淺談工程車輛空調(diào)風(fēng)道設(shè)計(jì)

王 慶，龐 洋

(江蘇創(chuàng)導(dǎo)空調(diào)有限公司技術(shù)研發(fā)部，江蘇 徐州 221004)

工程機(jī)械空調(diào)從無(wú)到有，由最初僅僅在駕駛室內(nèi)配風(fēng)扇散熱，發(fā)展到能夠制冷、制熱的直吹式空調(diào)系統(tǒng)?，F(xiàn)隨著工程機(jī)械操作人員對(duì)工作環(huán)境舒適性要求的進(jìn)一步提高，風(fēng)道式自動(dòng)控制工程機(jī)械空調(diào)應(yīng)運(yùn)而生，正逐漸地成為主流。

風(fēng)道的布置，關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的總體布局以及結(jié)構(gòu)性能，其與工程車輛的駕駛室空間、駕乘人員的舒適性等，有著尤為重要的聯(lián)系?？照{(diào)系統(tǒng)風(fēng)道在布置時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮使用者的靈活性，合理布局，不能妨礙人員的駕乘。

1 風(fēng)道結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

風(fēng)道式空調(diào)一般具有吹背，迎面，除霜，吹腳等等功能。

下面就安徽格瑞德-GME-150-15T 挖機(jī)駕駛室為例，介紹風(fēng)道結(jié)構(gòu)及功能。

（1）吹背風(fēng)道。見圖1所示。

圖1 吹背風(fēng)道

（2）前除霜與迎面風(fēng)口。見圖2所示。

圖2 前除霜與迎面風(fēng)口

風(fēng)道是空調(diào)系統(tǒng)中，連接空調(diào)器與出風(fēng)口的制冷和制熱空氣的通道，將處理過的氣流送到駕駛室內(nèi)。

風(fēng)道作為空調(diào)系統(tǒng)的一部分。不僅與車廂結(jié)構(gòu)以及空調(diào)制冷系統(tǒng)有關(guān)，還與空調(diào)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)。風(fēng)道的布置走向、占用空間以及流速等，均影響空調(diào)的制冷效果與系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和外觀。因此風(fēng)道的優(yōu)化程度，就顯得尤為重要。

2 風(fēng)道中的壓力損失

一般來說，由于受到工程車駕駛室本身的空間結(jié)構(gòu)限制，在風(fēng)道中的壓力損失問題比較嚴(yán)重。因此，在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí)，應(yīng)著重從風(fēng)道的壓力損失開始著手設(shè)計(jì)。而風(fēng)道壓力損失，是由沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分組成。

2.1 風(fēng)道沿程的壓力損失

風(fēng)道沿程的壓力損失，是空氣沿風(fēng)道管壁流動(dòng)時(shí)，由于空氣與管壁之間的摩擦，空氣分子與分子之間的摩擦而產(chǎn)生。

風(fēng)道單位長(zhǎng)度的沿程壓力損失pm（比摩阻）的計(jì)算式如下：

式中，

ΔPm為沿程壓力損失，Pa；

ΔRm為摩擦阻力，Pa；

ρ為空氣密度，kg/m3；

l為風(fēng)管長(zhǎng)度，m；

λ為摩擦阻力系數(shù)；

ν為風(fēng)道內(nèi)空氣的平均速度，m/s；

RS為風(fēng)道的水力半徑，m。

其中，

A為風(fēng)道的過流橫截面積，m2；

P為風(fēng)道的周長(zhǎng)，m。

摩擦阻力系數(shù)λ 和雷諾數(shù)Re 是管壁粗糙度n的函數(shù)。

若空氣流動(dòng)呈層流狀態(tài)時(shí)（Re＜2 300），λ 值與管壁表面粗糙度無(wú)關(guān)，只與Re 有關(guān)，即λ=64/ Re；若空氣流動(dòng)呈層流狀態(tài)時(shí)（Re＞2 300），存在3種狀態(tài)：

（1）當(dāng)層流邊界層覆蓋住管壁凸起高度時(shí)，為水力光滑管，λ 只與Re 有關(guān)。

（2）如果層流邊界很薄，管壁凸起高度完全突出在邊界外部，屬于水力粗糙管，λ 只與管壁表面粗糙度有關(guān)。

（3）當(dāng)層流邊界層只是覆蓋住管壁一部分凸起高度，而另一部分凸起高度在邊界層外部，為過渡狀態(tài)，與λ 和Re 有關(guān)，同時(shí)又與管壁粗糙度有關(guān)。

2.2 風(fēng)道局部的壓力損失

風(fēng)道局部的壓力損失，是由于空氣在風(fēng)道中的流量，流動(dòng)方向或者速度驟然發(fā)生變化時(shí)，會(huì)在風(fēng)道內(nèi)發(fā)生末渦流，從而加大流動(dòng)阻力造成能量損失。

例如流過三通、四通或者彎管、漸縮、漸擴(kuò)、風(fēng)門等部件，會(huì)產(chǎn)生局部阻力損失。

其中，

Z為局部壓力損失，Pa；

ξ為局部阻力系數(shù)；

Ρ為空氣密度，kg/m3；

ν為風(fēng)速，m/s。

由上式表明，局部阻力與其中流速的平方成正比（通過相關(guān)手冊(cè)查詢部分管路部件的阻力數(shù)值），在克服局部阻力而損失的能量，比克服摩擦阻力而損失的能量大得多，所以在設(shè)計(jì)風(fēng)道時(shí)，關(guān)鍵是如何采取措施，減少局部阻力。

3 風(fēng)道設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則

3.1 避免風(fēng)道界面突變

風(fēng)道中截面突變，產(chǎn)生過流斷面的變化，而引起流速變化形成旋渦，造成成局部阻力損失。同時(shí)過流斷面變化越大，損失也越大。所以，想要減小局部阻力損失，就必須盡量減小過流斷面的變化，可以采用漸變管來代替突變的風(fēng)道，一般漸闊管中心角≤14°，漸縮中心角≤40°，漸擴(kuò)管內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)見圖3。

圖3 漸擴(kuò)管內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)圖

3.2 風(fēng)管應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)彎

由于空氣流過彎管時(shí)，氣流會(huì)因流向突變而脫離管壁表面，使局部出現(xiàn)真空，造成能量損失并產(chǎn)生噪聲。

增大曲率半徑，可以使彎頭內(nèi)的渦流區(qū)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱。但是彎頭的曲率半徑也不宜過大，以免占用的空間過大，一般取曲率半徑R 等于彎頭直徑的1～2倍。在任何情況下，都不應(yīng)采用90°直角。彎頭內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)見圖4。

圖4 彎頭內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)圖

3.3 均布的空調(diào)風(fēng)口應(yīng)盡量考慮均勻送風(fēng)

對(duì)于均布的空調(diào)風(fēng)口，為了得到較好的氣流組織，應(yīng)盡量考慮均勻送風(fēng)，根據(jù)流量與出風(fēng)口角度比較，應(yīng)盡量增大α 角。根據(jù)

Vj/Vd≥1.73 或者△Pj/Pd≥3.0；

△α 一般取值≥60°。

流量系數(shù)μ 與孔口形狀、出流角α 及孔口出流量與分流前風(fēng)量之比，見圖5。

圖5 流量系數(shù)μ 與孔口形狀、出流角α及孔口出流量與分流前風(fēng)量之比

3.4 風(fēng)道的隔熱保溫

工程車因其熱輻射工況惡劣，對(duì)風(fēng)道要進(jìn)行隔熱保溫處理，以減少空氣在風(fēng)道輸送過程中冷熱的能量損失。并可以防止低溫風(fēng)道表面的結(jié)霜現(xiàn)象。目前風(fēng)道的結(jié)構(gòu)和用材多種多樣，但基本上可以分為硬質(zhì)和軟飾兩個(gè)大類。硬質(zhì)一般為薄鋼板或者鍍鋅薄鋼板；軟飾多為塑料板，材料有：PU、PP、ABS/PVC 等。

3.5 對(duì)風(fēng)速的控制

對(duì)風(fēng)道的風(fēng)速要進(jìn)行控制，因?yàn)轱L(fēng)道內(nèi)空氣的平均速度ν 對(duì)風(fēng)道沿程壓力損失的影響很大，在相同的風(fēng)量時(shí)，風(fēng)道風(fēng)速選得過大，雖然可以減小風(fēng)道尺寸，但是也會(huì)造成風(fēng)道內(nèi)空氣流動(dòng)的沿程阻力會(huì)以速度的平方值增加，還需要配置高壓風(fēng)機(jī)，來滿足出風(fēng)口風(fēng)速要求。

因此，通常出風(fēng)口風(fēng)速控制在：新風(fēng)口5～6 m/s；主風(fēng)道5.5～8 m/s；支風(fēng)道4～5.5 m/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

在空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)道是空調(diào)器總成上的重要功能件與裝飾件，其承擔(dān)著向各個(gè)風(fēng)口輸送冷熱空氣的功能。其設(shè)計(jì)合理與否，與整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能有著不可分割的關(guān)系，設(shè)計(jì)的優(yōu)良性，將直接影響駕駛室內(nèi)的氣流組織與空調(diào)效果，所以如何更好地優(yōu)化風(fēng)道的設(shè)計(jì)布局，就有著更為重要的作用。

[1]陳孟湘.汽車空調(diào)—原理、結(jié)構(gòu)、安裝、維修（新世紀(jì)版，第2版）[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2011.

[2]徐 雋，陳 森.沿程阻力系數(shù)的自定義函數(shù)及其應(yīng)用[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,（6）:42-44.