008-基于AMESim汽车空调制冷系统仿真研究

基于AMESim汽车空调制冷系统仿真研究王坤张余民付众李四旺摘要：首先利用AMESim软件建立了某汽车空调制冷系统零部件的仿真模型，根据已有零部件单体试验数据对模型进行了标定。随后将标定后的零部件模型搭建成系统仿真平台并利用ExcelVBA开发了前后处理程序，将系统仿真结果与系统台架试验数据进行对比，进而验证了仿真的可靠性。最后研究了不同制冷剂充注量下空调系统的特性并确定了制冷剂最佳充注量，结果与整车环境模拟试验得到的充注量相符。关键词：汽车空调、系统仿真、制冷剂充注量、AMESim一、前言汽车空调制冷系统的性能主要由两方面决定：一为构成系统的各零部件的性能；二为系统匹配的合理性[1]。在汽车空调系统开发过程中，通常的作法是在确保各零部件单体性能满足技术要求的前提下，将零部件搭建成空调系统并通过系统台架试验来衡量其是否满足设计要求。然而在实际开发过程中，经常会出现零部件单体试验合格而系统台架试验不合格的情况，这往往会需要大量重复“零部件选型-单体试验-系统台架试验”过程，造成大量的人力和物力投入在样品的试制和试验上，相应地带来开发成本的上升。另外，在进行整车空调系统制冷剂充注量试验之前，试制车辆的制冷剂充注量往往是根据经验给定，这会带来一定的误差，不利于空调系统的工作。基于以上问题，本文在已有零部件单体试验数据基础上，利用LMS公司的AMESim软件建立并标定了某汽车空调系统零部件仿真模型，并搭建了空调系统仿真平台，同时使用ExcelVBA开发了前后处理程序，最后对该空调系统制冷剂充注量进行了研究。二、制冷系统零部件模型的建立与标定该车空调制冷系统的构成如下：斜盘式定排量压缩机，排气量130cc；平行流过冷式带储液罐冷凝器，厚度15mm；H型热力膨胀阀，制冷量1.5冷吨；层叠式蒸发器，厚度58mm。下面分别介绍零部件模型建立与标定过程。（一）压缩机模型1.建模基本思想制冷剂在压缩机中流动和换热是非常复杂的过程[2]，考虑到所建立压缩机模型目的在于对空调系统的仿真而非对压缩机零部件的深入研究，因此建模过程中将影响压缩机性能的参数归结为容积效率、等熵效率、机械效率，不从机理上研究这三个系数，而是根据现有试验数据标定这三个系数。2.模型描述及参数标定压缩机零部件AMESim模型如图1所示，模型的输入量为：吸气压力，sp；排气压力，dp；吸气过热度，sphT；压缩机转速，r；压缩机排量，S；输出量为：质量流量，m，排气温度，dT；压缩机扭矩，；压缩机功率，P。spsphTdpmdTrP图1.压缩机模型根据试验数据可获取的参数：吸气压力，sp；排气压力，dp；吸气温度，sT；排气温度，dT；流量，m压缩机转速，r；压缩机排量，S；压缩机功率，P；压缩比，i。标定量：容积效率，v；等熵效率，s；机械效率，m；,vsmfrirS其中：s，吸气密度，,sssfpT,isdssdshhfrihh其中：isdh，等熵排气比焓，,isddshfpS，,sssSfpTsh，吸气比焓，,ssshfpT，dh，排气比焓，,dddhfpT；dsmmhhr其中：，扭矩，3000Pr3.模型准确性的验证模型计算结果与试验值对比见表1、图2、图3：表1.不同试验工况下压缩机功率对比试验工况编号12345678910吸气压力barA4.943.532.62.43333排气压力barA26211917151315.715.715.715.7吸气过热度℃10101010101010101010压缩机转速rpm1071107110711071107110711000180030003237压缩机功率kW(计算值)2.40541.97881.77991.57741.39151.24261.36372.53054.21754.5507压缩机功率kW(试验值)2.3081.9661.7651.5751.4241.3061.3022.5274.2094.480功率差值（%）4.220.650.840.152.284.854.740.140.21.58等转速下功率比较（编号1～6工况）012301234567试验工况编号压缩机功率(kW)计算值试验值变转速下功率比较（编号7～10工况）01234501000200030004000压缩机转速（rpm）压缩机功率(kW)计算值试验值图2.等转速下功率比较（编号1～6工况）图3.变转速下功率比较（编号7～10工况）可以看出，压缩机消耗功率的仿真结果与试验结果差值在5%以内，满足工程需要，可以应用于后续的系统仿真平台。（二）冷凝器模型1.建模基本思想与压缩机建模过程类似，文中未对冷凝器中制冷剂的流动换热过程进行机理性研究。涉及到的制冷剂侧换热系数及空气侧的换热系数均采用AMESim自带的关联式进行计算[3]。根据试验数据，对影响对流换热系数的参数进行了标定。2.冷凝器结构参数表2.冷凝器结构参数流道分布扁管长度mm扁管宽度mm扁管厚度mm集液管内径mm翅片间距mm翅片厚度mm翅片宽度mm翅片高度mm15+10+7+460115216.41.30.121683.模型描述及参数标定为实现出口过冷度可调，模型中增加了F型膨胀阀（见图4），将膨胀阀开度作为变量，出口过冷度作为目标值，利用AMESim的优化工具箱实现对出口过冷度的控制。1psuperheatTambTpambvx图4.冷凝器模型模型的输入量：冷凝器入口压力，1p；入口过热度，superheatT；冷凝器室干球温度，ambT；相对湿度，；进风压力，p；迎面风速，ambv；膨胀阀开度，x；模型的输出量：冷凝器出口过冷度，subcoolT；制冷剂流量，m；冷凝器散热量，Q。4.模型准确性的验证试验条件：冷凝器室干球温度35℃，相对湿度30%，冷凝压力16.2barA，入口过热度25℃，出口过冷度5℃，对比情况见表3、图5。表3.冷凝器换热能力比较试验工况编号123迎面风速m/s1.83.54.5散热量kW(计算值)7.628311.551813.2299散热量kW(试验值)7.39611.38513.064散热量差值%3.141.471.27冷凝器换热能力比较5101512345迎面风速(m/s)散热量(kW）试验值计算值图5.冷凝器换热能力比较冷凝器的仿真结果与试验结果差值在5%以内，满足工程需要，可以应用于后续的系统仿真平台。（三）热力膨胀阀及蒸发器模型1.建模基本思想对热力膨胀阀，将四象限图信息输入至AMESim模型[3]，即：(1).制冷剂饱和压力-温度曲线及充注特性曲线；(2).在参考温度下，蒸发器出口压力与阀门开度的关系曲线；(3).质量流量与阀门开度的关系曲线；(4).质量流量与蒸发器出口温度关系曲线。对蒸发器，与冷凝器方法类似，不再详述。图6.热力膨胀阀四象限图图7.热力膨胀阀及蒸发器模型2.蒸发器结构参数表4.蒸发器结构参数流道分布隔板高度mm扁管宽度mm隔板厚度mm隔板间距mm翅片间距mm翅片厚度mm翅片高度mm21+21195581111.70.183.模型准确性的验证表5.蒸发器制冷量比较蒸发器室干球温度℃35蒸发器室相对湿度%50风量m3/h500膨胀阀入口压力barA16.2膨胀阀入口过冷度℃-5蒸发器出口压力barA2.87蒸发器出口过热度℃5制冷量kW(计算值)5.557制冷量kW(试验值)5.444制冷量差值（%）2.1仿真结果与试验结果差值在5%以内，满足工程需要，可以应用于后续的系统仿真平台。三、系统仿真平台的建立（一）平台功能描述根据前文建立的零部件仿真模型，搭建了图8所示的系统仿真平台。通过输入子模型相关参数，该仿真平台具备如下功能：(1).输出各个状态点的温度、压力、流量、比焓等信息；(2).输出冷凝器的散热量，蒸发器的吸热量，压缩机功率，系统COP系数等信息；(3).根据系统压力，判定并输出高低压开关状态，为后续实车空调系统仿真提供预留接口；(4).输出系统温熵图、压焓图；(5).各部件变工况特性研究。（二）前后处理Excel接口通过前处理，利用ExcelVBA将AMESim运行所需的参数写入.gp文件，在AMESim中作为全局变量调入，AMESim运行过程中，将结果通过“dynamic_writetofile”模块写入文件，通过后处理，利用ExcelVBA将计算结果读入并进行相应曲线的绘制，仿真试验台界面见图9。图8.系统仿真模型图9.仿真程序界面（三）仿真平台运行结果表6.系统仿真结果工况编号压缩机转速(rpm)冷凝器迎面风速(m/s)蒸发器能力(kW)压缩机功率(kW)COP试验计算差值%试验计算差值%试验计算差值%110002.53.6753.741.7831.361.3520.5612.712.7662.057214003.54.4314.4750.9921.871.8431.4262.372.4282.431318004.54.8684.9722.1242.322.2931.1772.12.1683.2594240065.1945.4034.0212.892.8630.9251.81.8874.825各工况下的压焓图如下：输入参数数值输出参数数值充注量(kg)0.475仿真时间(s)300压缩机转速(rpm)1400系统高压(bar)13.24030646冷凝器进风温度(℃)35系统低压(bar)3.977067449大气压力(bar)1.01325冷凝器出口过冷度(℃)-7.455435881冷凝器进风速度(m/s)3.5压缩机吸气过热度(℃)3.675591565冷凝器进风湿度(%）30制冷剂流量(kg/h)92.06777858蒸发器进风温度(℃)35蒸发器吸热量(kW）3.740383707蒸发器进风湿度(%）35.68压缩机功率(kW)1.352236116蒸发器进风量(m3/s)0.135833333COP2.766070878汽车空调系统试仿真试验台前处理后处理工况1工况2工况3工况4图10.不同工况下的系统压焓图四、系统制冷剂充注量研究对表6中列出的四种工况，分别研究制冷剂充注量在0.15kg～0.75kg情况下系统的压力温度特性。可以看出，制冷剂充注量小于0.25kg时，冷凝器出口过冷度为0，此时储液罐内、冷凝器过冷段内均无液相存在，系统高压较低且不断上升；制冷剂充注量在0.25kg～0.4kg范围内，储液罐内无液相制冷剂存储，但通过过冷度段的冷凝作用，冷凝器出口已经具有一定的过冷度，系统高压维持上升过程；0246810121416180.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)压力(bar)系统高压(bar)系统低压(bar)-25-20-15-10-505100.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)温度(℃)冷凝器出口过冷度(℃)压缩机吸气过热度(℃)图11.工况1-系统压力与制冷剂充注量关系图12.工况1-过冷度、过热度与制冷剂充注量关系024681012141618200.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)压力(bar)系统高压(bar)系统低压(bar)-30-25-20-15-10-50510150.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)温度(℃)冷凝器出口过冷度(℃)压缩机吸气过热度(℃)图13.工况2-系统压力与制冷剂充注量关系图14.工况2-过冷度、过热度与制冷剂充注量关系024681012141618200.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)压力(bar)系统高压(bar)系统低压(bar)-30-25-20-15-10-50510150.10.20.30.40.50.60.70.8充注量(kg)温度(℃)冷凝器出口过冷度(℃)压缩机吸气过热度(℃)图15.工况3-系统压力与制冷剂充注量关系图16.工况3-过冷度、过热度与制冷剂充注量关系0246810121416