同軸管對于空調系統性能改善的研究

謝軍 林明松 陳一帆

【摘 要】文章提出一種使用同軸管改善空調制冷性能的方法，通過理論分析同軸管的可行性，并通過系統試驗和實車測試驗證了其改善效果，與普通空調系統相比，使用同軸管的空調系統，制冷量提升約10%，COP值提升約8%。

【關鍵詞】汽車;空調;同軸管

【中圖分類號】TB657.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）10-0069-02

0 引言

在當前環境問題日趨嚴重的壓力下，我國對節能減排的要求不斷提高，對汽車排放限制標準的制定也越來越嚴格。汽車行業面臨的節能減排壓力不斷增大，因此各汽車生產廠商推出了很多提高燃油利用效率、降低排放標準的技術和措施。在汽車的使用過程中，絕大部分時間都會使用車用空調系統，據了解，汽車空調的功率約占發動機功率的20%，特別是在純電動汽車中，空調能耗占比更大，對車輛的續航里程影響較大。因此，提高車用空調系統的工作效率，降低能耗，對于汽車的節能減排具有重要作用。

目前，通過提高車用空調的效率實現節能減排的主要途徑有以下幾種：改善空調零部件的效能、使用綠色制冷劑、優化空調系統結構。從2016年起，各國已經開始使用新的制冷劑替代當前廣泛使用的R134a。其中，HFO1234yf的環保性能好，但存在制冷性能和效率下降的問題，為了提升HFO1234yf在汽車空調系統中的使用性能，各大汽車廠商開發了同軸管系統。本文主要從提高空調系統效率的角度，分析和研究使用同軸管對車用空調系統的性能改善效果。

1 同軸管系統結構原理

同軸管汽車空調系統的組成如圖1所示，系統由壓縮機、冷凝器、同軸管、膨脹閥、蒸發器組成，空調制冷原理與常規汽車空調相同，主要區別在于將高、低壓管路集合在一根同軸的管路中，高壓部分的制冷劑在外層流動，低壓制冷劑通過內層流動。通過使用同軸管，低壓管與高壓管之間相互傳熱，利用低壓管的低溫對高壓管的過冷冷媒進一步冷卻，同時降低發動機艙熱量對低壓管路的影響，能夠有效改善空調系統的性能。車用空調的管路布置在發動機艙，發動機艙常處于高溫狀態會嚴重影響高壓管路的散熱，導致汽車空調的效率下降。

2 空調系統使用同軸管的能量分析

空調制冷管道分為高壓和低壓管道。在空調工作的過程中，高壓管道急需散熱，以提高膨脹過程的制冷效率，低壓管道溫度低，適度提高其溫度有利于提高冷卻液蒸氣的過熱度，保證進入壓縮機內的冷卻液全部為氣體狀態，有利于提高壓縮機的工作效率和工作穩定性。

通常情況下，冷凝器出口冷媒的溫度能接近環境溫度（約50 ℃），發動機艙的溫度常常高達80 ℃以上，這種高溫環境會降低冷媒的過冷度。而空調系統低壓管則處于低溫狀態，在10 ℃以下，發動機艙的高溫同樣也會使低壓管溫度上升，降低壓縮機的工作效率。將高壓管套在低壓管外，能夠有效防止發動機艙高溫環境對低壓管的影響，同時也能利用低壓管的低溫對高壓管中的過冷冷媒進一步降溫。

根據空調系統的壓-焓圖，采用同軸管的空調系統，相對于采用普通管的空調系統主要具有以下兩個優勢。

（1）在蒸發器入口處，同軸管利用蒸發器出口低溫的制冷劑給冷凝器出口的高溫制冷劑進一步降溫，提升了蒸發器入口的過冷度，有效提高了蒸發器的性能，但是過熱度過高也會降低壓縮機的效率。

（2）在蒸發器出口處，同軸管利用蒸發器入口（冷凝器出口）的制冷劑過熱度，有效防止了壓縮機的液擊。

綜合分析，當Δq/Q>Δw/W時，COP=（Q+Δq）/（W+Δw）>1。Q為制冷量，Δq為使用同軸管系統增加的制冷量，W為系統功耗，Δw為使用同軸管后增加的功耗，COP為制冷系數。因此，使用同軸管能夠提高系統COP。

3 同軸管空調系統臺架試驗

將同軸管與普通管路安裝到空調臺架上進行對比試驗，實驗設置環境溫度為38 ℃、相對濕度為50%、冷凝器風量為2 000 m3/h、蒸發器風量為500 m3/h;通過控制壓縮機分別設置轉速為900 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min，測試在不同的壓縮機轉速和不同的進風溫度下，空調系統在使用同軸管和普通管路時的制冷性能與COP性能。測試結果如下。

（1）在使用同軸管的系統中，空調系統的制冷性能更好，在壓縮機低轉速時效果更明顯，約提升10%的制冷量。

（2）系統COP也有明顯提升，在壓縮機低速工況時提升更明顯，約提升8%。

4 同軸管系統實車測試

在某款已上市的車型上使用同軸管和普通管路，分別進行整車制冷性能驗證。

試驗設備：整車試驗環模艙。試驗步驟如下：①將整車放入環境模擬艙，將輻照開到1 000 w/m2，同時環境艙溫度提升至40 ℃;②待車內溫度升高至穩定，繼續浸泡1 h;③試驗人員進入車輛，啟動車輛，將車速穩定在40 km/h;④開啟空調，內循環，風量調至最大，溫度調至最低，吹面模式，采集車輛降溫過程中頭部溫度和出風口溫度;⑤試驗完成后，將車輛退出環境艙，更換同軸管，加注車輛上標注的制冷劑及質量;⑥重復試驗1～4步驟。

試驗完成后，對比兩次試驗數據，對比結果如圖2所示。

從圖2中的數據可以看出，在相同的汽車空調系統中，30 min的制冷時間內，帶有同軸管的空調系統比不帶同軸管的空調系統，頭部溫度低0.8 ℃，從長期的使用來看，帶同軸管的空調系統的制冷性能將有明顯優勢。結合空調系統COP的測算，在綜合工況下，用戶使用帶同軸管的空調系統將節油0.12 L/100 km。

5 結語

通過介紹空調系統原理及同軸管的結構，從理論上分析同軸管提高車用空調性能的可行性，并通過臺架試驗對比同軸管與普通空調管路發現，使用同軸管可以提高空調系統10%的制冷量，提升8%的COP值。通過實車試驗驗證，帶有同軸管的空調系統比不帶同軸管的空調系統的頭部溫度降低0.8 ℃。在行業對汽車及空調系統節能環保要求日趨嚴格的形勢下，隨著同軸管結構及性能的進一步優化，使用同軸管系統是車用空調的發展趨勢。

參 考 文 獻

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