小型汽车空调系统实验台的设计

I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Design on Small AutomotiveAir Conditioning System Test System2013 年 05 月II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：TB657IIIDesign on Small Automotive Air Conditioning System Test SystemAbstract:Today,the forthputting of automotive air conditioning has been universal,and with the development of the Science and Technology,peoples requirements on automotive air conditioning are also getting higher and higher,but as the overall performance of automotive air-conditioning is improving,there have been many problems at the same time.According to information provided by Automotive Air Conditioning H-type thermal expansion valve manufacturers,the expansion valve in some special cases will generate the phenomenon of “howling“.Therefore,this paper will mainly design a small automobile air conditioning bench to solve this problem of the “whistle“ issue and to study the H-type thermal expansion valve .As a comprehensive test-bed, the bench can be used in the following experiments:1、For simulation,analysis of the “whistle“ issues of automotive air conditioning H-type thermal expansion valve;2、For teaching demonstration,analysis of automotive air conditioning,and its difference from ordinary air conditioned car characteristics;3、Analog automotive air conditioning and automotive engine in the conditions of startup and shutdown and the automotive air conditionings operating status when the engine is startup.At the same time get the record and analysis of the automotive air conditioning parts working conditions when the speed is variable;4、This bench can be used to do the research of cooling capacity test of small automotive air conditioning systems,and condenser performance testing of small automotive air conditioning systems.Keywords:automotive air conditioning;test system;noise;Classification:TB657IV目 次摘要 IAbstract II目次 III1 绪论11.1 研究背景11.1.1 汽车空调的介绍11.1.2 本课题的由来及意义11.2 国内外关于汽车空调膨胀阀“啸叫” 的研究现状 21.2.1 国外汽车空调膨胀阀“啸叫” 的研究 21.2.2 国内汽车空调膨胀阀“啸叫” 的研究 22 实验系统的设计计算及选型42.1 实验台要实现的功能分析42.2 汽车空调制冷系统42.2.1 汽车空调制冷系统简介42.2.2 汽车空调制冷系统的工作原理42.2.3 汽车空调制冷系统的选型62.2.4 压缩机选型62.2.5 冷凝器的选型92.2.6 蒸发器的选型92.2.7 膨胀阀选型102.3 制冷系统的热力计算112.4 压缩机动力电机的选型计算13V2.5 冷凝风机的选型计算142.6 压缩机动力电机变频器和冷凝风机变频器的选型162.7 测量仪器的选择163 汽车空调实验台的总设计方案184 总结21参考文献22学位论文数据集24中国计量学院本科毕业设计（论文）11 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： 21、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 。中国计量学院本科毕业设计（论文）2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。 3Kam 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。 5Heckle 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。 6Enrique 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。 71.2.2 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 530 Hz左 右 ，持 续 时 间 4 s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 利中国计量学院本科毕业设计（论文）3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中国计量学院本科毕业设计（论文）42 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 理中国计量学院本科毕业设计（论文）5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