同轴管对于空调系统性能改善的研究

谢军 林明松 陈一帆

【摘 要】文章提出一种使用同轴管改善空调制冷性能的方法，通过理论分析同轴管的可行性，并通过系统试验和实车测试验证了其改善效果，与普通空调系统相比，使用同轴管的空调系统，制冷量提升约10%，COP值提升约8%。

【关键词】汽车;空调;同轴管

【中图分类号】TB657.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）10-0069-02

0 引言

在当前环境问题日趋严重的压力下，我国对节能减排的要求不断提高，对汽车排放限制标准的制定也越来越严格。汽车行业面临的节能减排压力不断增大，因此各汽车生产厂商推出了很多提高燃油利用效率、降低排放标准的技术和措施。在汽车的使用过程中，绝大部分时间都会使用车用空调系统，据了解，汽车空调的功率约占发动机功率的20%，特别是在纯电动汽车中，空调能耗占比更大，对车辆的续航里程影响较大。因此，提高车用空调系统的工作效率，降低能耗，对于汽车的节能减排具有重要作用。

目前，通过提高车用空调的效率实现节能减排的主要途径有以下几种：改善空调零部件的效能、使用绿色制冷剂、优化空调系统结构。从2016年起，各国已经开始使用新的制冷剂替代当前广泛使用的R134a。其中，HFO1234yf的环保性能好，但存在制冷性能和效率下降的问题，为了提升HFO1234yf在汽车空调系统中的使用性能，各大汽车厂商开发了同轴管系统。本文主要从提高空调系统效率的角度，分析和研究使用同轴管对车用空调系统的性能改善效果。

1 同轴管系统结构原理

同轴管汽车空调系统的组成如图1所示，系统由压缩机、冷凝器、同轴管、膨胀阀、蒸发器组成，空调制冷原理与常规汽车空调相同，主要区别在于将高、低压管路集合在一根同轴的管路中，高压部分的制冷剂在外层流动，低压制冷剂通过内层流动。通过使用同轴管，低压管与高压管之间相互传热，利用低压管的低温对高压管的过冷冷媒进一步冷却，同时降低发动机舱热量对低压管路的影响，能够有效改善空调系统的性能。车用空调的管路布置在发动机舱，发动机舱常处于高温状态会严重影响高压管路的散热，导致汽车空调的效率下降。

2 空调系统使用同轴管的能量分析

空调制冷管道分为高压和低压管道。在空调工作的过程中，高压管道急需散热，以提高膨胀过程的制冷效率，低压管道温度低，适度提高其温度有利于提高冷却液蒸气的过热度，保证进入压缩机内的冷却液全部为气体状态，有利于提高压缩机的工作效率和工作稳定性。

通常情况下，冷凝器出口冷媒的温度能接近环境温度（约50 ℃），发动机舱的温度常常高达80 ℃以上，这种高温环境会降低冷媒的过冷度。而空调系统低压管则处于低温状态，在10 ℃以下，发动机舱的高温同样也会使低压管温度上升，降低压缩机的工作效率。将高压管套在低压管外，能够有效防止发动机舱高温环境对低压管的影响，同时也能利用低压管的低温对高压管中的过冷冷媒进一步降温。

根据空调系统的压-焓图，采用同轴管的空调系统，相对于采用普通管的空调系统主要具有以下两个优势。

（1）在蒸发器入口处，同轴管利用蒸发器出口低温的制冷剂给冷凝器出口的高温制冷剂进一步降温，提升了蒸发器入口的过冷度，有效提高了蒸发器的性能，但是过热度过高也会降低压缩机的效率。

（2）在蒸发器出口处，同轴管利用蒸发器入口（冷凝器出口）的制冷剂过热度，有效防止了压缩机的液击。

综合分析，当Δq/Q>Δw/W时，COP=（Q+Δq）/（W+Δw）>1。Q为制冷量，Δq为使用同轴管系统增加的制冷量，W为系统功耗，Δw为使用同軸管后增加的功耗，COP为制冷系数。因此，使用同轴管能够提高系统COP。

3 同轴管空调系统台架试验

将同轴管与普通管路安装到空调台架上进行对比试验，实验设置环境温度为38 ℃、相对湿度为50%、冷凝器风量为2 000 m3/h、蒸发器风量为500 m3/h;通过控制压缩机分别设置转速为900 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min，测试在不同的压缩机转速和不同的进风温度下，空调系统在使用同轴管和普通管路时的制冷性能与COP性能。测试结果如下。

（1）在使用同轴管的系统中，空调系统的制冷性能更好，在压缩机低转速时效果更明显，约提升10%的制冷量。

（2）系统COP也有明显提升，在压缩机低速工况时提升更明显，约提升8%。

4 同轴管系统实车测试

在某款已上市的车型上使用同轴管和普通管路，分别进行整车制冷性能验证。

试验设备：整车试验环模舱。试验步骤如下：①将整车放入环境模拟舱，将辐照开到1 000 w/m2，同时环境舱温度提升至40 ℃;②待车内温度升高至稳定，继续浸泡1 h;③试验人员进入车辆，启动车辆，将车速稳定在40 km/h;④开启空调，内循环，风量调至最大，温度调至最低，吹面模式，采集车辆降温过程中头部温度和出风口温度;⑤试验完成后，将车辆退出环境舱，更换同轴管，加注车辆上标注的制冷剂及质量;⑥重复试验1～4步骤。

试验完成后，对比两次试验数据，对比结果如图2所示。

从图2中的数据可以看出，在相同的汽车空调系统中，30 min的制冷时间内，带有同轴管的空调系统比不带同轴管的空调系统，头部温度低0.8 ℃，从长期的使用来看，带同轴管的空调系统的制冷性能将有明显优势。结合空调系统COP的测算，在综合工况下，用户使用带同轴管的空调系统将节油0.12 L/100 km。

5 结语

通过介绍空调系统原理及同轴管的结构，从理论上分析同轴管提高车用空调性能的可行性，并通过台架试验对比同轴管与普通空调管路发现，使用同轴管可以提高空调系统10%的制冷量，提升8%的COP值。通过实车试验验证，带有同轴管的空调系统比不带同轴管的空调系统的头部温度降低0.8 ℃。在行业对汽车及空调系统节能环保要求日趋严格的形势下，随着同轴管结构及性能的进一步优化，使用同轴管系统是车用空调的发展趋势。

参 考 文 献

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