冷剂侧，如图1所示）流动元件包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、回热器。外侧流动元件包括冷凝器和蒸发器，以及各自的温度源、湿度源、流量源；空气侧设置2条回路，第一条回路为冷凝器空气回路，第二条为蒸发器空气回路，需要分别设置空气通过冷凝器和蒸发器的入口温度、湿度以及风量。

2 零部件一维模型参数设置

2.1 蒸发器参数设置

在空调系统中，换热器主要包括吸热部件蒸发器和放热部件冷凝器，分别位于系统的高压侧和低压侧，同时其工作原理和工作条件也不同。其中，蒸发器的作用是通过管道中的低温低压两相状态制冷剂，吸收空调箱鼓风机通风空氣中的热量，制冷剂吸热后变为具有一定过热度的饱和蒸汽，同时空调箱中的通风空气被蒸发器外表面冷却，空气中部分水蒸气在壁面凝结并通过排水孔排除，这一过程起到对空气降温除湿的作用［5］。蒸发器的换热能力对制冷系统的制冷效率有较大影响，在仿真分析过程中需要蒸发器模型的换热系数及管内流阻准确反映。在本文蒸发器建模基于蒸发器器芯体的几何参数，由于受到建模几何精度以及实际换热器运行中外部和内部流场结构及均匀性的影响，蒸发器实际换热性能与理想状态下存在一定的误差，因此需根据试验参数对蒸发器换热公式进行标定，使计算误差在工程允许的范围内。

蒸发器根据管内部流动序列特性，按流程排列分为4个管束换热器模型，不同流程中管束的几何参数见表1。

2.2 冷凝器参数设置

车型空调采用风冷式冷凝器，由冷却风扇在冷却芯体气侧通道内提供环境温度气流，对冷凝器表面进行冷却。冷凝器管内进口流动冷却介质为高温高压气态介质，经冷凝器管壁吸热并逐渐冷凝液化为较低温度的液态制冷剂。冷凝器换热性能与其散热结构设计及外侧冷却空气流动状态有关。制冷剂在冷凝器中冷凝一般经过3个过程：首先，压缩机出口的高温高压气态制冷剂进入冷凝器，在冷凝器前段经过不断放热，随着温度逐渐降低并达到制冷剂液化温度点形成饱和气体；其次，饱和气体继续放热使一部分制冷剂液化形成气液共存两相流状态，随着制冷剂进一步冷却，气体全部相变为液体形成具有一定过冷度的制冷液体并流出冷凝器。

冷凝器建模性能对制冷系统制冷能力计算结果具有较大影响，其中冷凝器模型的换热性能、内外通道内流动阻力必须与冷凝器实际性能控制在一定范围内，因此需要根据试验结果对冷凝器换热性能等参数进行修正。表2为冷凝器几何参数。

2.3 压缩机参数设置

压缩机作为汽车空调系统的主要部件之一，是空调系统的动力中心，也是提供制冷剂流动动能的装置，在空调系统中维持制冷剂在冷凝器中的高压状态和在蒸发器中的低压状态。压缩机的性能决定了空调系统运行中制冷剂流量及高低压形成能力，因此压缩机性能参数对空调系统运行状态起着重要作用。压缩机工作时从吸气阀吸入低压制冷剂气体，经涡轮压缩后排出高压高温制冷剂气体。本文研究的空调系统采用的是一款定排量涡旋式压缩机，压缩机排量为86 cm3/r，压缩机驱动轴与发动机带轮之间的传动比设置为1.46。

2.4 膨胀阀参数设置

膨胀阀是将冷凝器流出的高压的制冷剂液体变成低压的气液两相体的节流装置，热力膨胀阀通过保持蒸发器出口过热度恒定调节制冷剂流量，对空调系统制冷功能实现及运行工况调节起到关键作用，其工作原理如下：经膨胀阀节流后的气液混合体在蒸发器中吸热，并进一步气化为具有一定过热度的气态制冷剂。膨胀阀根据蒸发器出口中制冷剂的过热度调节阀门开度以控制制冷剂流量大小，蒸发器出口制冷剂过热度随蒸发器热负荷增加而上升时，热力膨胀阀通过调节阀门开口调节制冷剂流量，通过增大或减小制冷剂吸热功率来平衡制冷剂出口过热度。本文的仿真模型建模中对热力膨胀阀采用四象限参数法，即充注曲线、升程-压力曲线、升程-流量曲线及温度-流量曲线。

2.5 回热器参数设置

汽车空调回热器系统利用冷凝器出口的较高温液态制冷剂与蒸发器出来的低温气态制冷剂进行热交换，进一步提高冷凝器出口过冷度和降低压缩机进口制冷剂压力，以增大制冷剂单位制冷量及降低压缩机功耗，从而提高系统制冷效率。同时，压缩机进气过热度的提高有助于避免出现因进气温度过低导致压缩机外壁结霜的问题［1］。本文空调系统使用的回热器采用内螺旋式结构，低压管内径为16 mm、外径为19 mm，高压管内径为22 mm、外径为26 mm，螺槽深度为1.4 mm，回热段长度为350 mm。

2.6 空气侧参数设定

在蒸发器和冷凝器的空气侧，分别设置不同的空气侧通道及入口温度、湿度、空气流量等参数。根据本次分析实际情况，按供热通风与空气调节（HVAC）中鼓风机的最大转速设定空气流量为580 m3/h，冷凝器的空气流量根据不同车速状态下的CFD（流体动力学）分析结果进行设定，冷凝器空气侧参数设置见表3。

2.7 总计算参数设置

对于稳态计算，系统参数主要有压缩机转速和冷凝器进风温度，在怠速工况下需充分考虑前端格栅及导流板热回流的影响，较高的热回流会提高冷凝器进风温度，从而对冷凝器的散热效果造成不良影响，本次为结果CFD的分析情况，怠速状态工况下冷凝器迎风温度设置为53℃，40km/h以上迎风温度设置为43℃。总计算参数见表4。

3 仿真计算结果

将上述各系统部件设置带入仿真系统，在一维空调系统中增加回热器模型（如图2所示），分别进行不加回热器和增加回热器的稳态模拟计算，各工况下的计算结果见表5、表6。

4 制冷效果及功耗对比

对带回热器和不带回热器2种状态下各工况的制冷量及压缩机功率效果进行对比。使用回热器后，各工况下的蒸发器制冷量均有所提升，尤其对怠速增加作用明显，提升幅度达到3.97%。压缩机的功率在各工况下相比加回热器之前均有所下降。在怠速工况下压缩机轴功率下降幅度最大，达到6.29%，这是由于使用回热器后，蒸发器制冷剂入口温度降低，出口压力降低，经过回热器后进入压缩机的压力也相应降低，使得压缩机功率随之降低。由于增加回热器后，各工况下制冷量提升而压缩机轴功率下降，因此系统制冷效率COP（COP=制冷量/压缩机轴功率）均有所提升，其中怠速工况下系统制冷效率COP提升最大，提升幅度达11.0%，制冷效果对比见表7。

5 结语

在空调系统中配置回热器的各种工况下，蒸发器制冷量均有所提升，有效提高了空调系统的制冷能力，起到了提高整车空调系统效率的作用。压缩机功率比加回热器之前均有所下降，这是由于使用回热器后，蒸发器制冷剂出口压力降低，经过回热器后进入压缩机的压力也相应降低，使得压缩机功率随之降低。系统制冷效率COP（COP=制冷量/压缩机轴功率）均有所提升，其中怠速工况系统制冷效率COP提升最大，提升幅度达11.0%。

6 参考文献

［1］钱锐，韩晓波，孟祥军.带回热器的整车空调系统性能实验研究及系统匹配法则［J］.制冷技术，2014（6）：9-12.

［2］嚴诗杰，李冰，金鑫，等. 利用回热器提高HFC134a汽车空调系统性能的试验研究［J］.汽车技术，2010（11）：44-48.

［3］吴龙兵，苏林，方奕栋，等.R1234yf汽车空调性能KULI仿真分析［J］.流体机械， 2017， 45（8）：5.

［4］张风利，阎志刚，杨勤超.基于KULI的汽车空调系统性能仿真分析［J］.制冷与空调， 2019， 19（4）：6.

［5］宋李栋，杨年炯，谭明香.同轴管对汽车空调系统性能提升的仿真研究［J］.汽车零部件，2022（2）：1-6.