浅谈工程车辆空调风道设计

王 庆，庞 洋

(江苏创导空调有限公司技术研发部，江苏 徐州 221004)

工程机械空调从无到有，由最初仅仅在驾驶室内配风扇散热，发展到能够制冷、制热的直吹式空调系统。现随着工程机械操作人员对工作环境舒适性要求的进一步提高，风道式自动控制工程机械空调应运而生，正逐渐地成为主流。

风道的布置，关系到空调系统的总体布局以及结构性能，其与工程车辆的驾驶室空间、驾乘人员的舒适性等，有着尤为重要的联系。空调系统风道在布置时，应当考虑使用者的灵活性，合理布局，不能妨碍人员的驾乘。

1 风道结构及功能简介

风道式空调一般具有吹背，迎面，除霜，吹脚等等功能。

下面就安徽格瑞德-GME-150-15T 挖机驾驶室为例，介绍风道结构及功能。

（1）吹背风道。见图1所示。

图1 吹背风道

（2）前除霜与迎面风口。见图2所示。

图2 前除霜与迎面风口

风道是空调系统中，连接空调器与出风口的制冷和制热空气的通道，将处理过的气流送到驾驶室内。

风道作为空调系统的一部分。不仅与车厢结构以及空调制冷系统有关，还与空调风道的结构形状密切相关。风道的布置走向、占用空间以及流速等，均影响空调的制冷效果与系统的经济性和外观。因此风道的优化程度，就显得尤为重要。

2 风道中的压力损失

一般来说，由于受到工程车驾驶室本身的空间结构限制，在风道中的压力损失问题比较严重。因此，在设计风道时，应着重从风道的压力损失开始着手设计。而风道压力损失，是由沿程压力损失和局部压力损失两部分组成。

2.1 风道沿程的压力损失

风道沿程的压力损失，是空气沿风道管壁流动时，由于空气与管壁之间的摩擦，空气分子与分子之间的摩擦而产生。

风道单位长度的沿程压力损失pm（比摩阻）的计算式如下：

式中，

ΔPm为沿程压力损失，Pa；

ΔRm为摩擦阻力，Pa；

ρ为空气密度，kg/m3；

l为风管长度，m；

λ为摩擦阻力系数；

ν为风道内空气的平均速度，m/s；

RS为风道的水力半径，m。

其中，

A为风道的过流横截面积，m2；

P为风道的周长，m。

摩擦阻力系数λ 和雷诺数Re 是管壁粗糙度n的函数。

若空气流动呈层流状态时（Re＜2 300），λ 值与管壁表面粗糙度无关，只与Re 有关，即λ=64/ Re；若空气流动呈层流状态时（Re＞2 300），存在3种状态：

（1）当层流边界层覆盖住管壁凸起高度时，为水力光滑管，λ 只与Re 有关。

（2）如果层流边界很薄，管壁凸起高度完全突出在边界外部，属于水力粗糙管，λ 只与管壁表面粗糙度有关。

（3）当层流边界层只是覆盖住管壁一部分凸起高度，而另一部分凸起高度在边界层外部，为过渡状态，与λ 和Re 有关，同时又与管壁粗糙度有关。

2.2 风道局部的压力损失

风道局部的压力损失，是由于空气在风道中的流量，流动方向或者速度骤然发生变化时，会在风道内发生末涡流，从而加大流动阻力造成能量损失。

例如流过三通、四通或者弯管、渐缩、渐扩、风门等部件，会产生局部阻力损失。

其中，

Z为局部压力损失，Pa；

ξ为局部阻力系数；

Ρ为空气密度，kg/m3；

ν为风速，m/s。

由上式表明，局部阻力与其中流速的平方成正比（通过相关手册查询部分管路部件的阻力数值），在克服局部阻力而损失的能量，比克服摩擦阻力而损失的能量大得多，所以在设计风道时，关键是如何采取措施，减少局部阻力。

3 风道设计应遵循的原则

3.1 避免风道界面突变

风道中截面突变，产生过流断面的变化，而引起流速变化形成旋涡，造成成局部阻力损失。同时过流断面变化越大，损失也越大。所以，想要减小局部阻力损失，就必须尽量减小过流断面的变化，可以采用渐变管来代替突变的风道，一般渐阔管中心角≤14°，渐缩中心角≤40°，渐扩管内空气流动状态见图3。

图3 渐扩管内空气流动状态图

3.2 风管应尽量减少转弯

由于空气流过弯管时，气流会因流向突变而脱离管壁表面，使局部出现真空，造成能量损失并产生噪声。

增大曲率半径，可以使弯头内的涡流区和旋转运动减弱。但是弯头的曲率半径也不宜过大，以免占用的空间过大，一般取曲率半径R 等于弯头直径的1～2倍。在任何情况下，都不应采用90°直角。弯头内空气的流动状态见图4。

图4 弯头内空气的流动状态图

3.3 均布的空调风口应尽量考虑均匀送风

对于均布的空调风口，为了得到较好的气流组织，应尽量考虑均匀送风，根据流量与出风口角度比较，应尽量增大α 角。根据

Vj/Vd≥1.73 或者△Pj/Pd≥3.0；

△α 一般取值≥60°。

流量系数μ 与孔口形状、出流角α 及孔口出流量与分流前风量之比，见图5。

图5 流量系数μ 与孔口形状、出流角α及孔口出流量与分流前风量之比

3.4 风道的隔热保温

工程车因其热辐射工况恶劣，对风道要进行隔热保温处理，以减少空气在风道输送过程中冷热的能量损失。并可以防止低温风道表面的结霜现象。目前风道的结构和用材多种多样，但基本上可以分为硬质和软饰两个大类。硬质一般为薄钢板或者镀锌薄钢板；软饰多为塑料板，材料有：PU、PP、ABS/PVC 等。

3.5 对风速的控制

对风道的风速要进行控制，因为风道内空气的平均速度ν 对风道沿程压力损失的影响很大，在相同的风量时，风道风速选得过大，虽然可以减小风道尺寸，但是也会造成风道内空气流动的沿程阻力会以速度的平方值增加，还需要配置高压风机，来满足出风口风速要求。

因此，通常出风口风速控制在：新风口5～6 m/s；主风道5.5～8 m/s；支风道4～5.5 m/s。

4 结束语

在空调系统中，风道是空调器总成上的重要功能件与装饰件，其承担着向各个风口输送冷热空气的功能。其设计合理与否，与整个空调系统的性能有着不可分割的关系，设计的优良性，将直接影响驾驶室内的气流组织与空调效果，所以如何更好地优化风道的设计布局，就有着更为重要的作用。

[1]陈孟湘.汽车空调—原理、结构、安装、维修（新世纪版，第2版）[M].上海:上海交通大学出版社，2011.

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