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摘 要：目前国内外对于热负荷计算只是考虑到了有速度的情况下，然而关于怠速工条件下的热负荷计算都没有提及到。在怠速工况下，压缩机的转速直接关系到空调制冷效果的好坏，采用合理、科学的计算方法准确计算出怠速时整车的热负荷，从而合理选择出压缩机转速尤其重要。本文在基于有速工况条件下，提出了计算怠速工况条件下的基础传热系数计算模型。
关键词:怠速工况;传热系数;计算模型
中图分类号：TH128文献标识码： A
0.引言
随着我国经济的快速发展，汽车的使用日趋广泛，汽车空调面积数量大幅度上升。舒适的热环境,可以使车厢内的人员减轻疲劳,改善心情,从而提高工作效率和驾驶安全性。采用合理、科学的整车热负荷计算方法就成为了解决空调系统能耗的关键问题。根据汽车空调设计标准维护结构对流、辐射热负荷占总空调负荷的40%～60%，这些对流和辐射热流量以综合温度波的形式传入到车内时，由于车体材料物性参数的不同，综合温度波并不能较快的传递到车内，而是在传递过程中必然存在一定相位衰减和延时。在计算汽车热负荷中，普遍将汽车看成一种运动的物体[1],因此乘员舱热负荷计算方法都都从较成熟的建筑热负荷计算方法中衍生而来[2]，本文在基于以上考虑中，提出车体内外表面传热系数计算模型。
1.汽车空调原理
汽车空调系统采用的是蒸汽压缩式制冷循环，汽车压缩机由发动机驱动旋转。由压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸汽，通过高压软管进入汽车空调的冷凝器。由于高温、高压制冷剂蒸汽温度高于车外空气温度，因此借助冷凝器风扇使冷凝器中制冷剂的热量被车外空气带走，使高温、高压的制冷剂蒸汽冷凝成为较高温度的高压液体，通过高压软管流入干燥储液器，经过干燥和过滤后，流过膨胀阀。在膨胀阀节流作用下，制冷剂变成低温、低压的液体而进入汽车空调的蒸发器，在定压下气化并吸收蒸发器管外空气中的热量，使流经蒸发器的车内循环空气的温度将低成为冷气，通过鼓风机送入车内，降低车内的空气温度。气化后的制冷剂蒸汽，由压缩机吸入进行压缩，又变成高温、高压的制冷剂气体，通过高压软管压入汽车空调的冷凝器，从而完成了一个制冷循环。
图1.1 汽车空调制冷原理图
汽车乘员舱内的供暖、通风、制冷都是由HVAC总成提供。在制冷模式下，将由蒸发器冷却、除湿后的空气与回风口的空气进行混合，并通过蒸发器前的鼓风机吹入到车室内从而对乘员舱内起到降温除湿的作用；在供暖模式下，外界新鲜空气流经暖风芯体与发动机出来的热水进行换热，接着再与回风口进来的空气进行混合，通过暖风芯体与蒸器芯体前的鼓风机将热风吹入到乘员舱内，从而为车内提供一个舒适性的环境。然而汽车空调系统制冷量的大小又与汽车的燃油效率紧密相关，所以汽车空调统设备的的匹配问题对汽车燃油的经济性以及人体热舒适性的影响至关重要。
图1.2 汽车空调系统HVAC总成示意图
从图1.2可以看到，无论是在制冷或是供暖的条件下，外界新鲜空气先通过空调过滤器在由鼓风机吹入到蒸发器或是暖风芯体表面进行换热，图中可以看到HVAC总成中有4个风门就对应了四种空调模式，分别是除霜除雾模式、吹面模式、吹脚模式、吹身模式。
图1.3.主动送风方式图1.4.主动送风方式
外循环模式：新风门处于开启状态，从图1.3可以发现，车外空气状态点W与车内空气状态点N进行混合后空气达到状态C点，再经由蒸发器降温除湿后达到O，吸收车内余热余湿后达到状态点N。
内循环模式：新风门处于关闭状态，从图1.4可以发现，车内空气状态点N由蒸发器进行降温除湿后达到露点状态L，此时车门或是车窗由于密封不严的原因导致外界少量的新风进入到车内，这部分新风状态点为W，与露点状态点L的空气混合后达到状态点O，吸收车内余热余湿后达到状态点N。
2.车体内外表面传热系数计算模型
车体在外界环境中行驶时，其外表面对流换热系数也随着速度的变化而发生改变，不同材质的表面在相同的速度下其对流换热系数亦是不同的，为了简化处理，本文只考虑车体外表面部分由两部分组成：一部分由铁皮构成，另一部分是由玻璃构成。关于车内强制对流计算的模型已相对较为完善，因此本文着重考虑自然对流情况。
2.3.1 车体内外表面自然对流换热系数
①倾斜平板自然对流换热系数
文献[3]通过量纲分析发现倾斜表面的格拉晓夫数的无量纲表达式如下：
（2.1）
其中，为流体的密度；重力加速度；为倾斜表面的过于温度；；流体的膨胀系数；倾斜平面与水平面的夹角；倾斜平面的特征长度；流体的动力粘度。
倾斜表面自然对流换热系数的关联式为：
（2.2）
然而Fujii和Imura[4]提出熱面朝上倾斜板的自然对流准则方程式：
（2.3）
其中，临界格拉晓夫数，根据倾斜角度不同而不同；热面与竖直平面的夹角。当<时，方程中的第一项可以省略。其中定性温度。公式适用于，。其它情况忽略公式中第一项即可。由于车体倾斜表面夹角的角度为0-90°之间，因此可将自然对流换热准则方程式简化为：
（2.4）
从式子（2.3）与（2.4）对比发现倾斜表面的自然对流换热系数都可以用（2.1）类似的关联式来进行表述。
②水平板以及竖直平板自然对流换热系数
然而对于水平或者竖直平板自然对流换热与倾斜平板的自然对流换热又不同，本文自然对流换热系数采取大空间自然对流实验关联式进行计算：
（2.5）
对于格拉晓夫数Gr数，物理意义上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。其计算关联式如下：
（2.6）
其中定性温度取外界环境温度和围护结构表面温度的算术平均值来计算：
（2.7）
对于体积膨胀系数，因此采取进行计算。下表2.1为关联式中常数C和m值
表2.1 关联式中常数C和m
Tab 2.5 The relational constant C and m
因此均匀表面平均对流换热系数的计算式：
（2.8）
（2.9）
式中：B在计算车顶表面自然对流换热系数时取1.076，m取1/6；B在计算车底表面自然对流换热系数时取0.747，m取1/6。
参考文献：
[1] Douglas W.R. Simulation modeling of automobile comfort cooling requirement [J]. ASHRAE Journal, 1975, 5:53~56.
[2] Y. Ishihara, J. Hara. Determination of flow velocity distribution in a vehicle interior using a visualization and computation technique[J]. SAE International Congress and Exposition, ISSN: 0099-5908, Detroit, MI, USA, 1991:51-62.
[3] 徐峰,张鹏,李勇,孙勇. 倾斜平板自然对
流换热系数的量纲分析[J].河北建筑工程学
院学报.2008,1(26):51.
[4] Tetsu Fujii, Hideaki Imura. Nature-convectionheat transfer from a plate
with arbitrary inclination[J]. Int J heat Transfer, 1972,16:1131-1135.
关键词:怠速工况;传热系数;计算模型
中图分类号：TH128文献标识码： A
0.引言
随着我国经济的快速发展，汽车的使用日趋广泛，汽车空调面积数量大幅度上升。舒适的热环境,可以使车厢内的人员减轻疲劳,改善心情,从而提高工作效率和驾驶安全性。采用合理、科学的整车热负荷计算方法就成为了解决空调系统能耗的关键问题。根据汽车空调设计标准维护结构对流、辐射热负荷占总空调负荷的40%～60%，这些对流和辐射热流量以综合温度波的形式传入到车内时，由于车体材料物性参数的不同，综合温度波并不能较快的传递到车内，而是在传递过程中必然存在一定相位衰减和延时。在计算汽车热负荷中，普遍将汽车看成一种运动的物体[1],因此乘员舱热负荷计算方法都都从较成熟的建筑热负荷计算方法中衍生而来[2]，本文在基于以上考虑中，提出车体内外表面传热系数计算模型。
1.汽车空调原理
汽车空调系统采用的是蒸汽压缩式制冷循环，汽车压缩机由发动机驱动旋转。由压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸汽，通过高压软管进入汽车空调的冷凝器。由于高温、高压制冷剂蒸汽温度高于车外空气温度，因此借助冷凝器风扇使冷凝器中制冷剂的热量被车外空气带走，使高温、高压的制冷剂蒸汽冷凝成为较高温度的高压液体，通过高压软管流入干燥储液器，经过干燥和过滤后，流过膨胀阀。在膨胀阀节流作用下，制冷剂变成低温、低压的液体而进入汽车空调的蒸发器，在定压下气化并吸收蒸发器管外空气中的热量，使流经蒸发器的车内循环空气的温度将低成为冷气，通过鼓风机送入车内，降低车内的空气温度。气化后的制冷剂蒸汽，由压缩机吸入进行压缩，又变成高温、高压的制冷剂气体，通过高压软管压入汽车空调的冷凝器，从而完成了一个制冷循环。
图1.1 汽车空调制冷原理图
汽车乘员舱内的供暖、通风、制冷都是由HVAC总成提供。在制冷模式下，将由蒸发器冷却、除湿后的空气与回风口的空气进行混合，并通过蒸发器前的鼓风机吹入到车室内从而对乘员舱内起到降温除湿的作用；在供暖模式下，外界新鲜空气流经暖风芯体与发动机出来的热水进行换热，接着再与回风口进来的空气进行混合，通过暖风芯体与蒸器芯体前的鼓风机将热风吹入到乘员舱内，从而为车内提供一个舒适性的环境。然而汽车空调系统制冷量的大小又与汽车的燃油效率紧密相关，所以汽车空调统设备的的匹配问题对汽车燃油的经济性以及人体热舒适性的影响至关重要。
图1.2 汽车空调系统HVAC总成示意图
从图1.2可以看到，无论是在制冷或是供暖的条件下，外界新鲜空气先通过空调过滤器在由鼓风机吹入到蒸发器或是暖风芯体表面进行换热，图中可以看到HVAC总成中有4个风门就对应了四种空调模式，分别是除霜除雾模式、吹面模式、吹脚模式、吹身模式。
图1.3.主动送风方式图1.4.主动送风方式
外循环模式：新风门处于开启状态，从图1.3可以发现，车外空气状态点W与车内空气状态点N进行混合后空气达到状态C点，再经由蒸发器降温除湿后达到O，吸收车内余热余湿后达到状态点N。
内循环模式：新风门处于关闭状态，从图1.4可以发现，车内空气状态点N由蒸发器进行降温除湿后达到露点状态L，此时车门或是车窗由于密封不严的原因导致外界少量的新风进入到车内，这部分新风状态点为W，与露点状态点L的空气混合后达到状态点O，吸收车内余热余湿后达到状态点N。
2.车体内外表面传热系数计算模型
车体在外界环境中行驶时，其外表面对流换热系数也随着速度的变化而发生改变，不同材质的表面在相同的速度下其对流换热系数亦是不同的，为了简化处理，本文只考虑车体外表面部分由两部分组成：一部分由铁皮构成，另一部分是由玻璃构成。关于车内强制对流计算的模型已相对较为完善，因此本文着重考虑自然对流情况。
2.3.1 车体内外表面自然对流换热系数
①倾斜平板自然对流换热系数
文献[3]通过量纲分析发现倾斜表面的格拉晓夫数的无量纲表达式如下：
（2.1）
其中，为流体的密度；重力加速度；为倾斜表面的过于温度；；流体的膨胀系数；倾斜平面与水平面的夹角；倾斜平面的特征长度；流体的动力粘度。
倾斜表面自然对流换热系数的关联式为：
（2.2）
然而Fujii和Imura[4]提出熱面朝上倾斜板的自然对流准则方程式：
（2.3）
其中，临界格拉晓夫数，根据倾斜角度不同而不同；热面与竖直平面的夹角。当<时，方程中的第一项可以省略。其中定性温度。公式适用于，。其它情况忽略公式中第一项即可。由于车体倾斜表面夹角的角度为0-90°之间，因此可将自然对流换热准则方程式简化为：
（2.4）
从式子（2.3）与（2.4）对比发现倾斜表面的自然对流换热系数都可以用（2.1）类似的关联式来进行表述。
②水平板以及竖直平板自然对流换热系数
然而对于水平或者竖直平板自然对流换热与倾斜平板的自然对流换热又不同，本文自然对流换热系数采取大空间自然对流实验关联式进行计算：
（2.5）
对于格拉晓夫数Gr数，物理意义上，Gr数是浮升力/粘滞力比值的一种度量。其计算关联式如下：
（2.6）
其中定性温度取外界环境温度和围护结构表面温度的算术平均值来计算：
（2.7）
对于体积膨胀系数，因此采取进行计算。下表2.1为关联式中常数C和m值
表2.1 关联式中常数C和m
Tab 2.5 The relational constant C and m
因此均匀表面平均对流换热系数的计算式：
（2.8）
（2.9）
式中：B在计算车顶表面自然对流换热系数时取1.076，m取1/6；B在计算车底表面自然对流换热系数时取0.747，m取1/6。
参考文献：
[1] Douglas W.R. Simulation modeling of automobile comfort cooling requirement [J]. ASHRAE Journal, 1975, 5:53~56.
[2] Y. Ishihara, J. Hara. Determination of flow velocity distribution in a vehicle interior using a visualization and computation technique[J]. SAE International Congress and Exposition, ISSN: 0099-5908, Detroit, MI, USA, 1991:51-62.
[3] 徐峰,张鹏,李勇,孙勇. 倾斜平板自然对
流换热系数的量纲分析[J].河北建筑工程学
院学报.2008,1(26):51.
[4] Tetsu Fujii, Hideaki Imura. Nature-convectionheat transfer from a plate
with arbitrary inclination[J]. Int J heat Transfer, 1972,16:1131-1135.