适合大温差环境带喷射器的汽车空调制冷系统设计研究

刘恩海， 周光辉， 潘嘉信， 刘诗琦

(1.中原工学院； 2.河南省高等学校供热空调重点学科开放实验室, 郑州 450007；3.河南中建工程设计咨询有限公司，郑州450004； 4.中原工学院信息商务学院，郑州451191)

适合大温差环境带喷射器的汽车空调制冷系统设计研究

刘恩海1，2， 周光辉1,2， 潘嘉信3， 刘诗琦4

(1.中原工学院； 2.河南省高等学校供热空调重点学科开放实验室, 郑州 450007；3.河南中建工程设计咨询有限公司，郑州450004； 4.中原工学院信息商务学院，郑州451191)

针对大温差环境下在车外环境温度过高、散热条件恶劣时，汽车空调运行效率低下、系统制冷量不足、压缩机排气温度较高等问题，研究开发了一套带有喷射器的混合制冷循环系统，分析了夏季车外高温环境(35 ℃以上)和普通温度环境(低于35 ℃)下的混合制冷循环系统的工作流程，并利用CFD软件模拟喷射器内制冷剂的流场分布云图。结果显示，此设计能较好地发挥喷射器的引射能力，可有效地提升车外换热器散热及系统冷凝效果，有助于提高空调系统在大温差环境下的运行效率、减小系统运行的节流损失，为优化汽车空调制冷系统提供参考。

汽车空调；大温差环境；喷射器；制冷效果；模拟

随着人们对汽车舒适性的要求越来越高，汽车空调的运行性能得到广泛关注。空调系统是发动机附件系统中功耗最大的子系统，对汽车舒适性、动力性、经济性和排放性能都有重要影响[1]。因此，针对夏季室外高温环境运行工况，提升汽车的空调性能，对汽车的舒适性和安全行驶具有重要意义。

何忠韬[2]和叶鲁伟[3]通过实验研究发现，在高温空调装置中增加涡流管、卸荷阀和卸荷毛细管，可以提高空调系统在高温环境下运行的可靠性；孙玉等[4]通过增加副冷凝器、更换保温材料、增加窗帘等方案，改进了汽车空调高温环境下的空调性能，解决了高温环境下汽车空调降温效果差及系统压力过高的问题；韩海强等[5]通过改进某款乘用车的散热器和冷却风机，提高了空调系统的降温性能，使其能顺利出口中东高温环境下的国家。McLaughlin W J等[6]研究了冷凝水在翅片和百叶窗间形成的机理。作者通过“浸蘸法”实验发现，百叶窗间距是影响冷凝排水的最重要因素；同时，作者认为亲水涂层能够很好地解决翅片或百叶窗之间的冷凝“水桥”问题，从而提高蒸发器的整体性能。尽管国内外学者从多方面对高温汽车空调装置进行了研究，但尚没有将喷射器引入高温环境下汽车空调系统的先例。本文设计了具有喷射器的混合制冷循环系统，分析了夏季室外高温环境(35 ℃以上)和普通温度环境(不高于35 ℃)下混合空调循环系统的制冷流程，并对喷射器在该汽车空调系统中的应用进行模拟分析，旨在探索高温环境下汽车空调的高效运行方案，为优化汽车空调系统提供参考。

1 适合高温环境的汽车空调系统

本文设计了一种适合高温环境的汽车空调系统，该系统主要由主制冷循环系统和自循环过冷子系统组成。系统原理如图1所示。

1. 蒸发器；2. 控制阀；3. 四通阀；4. 压缩机；5. 气液分离器；6. 冷凝器；7. 感温包；8. 控制阀；9. 辅路节流阀；10. 控制阀；11. 循环泵；12. 过冷器；13. 主路节流阀；14. 热发生器；15. 喷射器；16. 控制阀图1 适合大温差环境的带喷射器的汽车空调系统图

当车外环境温度高于35 ℃时，控制阀8、10和16打开，制冷剂经主路压缩机压缩成高温高压的制冷蒸汽，经四通阀进入冷凝器散热成高温高压的液态制冷剂，液态制冷剂流经感温包分散成3路：一路沿主循环系统流经过冷器，经主路节流阀节流降压进入蒸发器，蒸发后变成低温低压的气态制冷剂，返回主压缩机依次循环，蒸发器附近空气遇冷生成的水蒸气沿着阀门2流出；一路沿辅助循环系统通过控制阀的制冷剂经过回路节流阀节流降压，在过冷器与主路制冷剂换热后进入喷射器；另一路沿循环泵进入热发生器，收集发动机余热，加热工作蒸汽在喷射器喷嘴喷出，在出口处形成高温高压且流速较高的制冷剂，进入喷射器的接受室，并把在喷射器前的压力较低的引射蒸汽带走；该引射蒸汽来自辅助循环回路的过冷器，两种气体在喷射器中的混合室混合，稳定后进入增压室，压力逐渐增大，进而提高吸入蒸汽的压力，在喷射器经过增压的混合流体，与主路循环制冷剂混合后一起进入冷凝器，完成制冷循环。

当车外环境温度不高于35 ℃时，控制阀8、10和16关闭，制冷剂沿主路循环系统进行工作循环。此时为一般空调系统循环。

此空调系统能利用自循环过冷子系统进一步降低

制冷剂流体的蒸发温度，提高制冷量。在辅助循环制冷系统中，引入利用汽车冷却废热驱动的喷射式制冷装置，能节省能源消耗，提高系统COP，改善夏季高温环境下汽车空调制冷效果不显著的情况。

2 喷射器在汽车空调中的应用

喷射器工作原理是：制冷剂液体被加热、升压，高温高压的工作蒸汽进入喷射器后从喷嘴高速喷出形成低压，将蒸发器中的闪发蒸汽吸入喷射器。经过在喷射器中的混合和增压后，混合气体进入冷凝器凝结，成为制冷剂液体[7]。将喷射器引入汽车空调系统，能有效发挥其结构简单、充分利用低品位热源和绿色节能等优点。Sun D W和谭周芳等的研究表明[8-9]，R11在热物理性质上更适合喷射式制冷系统，但此氟利昂类制冷剂已被禁止使用。本文参考R11的物性参数，结合汽车空调运行工况要求，选择R123制冷剂进行研究。

参考大巴汽车空调设计制冷量，根据索科洛夫经验公式[10]，喷射器主要尺寸设计为：喷嘴喉部直径8 mm，喷嘴出口直径16 mm，混和室等面积段直径26 mm。结合汽车正常运行时冷却水温达到90 ℃的情况，本文制冷剂工作蒸汽压力为0.55 MPa，被引射制冷剂压力为0.05 MPa，混合出口压力为0.2 MPa。为了充分研究此喷射器内部流场混合情况，本文利用CFD软件对喷射器内部的流场进行模拟，并分析喷射管内制冷剂压力、温度和流速变化情况。模拟结果如图2、图3和图4所示。

由图2可以看出，高温加热的蒸汽流体进入喷射器时，压力较大，进入喉管后压力进一步增大，然后在喷嘴出口处压力迅速降低，从而将引射流体吸入，两股流体在混合室剧烈混合，混合后流体压力逐渐趋于一致，经喷射器扩压室减压到空调系统管道所要求的压力，混合成一股制冷剂流体进入空调系统。

图2 喷射器内压力场分布云图

图3 喷射器内速度场分布云图

由图3可以看出，高温高压的工作流体在喷嘴出口处流速达到超音速，并在吸入室通过剪切作用带动引射流体进入混合室，两种流体在混合室混合，其中混合边界层内部依然为超音速流体，外部为亚音速流体，混合流体在能量交换过程中，使得工作流体的流速降低，引射流体的流速增加，最终趋于一致。经过扩压室后，混合流体流速降至系统要求，然后进入空调管道进行循环。

图4 喷射器内温度场分布云图

由图4可以看出，工作流体在发生器中被加热，从喷嘴处高速喷出，在混合室中与引射流体混合，引射流体温度较低，与高温工作流体混合后进行热量交换，最终温度趋于一致。经过扩压室后，混合流体温度达到系统要求，然后进入空调管道进行循环。

如图2、图3和图4所示，喷射器内部流体流动复杂，工作流体在喷嘴处高速喷出，此时工作流体的压力、流速和温度都比较高，对低速流动的引射流体产生抽吸作用，引导低温低压流体进入喷射器。两者在混合室内剧烈混合，进行动量和能量交换，形成均匀混合状态。通过Fluent求解后，可得该喷射器的喷射系数为0.31。由喷射器内压力场、速度场、温度场的分布云图可知，混合流体的压力、流速和温度均保持稳定状态，喷射器出口的截面分布趋于平缓。这表明，汽车空调系统的喷射器设计合理。

3 高温工况下空调系统实验对比

根据图1搭建系统试验台，其中室内环境干球温度控制范围为10 ℃～40 ℃，湿球温度控制范围为9 ℃～35 ℃；室外环境干球温度控制范围为-20 ℃～55 ℃，湿球温度控制范围为-21 ℃～45 ℃；实验室的温度控制精度为±0. 2 ℃。车内换热器放置于室内侧风量测量箱的入口处，压缩机、膨胀阀、车外换热器等设备均放置于室外侧，制冷剂选用R123。

设置室外温度36 ℃、38 ℃和40 ℃，车内侧入口空气温度27 ℃，车外换热器表面风速4.5 m/s，车内风机电压6 V，压缩机转速2 000 r/min，实验对比具有喷射器辅助系统的高温空调系统和一般空调系统在高温环境下制冷量和能效比EER的差异情况。实验结果如图5和6所示。

图5 两种空调系统制冷量对比

图6 两种空调系统EER对比

由图5和图6可知，在室外36 ℃、38 ℃和40 ℃等温度下，具有喷射器辅助系统的空调系统的制冷量为2 780 W、3 000 W和3 200 W，均高于普通制冷空调系统200 W左右，且具有喷射器辅助系统的空调系统的EER也普遍高于一般空调系统。因为辅助系统中具有空冷器装置，使得制冷剂在进入蒸发器过程中进一步冷却，且辅助系统中的喷射器主要从汽车空调冷却液获取余热，提供能量，减少了压缩机轴功消耗，使整体空调系统的EER高于普通制冷空调系统。实验结果表明，在高温环境下，本文所设计的空调系统制冷性能优于普通空调系统。

4 结 语

本文针对夏季高温环境下汽车空调运行工况，设计了一套具有中间换热器的辅助制冷系统，并把喷射器引入到辅助系统中，充分利用汽车废弃余热等低品位热源，发挥喷射器结构简单、节能环保的优点，提高了空调系统制冷量，改善了高温环境下汽车空调能耗较高、运行效率低下等情况。另外，设计了该空调系统中的喷射器尺寸，并利用流体模拟软件CFD对喷射器内制冷剂流场进行模拟分析。结果显示，喷射器出口处混合流体的压力、流速和温度均保持稳定。这表明，汽车空调系统的喷射器设计合理。

[1] Andreas K， Ralf M， Harald R， et al．Reduction of Fuel Consumption in Air Conditioning Systems[J]．SAE Paper，2008(12):68-72.

[2] 何忠韬.高温空调制冷机:中国,CN03243661.0[P].2004-11-17.

[3] 叶鲁伟.新型高温空调:中国,CN200920009763.7[P].2009-12-23.

[4] 孙玉，郁强，唐鹏，等.高温气候下汽车空调性能优化设计与效果分析[J]. 制冷技术，2015(6):48-51.

[5] 韩海强,童国庆,何旭明，等.提高面向中东市场乘用车的空调降温性能[J]. 汽车电器, 2014(6):20-22.

[6] McLaughlin W J, Webb R L. Condensate Drainage and Retention in Louver Fin Automotive Evaporators[J]. SAE paper, 2000(1):75-79.

[7] 李海军.喷射器性能、结构及特殊流动现象分析[D]. 大连：大连理工大学，2004.

[8] Sun D W.Comparative Study of the performance of an Ejector Refrigeration Cycle Operating. With Various Refrigerants[J]. Energy Conversion & Management, 1999,40(3): 873-884.

[9] 谭周芳,刘志刚,刘威定,等.离心式制冷机中R11替代物的筛选及计算[J]. 流体工程，1992(11):72-76.

[10]索科洛夫，津格尔. 喷射器[M]. 黄秋云，译. 北京：北京科学出版社，1977.

(责任编辑：张同学)

Design and Scheme Research on Vehicle Air-conditioning System for Large Temperature Difference with Ejector

LIU En-hai1，2, ZHOU Guang-hui1，2, PAN Jia-xin3, LIU Shi-qi4

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007; 2.Key Laboratory of Heating and Air Conditioning, The Education Department of Henan Province, Zhengzhou 450007; 3.Henan Engineering Design Consultants of CSCEC Co.Ltd., Zhengzhou 450004; 4.College of Information & Business, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191, China)

The refrigeration performance of vehicle air-conditioning system in the environment with large temperature difference has an important effect on the comfort and safety of passengers traveling life. Since under the environment of large temperature difference in summer, vehicle air-conditioning is low efficiency, high energy consumption problem. A set of ejector hybrid refrigeration cycle system is designed to analyse the summer outdoor environment of high temperature (35 ℃) and ordinary refrigeration (no more than 35 ℃) work mode, the working process of the hybrid refrigeration cycle system, and to compare and analyse the common refrigeration system for auxiliary fluid mixing in the ejector refrigeration system. Using CFD to simulate the flow field distribution of refrigerant in spray cloud image, the simulation results show that this design can better play to jet ejector ability, improve the exterior heat exchanger cooling effectively, to enhance the refrigeration effect, help to improve the efficient operation of the air conditioning system in the environment with large temperature difference, reduce throttle loss of system operation, promote the vehicle air-conditioning system in high temperature environment to work effectively, provide a reference for optimization of vehicle air-conditioning system.

vehicle air-conditioning; environment with large temperature difference; ejector; refrigeration effect; simulation

2017-01-05

河南省高等学校供热空调重点学科开放实验室研究基金项目(2017HAC202)

刘恩海(1974-)， 男，讲师，博士，主要研究方向为制冷空调节能新技术。

1671-6906(2017)01-0065-04

U464

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.014