第1章客车空调概论.pptx

2022-5-31 申福林 冯还红 王建锋 李兆凯 谢旭良 主 审编 著2022-5-31客车空调概论空气调节的热力学基础客车空调系统的结构与工作原理空调负荷计算客车空调系统的布置 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章气流组织与风道设计空调客车的隔热和保温计算流体动力学在客车空调系统设计中的应用第十一章 第九章 第十章客车空调系统的选型与匹配响客车空调系统性能试验客车空调系统的隔声降噪客客 车车 空空 调调 技技 术术第一章 客车空调概论客客 车车 空空 调调 技技 术术第一节客车空调系统的任务与设计要求第二节对客车室内气候的要求第三节客车空调技术的发展 客车装用空调系统后，应能适应气候条件的变化，把车内有限空间的气候调节到最适于驾乘人员工作与生活的状态，对保证行车安全，保障乘员身体健康和提高 运输生产率都具有重要的意义。第一章 客车空调空调概论第一节客车空调系统的任务与设计要求一、客车空调系统的任务一、客车空调系统的任务 () 调节车内的温度 夏季采用制冷的方式降低车室内空气温度，冬季采用采暖的方式 提高车室内空气温度，这一功能主要靠制冷、采暖装置来实现。 () 防止风窗玻璃结雾或结霜雪 在春秋和冬季，为保证驾驶员的视野清晰确保行车安全，必须随时除去风窗玻璃的结雾或霜雪，这一功能主要由除霜(或除雾)装置来实现。 () 调节车内的气流速度和空气湿度，使其保持在人体适宜的湿度和空气流速范围 这一功能主要由通风换气和加(除)湿装置来实现。 () 空气洁净化 为保证乘员身心健康，减少因车室空间小、乘员密度大、全封闭空间造成空气容易污浊的影响，必须对车室空气进行净化处理，这一功能主要靠空气净化装置等来实现。2022-5-31第一章 客车空调空调概论二、客车空调系统的特点 与其他车辆和建筑的空调系统相比，主要有以下特点: ()车室冷热负荷大且变化幅度大。 ()车身结构特殊，隔热保温困难。 ()受动力源影响大。 ()制冷剂(冷却液)容易泄漏。 ()冷凝温度高。 ()对空调系统各总成部件的强度、抗振性要求高。 ()安装布置困难。 ()受车室空间和座椅、行李架等限制，车内气流组织和温度分布不易均匀。 ()空调系统的布置和设计必须与整车造型和内部装饰协调。2022-5-31第一章 客车空调空调概论三、对客车空调系统和车身结构的设计要求 ()应根据车辆大小、乘员人数和使用条件，合理选用空调装置，做到既满足夏季制冷和冬季采暖的使用要求，又无设备能力的浪费。 ()应根据不同车型的结构特点和使用要求，采用不同的布置型式，力求布置合理、使用 维修方便。 ()送风管道应尽可能短，且弯道少，以减少气流阻力和热损失。 ()通风换气设备的布置应保证乘员有足够的新鲜空气和合理的室内气流分布，以及适宜的空气湿度和洁净度，避免出现冷热不均和“穿堂风”。 ()除霜设备及喷口布置应保证风窗玻璃的除霜面积和除霜部位满足驾驶员安全视野 的要求。 ()车内气压应稍高于车外气压 以避免缝隙进风和灰尘侵入。 ()车身结构应采用强有力的密封隔热措施，以减少热损失，确保空调效果。2022-5-31第一节客车空调系统的任务与设计要求第二节对客车室内气候的要求第三节客车空调技术的发展第一章 客车空调概论客客 车车 空空 调调 技技 术术 第二节对客车室内气候的要求第一章 客车空调空调概论一、空气热物理状态对人体的影响 人发出的热量通过蒸发、对流或辐射的方式与周围环境进行热交换。对流和辐射靠环境温度与皮肤温度之差形成的显热传递；蒸发则为汗分蒸发和呼吸所带出的汽化潜热。 余热散不出，将积存于体内，破坏舒适条件下的热平衡，使人感到不适甚至生病，严重者会导致死 亡；环境湿度过低，人体将散热过多，同样会破坏热平衡，使人感到不舒适。 当环境容纳的热量正好等于人体散发的热量时(散发热量和环境冷却能力相当) ，就处于舒适状态，此即为人与周围环境的热力舒适条件，热感觉处于零位，环境给人不产生冷或热的感觉。 空气的热物理状态空气温度相对湿度空气流动性周围结构和物体的温度环境空气温度与人体的三种散热方式有关人体附近的空气流速与人体对流和蒸发散热密切相关围护结构表面及其他物体表面温度等影响人体热平衡、舒适 感的因素环境空气湿度主要影响人体散热的强弱与对流、辐射散热有关2022-5-31第一章 客车空调空调概论 1. 温度 美国采暖制冷空调工程师学会 (ASHRAE )的研究发现，四种环境因素对人体的冷热感觉来说并不是互不相关，而是一个影响人体热平衡和舒适感的综合气候条件。 一 个温度较高、风速也较大的气候条件可能与一个温度较低、风速也较小的气候条件给人同样的冷热感觉， 即四种因素的不同组合可以符合一个相同的冷热感觉。二、舒适的环境气候条件 “有效温度”美国采暖制冷空调工程师学会提出的代表了空气温度、相对湿度、空气流速多种组合的一个温度指标 (Effective Temperature，缩写 ET )，并给出了人体舒适条件的范 围。 近年来，该研究又提出了当量有效温度图和舒适感图。 2022-5-31第一章 客车空调空调概论二、舒适的环境气候条件 1. 温度 图1-1 中，对于tc = 28.5 , tm= 13.5 的点, 当空 气流速 w=0 时,当量有效温度值为19.8 , 如果希望在w=0.5/s 时保持当量有效温度值,设 tc 不变,通过 tc= 28.5点与曲线 w=0.5m/s 和当量有效湿度为 19.8 的 斜线的交点连一直线,该直线和湿球温度刻度线的交点 tm=15 就是所求的湿球温度值。 如果要使tm 不变，用类似方法可得干球温度 tc=29 。所以 tc=28.5 和 tm=15 ，或者 tc=29 和 tm=13.5 的空气在流速 w=0.5m/s时,具有相同当量有效温度 19.8。2022-5-31第一章 客车空调空调概论二、舒适的环境气候条件确定舒适温度的规范 条件人坐着，穿薄衣服，无强迫热对流 在正常的地面外力和海平面条件下未经热习服的人感到舒适的温度 213 夏季略有出入，热带人稍偏高，寒带人稍偏低。 湿度变化，舒适温度随之改变。 一般女性的舒适温度比男子约高 0.55 ， 40 岁以上的人比青年人约高 0.55。 舒适”的概念 有两种不同的理解： 一种是指人主观感到舒适；另一种 是医学生理学上的概念，指人体生理上的适宜度。较常用的是以人主观感到舒适作为标准的舒适温度。 客观上，湿度越大、空气流动越小，则舒适度偏 低；反之偏高。 主观上穿衣多少、劳动强度高低、热习服与否等均对舒适温度有重要影响。 我国大部分区域夏季气候炎热，人们对高温的适应性较强。 根据卫生学家的试验证实：中国人的高温适应性一般在 28 29。以此作为确定我国客车调节夏季车内空调参数的基准。 过大的温差将使人不适而影响健康，还应考虑到车型、用途和定员的差异，根据具体情况适当提高车内温度标准。2022-5-31第一章 客车空调空调概论 . 车内温度分布 人感觉舒适与否还与所处环境的温度分布有关。 试验表明： 对于客车车室这种既狭小又容纳有众多乘客的空间，在温感 中性点 (平均体表温度为33 左右时，认为是人的温感中性 区) 暖和的一 侧人体各部分的温感接近相同； 在中性点凉的一侧，人体各部位的温感差就 较大。 冬季车内的温度分布应使脚部迅速暖和起来，即形成人们所习惯的 “头凉脚热” 的温度分布。 夏天头部的温度也应比脚部低些，形成“凉风拂面” 的温度分布。二、舒适的环境气候条件2022-5-31第一章 客车空调空调概论 . 相对湿度 夏季，当人体周围的相对湿度较大时将影响蒸发散热，使人感到闷热。 卫生学的观点认为: 周围空气温度在 26.7 以下时，湿度对人体的影响不太明显，当温度在 28 以上时，空气的相对湿度对人体的影响就较为明显了(图-)。 相对湿度对人体产生影响而使人感到不舒适的极限值大约为 70。一般应在 35 65 的范围内。二、舒适的环境气候条件2022-5-31 . 空气流速 车内空气流速同样影响人体散热。 车辆行驶中室内空气的自然对流和车外空气的渗透作用在车内形成了空气运动，而通风换气设备的工作也加剧了车内空气流动。 空气流速的增大可以加速人体表面对流散热，尤其是在人体周围空气的温度和相对湿度都较高的情况下，增大空气流速会促进人体表面汗液蒸发，从而增加散热效果，使乘客产生舒适的感觉。 流速过大则会引起吹风感，造成皮肤温度状况失调，产生不舒适的感觉。 试验和经验证明： 后颈脖和踝部对吹风非常敏感，而气流对着前额吹过来常常使人感到舒服; 如果风对着 颈部和踝部吹，气流速度应小于 0.15m/s； 处于紧张工作的驾驶员能承受 0.5m/s的气流，气流速度为 0.2m/s时有的乘客就 会感到不舒适； 空气流速过小，则会使人产生闷气 感。 车内空气流速和温度的关系参见图 -。第一章 客车空调空调概论二、舒适的环境气候条件2022-5-31 . 空气洁净度 车室空间狭小，乘员密度大，全封闭空间极易出现缺氧和 CO2浓度过高；发动机尾气和道路上的粉尘、有刺激性的花粉等也容易进入车内，当增加到一定浓度后 就会影响人体健康。乘客吸烟、携带食品和新陈代谢过程中散发的 其他气味等。将使空气品质更加恶化。 据测定，每个乘客呼出的 CO2为 20 23/h，外界 空气中的 CO2含量为 0.3 0.5/m3 (城市为上限)，必须不断更换车内空气，使之保持一定程度的新鲜，并采用空气净化设备对吸入 的外界空气进行净化处理。 . 车身内表面温度 夏季，由于辐射的影响，靠近壁面的乘客会感到不舒服，辐射热的强弱主要由车身隔热壁的结构和厚度所决定。 温度、相对湿度、流速、洁净度等空气参数是影响乘客舒适性的重要因素。 确定客车 空气调节的车内参数时应对这些因素进行综合分析、研究。 当量有效温度(即实感温度)就是考虑了前三种因素对人体作用的综合效果。 例如，当车外空气温度很高时，可适当提高车内的温度标准并用加大空气流速或降低湿度的办法得到同样的舒适效果。第一章 客车空调空调概论二、舒适的环境气候条件第一章 客车空调空调概论三、对客车室内气候的要求 . 夏季 车内温度范围: 24 28，其中豪华型客车偏低，普通型客车偏高。 车内外温差： 5 7。也可按下式计算:式中: tB 车内温度， ，距地板 1 高处测量； tH 车外温度,。 综合考虑各方面因素，推荐我国客车空调系统车内计算参数见表 1-1，供设计时参考。2022-5-31第一章 客车空调空调概论三、对客车室内气候的要求 . 冬季 长途、旅游客车的车内温度：保持在 16 18为 宜； 城市公交客车：由于上下车频繁，车内温度应保持在 10 以上； 车内各部分温差： ； 头部应比车内平均温度：低 2 3 ； 腿以下部分应比车内平均温度：高2 3 ； 相对湿度、空气流速、新鲜空气量和 CO、CO及粉尘含量在表 1-1 推荐的范围。 采暖设备应尽可能采用外气式或内外空气并用式。2022-5-31第一章 客车空调空调概论第一章 客车空调概论第三节客车空调技术的发展第一节客车空调系统的任务与设计要求第二节对客车室内气候的要求2022-5-31第一章 客车空调空调概论 空调技术在客车上的应用滞后于轿车，轿车采用空调则比汽车诞生晚了近 40 年。 目前，汽车空调技术已十分成熟，完全能够满足用户对车内气候环境的要求。一、汽车空调技术的发展历程 1. 世界汽车空调技术发展历程 世界汽车空调技术的发展历程，大致可以概括为五个阶段：单一供暖阶段单一制冷阶段冷暖一体化阶 段自动控制阶段微机控制阶段 国际上生产车用空调装置的专业厂家不仅规模较大，而且品种齐全， 完全可以满足各类车辆的需要。2022-5-31第一章 客车空调空调概论一、汽车空调技术的发展历程 2. 我国汽车空调技术发展历程 我国汽车空调技术的发展大致经历了三个阶段： 国内汽车空调制造企业纷纷自行研发或引进国外先进的压缩机、冷凝器、蒸发器生产技术和生产线，以满足国产客车、载货汽车和各种专用车对空调装置的需求。 20世纪60年代初70 年代末 主要是利用汽车发动机排出的废气或冷却循环水产生的热量来给车内供暖。 20世纪80年代初 90 年代初 先后引进国外汽车制冷设备、配套总成和生产技术，批量生产生产大、中、轻型客车和轿车、载货汽车及工程车、特种车辆空调。20 世纪90年代 中期 现在 目前，我国的汽车空调技术已接近世界先进水平。2022-5-31第一章 客车空调空调概论二、客车空调技术的最新发展 1. 全自动空调系统 (1) 将各种空调装置集成一体化控制,驾驶员只需设定控制条件,系统会自动启动一种或两种以上空调装置工作，给乘员提供精确温控的乘坐舒适环境。 (2) 具备前风窗玻璃和侧窗玻璃除霜及除雾功能。自动除去前风窗玻璃和侧窗玻璃霜雾，提高行驶安全性和乘客任观光性。 (3) 具备采暖装置定时预热、启动功能，大大提高了整车舒适性。 (4) 控制面板占用空间小，显示屏自动显示各种故障，无须人工查找。车载终端通过远程服务器接收并发出相关控制指令，实现空远程控制和故障诊断。 2. 低温热泵电动空调 利用制冷剂循环回路改变制冷剂的循环方向而选择性地执行制冷、采暖、 通风和除湿等功能 电动压缩机驱动制冷剂作不同的循环，实现各自不同的功能。 低温热泵电动空调的关键： 开发低温热泵电动压缩机，解决低温工况下压缩机的回油问题； 系统的可靠性设计和控制策略。2022-5-31 . 节能技术 降低空调系统能耗。节能途径如下: () 采用高效率的压缩机和热交换器； () 改善系统操作； () 精确温控技术； () 提高燃烧效率； () 有效利用车外的低温空气和车内空气； () 充分利用发动机余热； () 减少空调工作时间。 第一章 客车空调空调概论二、客车空调技术的最新发展 . 小型、轻量化 ()采用高效、紧凑的热交换器； ()开发小型高效压缩机； ()系统结构的合理化设计； ()采用新型轻质材料。 据统计，减少客车燃油消耗各种措施的节油比例大约是: 减轻整备质量占 50 ； 提高发 动机效率占 20 ； 减少行驶阻力占 30 。 试验表明：整备质量减少 10 ，燃油消耗可以减少 。 2022-5-31第一章 客车空调空调概论三、空调系统的主要零部件 发展方向：小型、轻量化、高效、抗腐蚀和长寿命。 . 换热器 采用铝合金材质的平行流换热器 具有质量轻、成本低、高效紧凑的优点，是客车空调管片式换热器(蒸发器和冷凝器)理想的换代产品。 强化了换热器的 抗腐蚀性能； 可同时采用国际先进智能连续式气体保护钎焊工艺，无材质及加工原因产生的内 应力影响，工艺性能更加可靠。 试验表明： 采用平行流冷凝器的单位体积换热能力传热效率提高 30 50 ， 质量减轻 20 30 ； 制冷剂充注量仅为传统管片式的60 80； 空调系统能效比 COP为 2.4 3.0(管片式的COP 一般为 1.95 2.7 。2022-5-31第一章 客车空调空调概论 . 压缩机 采用多缸、铝质缸体，取消活塞环和改进润滑方式等技术以减小质量和体积已成为压缩机的发展趋势。 多种动力源驱动集成为一体的往复式压缩机的出现，则代表了一种发展方向。以双动力压缩机为例，这种压缩机可直接由发动机通过皮带驱动电磁离合器带动压缩机，也可直接通过电动机驱动压缩机。 旋转式压缩机近年有较大发展，其不但质量轻、体积小，而且功率损失和燃料消耗都有所降低。 特别是涡旋式压缩机，改善了旋转式压缩机低速效率低的缺点，做到了在常用转速范围内效率高、功率损失小、油耗低，在所有转速范围内振动小、噪声低，广泛应用在电动空调领域。 发展趋势是与变频器结合在一起，组成全直流变频压缩机，防护等级达到 IP67 。三、空调系统的主要零部件2022-5-31第一章 客车空调空调概论三、空调系统的主要零部件 . 独立式采暖装置 随着客车能源结构的变化，独立式采暖装置已由单一的燃油燃烧式发展为燃气燃烧式加热器、PTC 电加热器、电液体式加热器和油电混合液体式等多种型式. 电液体式加热器采用电热管加热，总换热效率达到 98，制热量 20，电压AC 400 或 DC600V， 耗电量 34(在 DC600 条件下)。 油电混合液体式加热器与电液体式加热器的不同之处在于多了一套燃油燃烧式装置，制热量为 16，油耗 1.5kg / .2022-5-31第一章 客车空调空调概论四、客车空调技术的发展动向 . 提高舒适性 研制湿度传感器以检测风窗玻璃霜(雾)和车内湿度情况，控制加湿或除湿。 根据人机工程学要求，将车室划分为若干调温区，以便独立控制其温度，更好地满足人 体生理要求。 如将驾驶区、乘客区和铰接客车前后车室单独温控，采用菲涅尔透镜的人体红外传感器，用于感应车内乘客的分布及人数实现自动温度分区控制等。 寻找合理的气流分布和空气进出口位置，使乘客获得更多的外界新风并除去车内异味。 净化空气和驱除各种气味的关键，是研制各种污染物探测传感器和可长期使用的净化介质，进一步降低压缩机、风机、辅助发动机的振动和噪声。 其中，重点关注的是压缩机、风机的选型和布置、风量控制，以及低振动、低噪声的辅助发动机选型。2022-5-31第一章 客车空调空调概论 . 改善操纵性 将空调系统各组件由单独的控制器更改为具有集制冷、采暖、除霜、湿度调节等功能于一体的全自动控制器，或取消控制器直接集成到车载终端，通过远程服务器接收并发出相关控制指令，从而实现空调系统的远程控制和故障诊断。 . 提高经济性和环保性 经济性的标志是节约燃料和由此而收回的投资。 据统计，目前汽车空调的燃料消耗量约占总能耗的 8 12。 因此，为提高燃料经济性，各种有效节能途径都将得到采用。 提高经济性和环保性的具体做法: 采用质量轻、易加工、无污染、可再生利用的环保材料，对甲醛、总挥发性有机化合物 ( TVOC )、苯、甲苯、二甲苯、气味等进行源头控制，装备空气净化装置。四、客车空调技术的发展动向2022-5-31第一章 客车空调空调概论 . 轻量化 轻量化始终是汽车设计追求的目标，主要体现在新材料和新技术的应用上。 做法： 将大型客车采用的非独立顶置型制冷装置的外壳由玻璃钢改为铝合金结构； 热交换器由管片式改 为全铝合金平行流结构； 高低压管路由铜管更换为铝合金管； 蒸发器和冷凝器的布置由前后 布置改为并行布置； 压缩机由活塞式改为斜盘式等。 采用以上技术可使客车整备质量降低约 80kg。四、客车空调技术的发展动向2022-5-31第一章 客车空调空调概论四、客车空调技术的发展动向 . 研制新型制冷剂 由于HFC-134a 会导致温室效应 (全球变暖潜能值 GWP 高达1430） ，根据欧盟2006/40/EC 法规，M1类客车从 2017年1 月1 日禁止使用 HFC-134a，只允许使用 GWP150 的新型替代制冷剂，如 HFO-1234yf 和 R744 (CO2)。 美国环保部 ( EPA ) 则要求在 2021 年实施新型替代制冷剂。 加利福尼亚汽车排放法规的建议修正案明确提出，从2017 年开始，所有轿车、轻 型货车和中型客车安装的汽车空调所采用的制冷剂 GWP150 。 (1) HFO-1234yf HFO-1234yf 和 HFC-134a 的热物理性质相似，可直接在现有系统使用。但是制冷量和能效比 COP 均下降 ，需要加大压缩机排量 8 或增大传动比以弥补制冷量损失。电动热泵空调制热性能不会高于 HFC-134a，只适合 - 以上的环境。 HFO-1234yf 的分子中不含氯原子，消耗臭氧潜能值 ODP 为 ，GWP 为 ，在大气中的寿命只有 11天，且大气分解产物与 HFC-134a 相同，因此对气候环境的影响几乎可以忽略。 HFO-1234yf 属于具有弱可燃性的制冷剂，其燃烧生成物包含氟化氢，为剧毒物质，在气体状态会对皮肤、呼吸道和眼睛产生损伤，需要对车上高温部件予以妥善保护。 2022-5-31第一章 客车空调空调概论四、客车空调技术的发展动向 . 研制新型制冷剂 (2) R744 ( CO2 ) R744 ( CO2 )制冷剂是一种将来也极有可能采用的替代制冷剂。 其为工业副产品，GWP 为 ，且价格低廉，尤其是在电动热泵空调领域，制热性能在车外 环境中，室内 20 时空调的能效比 COP 仍能达到 ，这对于解决电动车辆在高寒地区采暖问题的优势非常明显。 需要注意的是在大于 以上的环境，简单的蒸气压缩制冷循环的 COP 值低于HFC-134a 系统。 R744 ( CO2 ) 和 HFC-134a 热物理性质差异巨大，制冷系统系统压力大，属于跨临界循环，整个系统需要重新开发。 目前，美国杜邦与霍尼韦尔公司联合开发的 HFO-1234yf 将是近期可能替代的新一代环保型制冷剂。 客车空调技术发展的很多问题都涉及基础理论。有人提出以生物化学为中心，把 人机工程学中提出的各种要求和电子控制技术结合起来，使客车空调技术的研究不仅限于机械和电子方向，而必须开拓到新的领域中去。