装载机空调系统制冷量与制热量的计算方法

莫绍军

摘 要：本文主要介绍了装载机空调系统制冷量与制热量的理论计算法。

关键词：装载机空调；制冷量；制热量；计算；方法

中图分类号：TU831 文献标识码：A

一般说来装载机空调是由压缩机、冷凝器、储液罐、膨胀阀、蒸发器、管路和电器控制系统等组成。制冷量和制热量的大小直接反映了装载机空调制冷能力和制热能力的强弱。因此计算制冷量和制热量是装载机空调选型的前提和关键。在装载机设计中，常见的空调制冷量和制热量的计算方法有理论计算法和经验估算法，在这里介绍装载机空调制冷量和制热量的理论计算法。

1 制冷量计算

由于驾驶室外温度高于车内，加上太阳辐射作用，有大量热量通过车壁及门窗、玻璃传入车内；由于密封不良会有不少热空气通过门窗及地板缝隙漏入车内，带来新风热，人体散发的热量也会使车内温度升高，通过驾驶室后围及发动机罩还会传来发动机的部分热量，换气系统传入的热量，以及仪器、设备、照明等产生的热量，这些热量之和构成了空调的总得热量（热负荷）。空调驾驶室的总得热量（热负荷）QT为：

QT=QB+QG+QP+QA+QE+QF+QS

式中：

QT—总热量；

QB—通过驾驶室围板、地板和顶板传入的热量，单位为W；

QG—通过玻璃传入的热量，单位为W；

QP—人体散热量，单位为W；

QA—室外空气带入的热量，单位为W；

QE—发动机传入的热量，单位为W；

QF—换气系统传入的热量，单位为W；

QS—仪器、设备、照明产生的热量，单位为W。

空调制冷量Qo可按下式选取：

Qo=k×QT

式中：

Qo—空调实际选用的制冷量，单位为W；

QT—总得热量，单位为W；

K—修正系数，可取1.05～1.2。

传热系数K：

驾驶室与外界会进行热交换，其热交换形式包括倒流、对流和辐射。

驾驶室除玻璃外，一般由铁板、地板垫、内饰件、顶罩组成，壁面传热的基本公式如下：

Q=K×F×Δt

式中：

K—壁面传热系数，单位为W/（m2·K）；

F—壁面传热面积，单位为m2；

Δt—驾驶室内外温差，单位为℃。

其中传热系数K由下式确定：

式中：

αo—驾驶室外表面与驾驶室外空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—驾驶室内表面与驾驶室内空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—构成驾驶室各层的导热热阻之和（δi为驾驶室各层的厚度，λi为驾驶室各层的导热系数）。

αo可以用对流换热准则确定。由于车速变换大，车身外表面复杂，因此采用下面的近似公式计算：

V—车辆行驶速度，单位m/s。对于装载机，考虑热负荷最大的情况，即为运输工况，可取V=10m/m。

驾驶室内对流换热系数一般较小，当驾驶室内的空气流速低于3m/s时，αi可近似取为29W/（m2·K）。

（一）通过驾驶室围板、地板和顶板传入的热量QB

QB=Q围+Q地+Q顶

Q围=K围×F围×（tZ围-ti）

Q地=K地×F地×（tZ地-ti）

Q顶=K顶×F顶×（tZ顶-ti）

K围、K地、K顶—分别为驾驶室围板、地板和顶板的传热系数，单位为W/（m2·k）；

F圍、F地、F顶—分别为驾驶室围板、地板和顶板的传热面积，单位为m2；

t围、t地、t顶—分别为驾驶室围板、地板和顶板的室外综合空气温度，单位为℃；

ti—驾驶室内空气温度，单位为℃。

（二）通过玻璃传入的热量QG

考虑到太阳辐射，传入热量由两部分组成：

QG=QG1+QG2

（1）由于驾驶室内外温差而传入的热量QG1

QG1=K玻×F玻×（to-ti）

（2）由于太阳辐射通过玻璃传入热量QG2

J=F1玻×I+F2玻×IS

F玻=F1玻+F2玻

式中：

η—太阳辐射通过玻璃的透入系数，一般选取η=0.85；

ρ—玻璃对太阳辐射热的吸收系数，一般选取ρ=0.08；

K玻—玻璃窗的传热系数，单位为 W/（m2·K）；

C—遮阳修正系数，取C=0.97；

I—玻璃外表面的太阳辐射强度，单位为W/m2，取I=1120W/m2；

IS—玻璃外表面的太阳散射辐射强度，单位为W/m2，取IS=47W/m2；

J—玻璃的太阳辐射量，单位为W；

αi—玻璃内壁面的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αo—玻璃外壁面的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

F1玻—朝阳面玻璃面积，单位为m2；

F2玻—背阳面玻璃面积，单位为m2；

F玻—玻璃总面积，单位为m2。

（三）人体散发的热量

人体散发的热量（单个司机）取：

QP=116W。

（四）室外空气带入热量

由室外进入室内的空气主要由新风和泄漏风两部分构成。相应地，室外空气带入的热量QA为：

QA=QA1+QA2

式中：

QA—室外空气带入热量，单位为W；

QA1—室外新风带入热量，单位为W；

QA2—泄漏入室内空气带入热量，单位为W。

（1）室外新风带入热量（QA1）

QA1=G1×C×（h0-h1）

式中：

G1—按人体卫生标准需要的空气量，单位为m3/h，按GB/T 19933.4-2005/ISO10263-2：1994标准，取G1=43m3/h；

C—空气密度，单位为kg/m3；

h0—室外空气焓值，单位为KJ/Kg；

h1—室内空气焓值，单位为KJ/Kg。

空气焓值可由湿空气湿焓表查得。

（2）漏入空气带入热量（QA2）

漏入空气量一般门缝和管线进出驾驶室密封不严造成，据有关资料介绍，当汽车车速为40km/h，门缝宽为1.5mm时，漏风量为10m3/（h·m）。当门缝宽增大到3mm时，漏风量增大到17m3/（h·m）。

泄露风量带入的热量

QA2=G2×C×（h0-h1）

式中：

G2—总漏风量，单位为m3/h；

C—空气密度，单位为kg/m3；

h0—室外空气焓值，单位为kJ/kg；

h1—室内空气焓值，单位为kJ/kg。

G2=K1×Gn×S

式中：

G2—总漏风量，单位为m3/h；

K1—这个系数主要是考虑到管线进出驾驶室密封不严造成的漏风，一般取1.5～2.5；

Gn—根据车速和驾驶室门的缝隙宽度而引起单位长度每小时泄漏进入驾驶室的空气量，单位为m3/（h·m）；

S—驾驶室门窗缝隙总长度，单位为m。

（五）由发动机传热的热量QE

QE=KE×FE×（tE-ti）

KE按多层平壁传热计算：

式中：

αE—发动机侧的壁面对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—驾驶室侧内表面的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δ/λ）—发动机侧和驾驶室之间隔热层的导热热阻，单位为W/（m2·K）；

tE—发动机侧的空气温度，单位为℃，一般比室外空气温度高30℃；

ti—驾驶室室内温度，单位为℃。

（六）由通风系统（风道）传入的热量QF（指风道走驾驶室外面的情况），流经风道的空气，由于内外温差的存在，沿程吸收热量。

QF=K2×P×L×（（t1+t2）/2-ta）

式中：

P—风道界面周长，单位为m；

L—风道长度，单位为m；

t1、t2—分别为该段风道前、后空气温度，单位为℃；

ta—该段风道周围空气温度，单位为℃；

K2—风道传热系数，单位为W/（m2·K）。

式中：

α0—风道外空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—风道内空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）。

（七）仪表、控制器、继电器和照明产生的热量Qs

仪表、控制器、继电器和照明等主要是在驾驶室内以散热形式传热，这类热量不需要按换热公式进行计算，可依据这些热源的额定功率、效率、使用周期、负荷系数等因素来确定，建议取值400W。

2 制热量计算

由于车外环境的空气温度低，车内温度高，车内外存在温差，必然有高温向低温传热。因此必须向车内补充熱量，平衡车内的耗热量，这就形成了空调的热负荷。空调的耗热量由下面几部分组成：

QH=Qa+Qb+Qc+Qd+Qe+Qp1+Qf+Qh

式中：

QH—空调耗热量，单位为W；

Qa—驾驶室顶部耗热量，单位为W；

Qb—驾驶室玻璃耗热量，单位为W；

Qc—驾驶室围板耗热量，单位为W；

Qd—驾驶室地板耗热量，单位为W；

Qe—冷空气渗透耗热量，单位为W；

Qp1—驾驶室司机人体散热量，单位为W；

Qf—驾驶室前风窗除耗热量，单位 为W；

Qh—由通风系统散失的热量，单位为W。

（一）驾驶室顶部耗热量Qa

Qa=Ka×Aa×Δta

式中：

Ka—驾驶室顶部壁面传热系数，单位为W/（m2·K）；

Aa—驾驶室顶部壁面传热面积，单位为m2；

Δta—驾驶室顶部的内外温差，单位为℃。

Δta=to-t内顶

to=t内+（5～10）

式中：

t内顶—驾驶室内顶部温度，单位为℃；

t内—驾驶室内舒适温度（一般为16℃～18℃），单位为℃；

to—驾驶室外空气温度，单位为℃。

其中传热系数Ka由下式确定：

式中：

αo—驾驶室内空气对顶部放热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—驾驶室外空气对顶部放热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—驾驶室顶部结构导热热阻；

δi—驾驶室顶平壁各层厚度，单位为m；

λi—驾驶室顶平壁各层材料导热系数，单位为W/（m2·K）。

（二）驾驶室玻璃耗热量Qb

Qb=Kb×Ab×Δtb

式中：

Ab—玻璃传热面积，單位为m2；

Δtb—驾驶室内外温差，单位为℃。

Δtb=ti-to

ti—驾驶室内温度，单位为℃；

to—驾驶室外温度，单位为℃；

Kb—玻璃传热系数，单位为W/（m2·K）。

一般取Kb=6.4W/（m2·K），也可以按下式计算：

式中：

αo—玻璃外表面与驾驶室外空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—玻璃内表面与驾驶室内空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δ/λ）—玻璃导热热阻；

δ—玻璃厚度，单位为m；

λ—玻璃导热系数，单位为W/（m2·K）。

（三）驾驶室围板耗热量Qc

Qc=Kc×Ac×Δtc

式中：

Kc—驾驶室围板传热系数，单位为W/（m2·K）；

Ac—驾驶室围板传热面积，单位为m2；

Δtc—驾驶室内外温差，单位为℃。

其中传热系数Kc由下式确定：

式中：

α0—驾驶室围板外表面与驾驶室外空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—驾驶室围板内表面与驾驶室内空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—玻璃导热热阻；

δi—驾驶室围板厚度，单位为m；

λi—驾驶室围板导热系数，单位为W/（m2·K）。

（四）驾驶室地板耗热量Qd

Qd=Kd×Ad×Δtd

式中：

Ad—驾驶室地板传热面积，单位为m2；

Δtd—驾驶室内外温差，单位为℃。

Kd—驾驶室地板传热系数，单位为 W/（m2·K）。

一般取Kd=8.14W/（m2·K），也可以按下式计算：

式中：

αo—驾驶室地板外表面与驾驶室外空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—驾驶室地板内表面与驾驶室内空气对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

Σ（δi/λi）—玻璃导热热阻；

δi—驾驶室地板厚度，单位为m；

λi—驾驶室地板导热系数，单位为W/（m2·K）。

（五）空气渗透耗热量Qe

Qe=Ge×ρ×C×Δte

式中：

Ge—新风量和泄露风量，单位为m3/h；

ρ—空气密度，取为1.29kg/m3；

C—空气比热，取为1.005～1.009 kJ/（kg·℃）；

Δte—驾驶室内外温差，单位为℃。

（六）驾驶室前风窗除霜耗热量Qf

Qf=Gf×ρ×C×Δtf

式中：

Gf—除霜风量，单位为m3/h；

ρ—空气密度，取为1.29kg/m3；

C—空气比热，取为1.005～1.009 kJ/（kg·℃）；

Δtf—驾驶室内外温差，单位为℃。

Gf=G1+G2

式中：

G1—按人体卫生标准需要的空气量，单位为m3/h。

按GB/T 19933.4-2005/ISO10263-2：1994标准，取G1=43m3/h。

G2=K3×Gn×S

式中：

G2—总漏风量，单位为m3/h；

K3—这个系数主要是考虑到管线进出驾驶室密封不严造成的漏风，一般取1.5～2.5；

Gn—根据车速和驾驶室门的缝隙宽度而引起单位长度每小时泄漏进入驾驶室的空气量，单位为m3/（h·m）；

S—驾驶室门窗缝隙总长度，单位为m。

（七）驾驶室司机人体散热量Qp1

Qp1=-（0.25～0.30）Qp

式中：符号表示此项热量对驾驶室采暖有贡献，计算总的采暖热负荷时，应减去这个值；

Qp单个成人散热量，一般取116W。

（八）由通风系统散失的热量Qh（指风道在驾驶室外面的情况）

流经风道的空气，由于内外温差的存在，沿程散失热量。

Qh=K×P×L×（（t1+t2）/2-ta）

式中：

P—风道界面周长，单位为m；

L—风道长度，单位为m；

t1、t2—分别为该段风道前、后空气温度，单位为℃；

ta—该段风道周围空气温度，单位为℃；

K—风道传热系数，单位为W/（m2·K）。

式中：

αo—风道外空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）；

αi—风道内空气的对流换热系数，单位为W/（m2·K）。

参考文献

[1]祁山.汽车空调[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]王运明.实用汽车空调技术[M].广州：广东科技出版社，1995.

[3]唐旭.装载机空调驾驶室室内温度场仿真及试验研究[D].山东大学，2011.