工程机械空调中有用能损失的试验研究

茹新周



工程机械空调中有用能损失的试验研究

茹新周

（新乡豫新换热设备股份有限公司，河南 新乡 453000）

文章根据实验数据，运用熵分析的方法，分析了工程机械空调制冷循环中有用能的损失，其中压缩机消耗的有用能为33.7%，膨胀阀（节流）消耗的有用能为22%，冷凝器消耗的有用能为17.6%，蒸发器消耗的有用能为11.8%，其他部件消耗的有用能为14.9%。在此基础上提出可以采取减小压缩比和传热温差的方法降低有用能的损失。

工程机械空调；熵；有用能；有用能损失

0 引言

工程机械空调比其他车辆和家用空调的工作环境恶劣许多，例如热负荷高、振动强、灰尘多，驾驶室密封性差、冷凝器散热环境差、温度高等。上海交通大学的吴金玉[1]编写了工程车辆热负荷软件并进行了准确的计算，对驾驶室的气流组织也进行了CFD分析和空调系统的仿真。天津大学的梁兆惠[2]对空调制冷系统性能进行了模拟，并进行了能效标准的研究。广东工业大学的简建伟[3]对空调四大部件和冲注量进行了研究，通过选用不同厂家与不同型号的压缩机，并与压缩机厂进行合作，降低了压缩机的功率，提高了空调整机的效率。空调系统在高热负荷和高环境温度时，叶鲁伟[4]在空调系统中设置了卸荷阀和卸荷毛细管，当负荷和环境温度升高时卸荷阀打开，卸荷毛细管辅助增强节流作用，降低系统的排气温度。而近年来随着能源价格的上涨，和我国对汽油的依赖程度不断提高，以电和燃气为动力的时代逐渐来临了。2014年福田重工研发出第一代以天然气为动力，进入批量生产的装载机。其他国内各大工程机械生产商也竞相采用新能源，这些都显示着节能的重要性。在工程机械用空调的设计开发中，如何进行节能，在哪部分进行节能工作能够取得较大的节能效果，文章进行了一些有益的探讨。

1 试验工况及性能数据

以某工程机械空调试件作为研究对象。蒸发器采用层叠式，长×宽×厚=231.6×225×60（mm）；冷凝器采用平行流式，长×宽×厚=540×411.6×16（mm）；膨胀阀采用1US.RT，外平衡形式；压缩机采用三电贝洱SE5H14；系统充注量为：1000g±20g。

试验工况按照QC/T656—2000《汽车空调制冷装置性能要求》［5］执行。

试验地点和数据提供：豫新空调股份有限公司试验中心引进的美国TESCO公司的车用空调性能试验室；

干球温度范围：-20～+130℃；

湿球温度范围：10～+50℃（换算成相对湿度30～95%RH）；

控制精度：±0.2℃；测量精度：±0.2℃；

温度变送器：三线制，0.1级，0～60℃/1～5V，二路输出；

温度传感器：Pt100，A级，三线，SUS3.2-150mm；

实验室压力测量参数：

实验室压缩机转速测量参数：

转速范围：0～6000rpm；

测量精度：±1rpm；控制精度：±5rpm；

转速变送器：±1rpm，0～6000 rpm/1～5V；

直流信号变换器：DC1～5V/DC1～5V两路输出，0.1级；

试验参数：

压缩机SE5H14；排量：138cm3/r；

压力范围：0～3.0MPa（G）；测量精度：±0.1%；

压力变送器：±0.1%级，0～3000kPa/4～20mA；

直流信号变换器：DC4～20Ma/DC1～5V两路输出，0.1级；

实验室温度测量参数：

转速：1800r/min；蒸发风量：400m3/h；

从试验中得到：

各点测量位置如图1，空调系统循环压焓图如图2。

由试验报告得到空调系统循环各点参数如表1。

图1 各点测量位置

图2 空调系统循环压焓图

表1 空调系统循环各点参数

注：5’点按理想状态计算得到

各部分的换热量计算如表2。

表2 各部分的换热量

2 有用能的损失分析——熵分析

如图2，整个过程为：压缩（1点到2点）；有温差散热——压缩机到冷凝器管路的散热（2点到3点）、冷凝器的散热（3点到4点）、冷凝器到膨胀阀管路的散热（4点到5点）；节流——膨胀阀（5点到5’点）；有温差吸热——蒸发器的吸热（5’点到6点）、蒸发器到压缩机管路的吸热（6点到1点）。

按照QC/T 656—2000《汽车空调制冷装置性能要求》的规定环境温度为：=35℃，室内温度为：=27℃。熵产表示为：。

2.1 计算消耗的最小有用能

图3 可逆循环

则：

根据（1）式得：

2.2 各过程既部件中有用能损失

按照如下顺序分别计算：压缩（压缩机）、有温差散热（冷凝器）、节流（膨胀阀）、有温差吸热（蒸发器）以及管路热交换过程。分析如下:

1)压缩过程的有用能损失

认为压缩过程（压缩机的压缩过程，1点到2点）为绝热压缩。

则：压缩过程中的熵产：

压缩过程中的有用能损失：

（3）

因此将（2）式代人（3）式得到：

2）有温差散热（冷凝器散热过程，3点到4点）的有用能损失

冷凝过程中工质放热引起的工质熵变及环境吸热（和冷凝器的散热相等）引起的熵增之和：

冷凝过程中的有用能的损失：

（5）

因此将（4）式代入（5）式得到：

3）节流过程的有用能损失

认为节流过程（膨胀阀的节流过程，5点到5’点）为绝热膨胀。

则：节流过程中的熵产：

节流过程中的有用能的损失：

（7）

因此将（6）式代人（7）式得到：

4）有温差吸热（蒸发器的吸热过程，5’点到6点）的有用能损失

蒸发过程中工质吸热引起的工质熵变及室内散热（和蒸发器的吸热相等）引起的熵增之和：

蒸发过程中有用能的损失：

（9）

因此将（8）式代人（9）式得到：

5）管路中有用能的损失

管路中有用能的损失是工质吸（散）热引起的工质熵变及所处的环境散（吸）热（和各个管路的吸（散）热相等）引起的熵增之和。熵产及有用能损失的计算式与冷凝器散热（公式（4）和（5））、蒸发器吸热（公式（8）和（9））的计算式一致。

因此：

蒸发器到压缩机管路（室内散热，6点到1点）的有用能损失：

冷凝器到膨胀阀管路（环境吸热，4点到5点）的有用能损失：

压缩机到冷凝器管路（环境吸热，2点到3点）有用能的损失：

3 校核以上分析计算

3.1 压缩机消耗的有用能

在空调系统工作中，压缩机消耗的轴功率为机械能，而机械能均为有用能，因此压缩机消耗的有用能为：

3.2 循环消耗总的有用能及校核

在室外环境和室内两个热源不可逆循环中，各部件消耗总的有用能和在两热源之间工作时所需要消耗的最小有用能（）之和为循环实际消耗总的有用能：

因此：

分析其中误差,首先是因为蒸发器到压缩机的管路分为两部分，一部分放置在室内，另一部分放置在室外环境中，其实际所处的温度是不同的，而文章认为该管路均放置在室内；其次是节流过程和压缩过程在实际工作中不是绝热的，而文章在计算中忽略了其传热部分的能量损失；最后是测量和计算中的误差所引起的系统偏差。

4 分析与结论

各过程（部件）中有用能损失及其占比如表3。

4.1 分析

从表3中可以看出：有用能的损失主要是在压缩(压缩机)和节流（膨胀阀），其次是冷凝（冷凝器）和蒸发（蒸发器）的过程中，最后小部分损失在管路中。

在实践中，压缩机有用能损失的原因主要是：机械损耗、非绝热过程和容积效率，例如压缩机气缸吸气时吸热，排气的中后段散热，活塞和气缸的摩擦，以及余隙容积的存在等等，其也是工程机械空调中有用能损失最大的部件。冷凝器在传热过程中虽然传热温差较蒸发器小，但由于需要传递的热量大，因此有用能的损失略大于蒸发器。膨胀阀中主要是节流损失和非绝热膨胀过程，管路主要是由温差传热造成的损失。

表3 各过程（部件）中有用能损失及其占比

4.2 结论

降低能源消耗的途径应该考虑以下几个方面：

1）降低压缩比，减少压缩过程中的不可逆消耗的有用能。可采用涡旋压缩机，涡旋压缩机中没有吸排气阀片，没有余隙容积，容积效率可达到90%以上，并且吸、排气的连续性大大提高，这将极大地节省压缩机轴功率的输入。

2）减小传热温差，以减少由于温差传热造成的有用能的损失。采取加大冷凝器和蒸发器，用以降低冷凝温度（升高蒸发温度），减小和所处室外环境温度的温差，同时也可降低压缩比，从而降低因温差和压缩比引起的有用能的损失。

（责任编辑吕春红）

[1] 吴金玉.工程车辆空调系统仿真及优化[D].上海交通大学,2008.

[2] 梁兆惠.空调制冷系统性能模拟与能效标准的研究[D].天津大学,2003.

[3] 简建伟.空调器高能效的技术研究与应用[D].广东工业大学,2004.

[4] 叶鲁伟.新型高温空调[P].中国:CN201368624,2009-12-23.

[5] QC/T656—2000,汽车空调制冷装置性能要求[S].

Experimental Study on the Loss of Useful Energy in the Construction Machinery Air Conditioner

RU Xing-zhou

(Yuxin Vehicle Heat Exchanging Equipment Co., Xinxiang 453000, China)

Through the test, entropy analysis method was used to analyse the loss of useful energy during the refrigeration cycle of construction machinery air conditioner. Among all the useful energy, 33.7% was consumed by the compressor, 22% was consumed by expansion valve (throttle), 17.6% was consumed by condenser, 11.8% was consumed by evaporator, 14.9% was consumed by other parts. On the basis of the above, it is suggested that the method can reduce the loss of useful energy by reducing the compression ratio and heat transfer temperature difference.

construction machinery air conditioner; entropy; useful energy; energy losses

U463.851

A

1008–2093(2016)02–0001–05

2016-01-19

茹新周（1971―），男，河南新乡人，工程师，主要从事工程机械空调设计研究。