ZKAR－36工程车空调性能改进研究

王施文， 王铁军， 易广江， 金从卓， 王 正， 倪宜华

（1.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；2.合肥天鹅制冷科技有限公司，安徽合肥 230051）

0 引 言

ZKAR－36空调器为205C液压挖掘机配套，标准空调工况的设计制冷量和蒸发风量分别为3 600 W和350 m3／h，原样机性能实验的最大制冷量和蒸发风量仅为2 200 W、250 m3／h，不仅严重偏离设计指标，而且在运行过程中常出现严重结霜，导致频繁停机故障。针对上述问题，拟定在原始样机外形接口尺寸及配套压缩机型号不变的基础上，对ZKAR－36空调系统进行性能改进研究。

1 调研分析

1.1 原空调系统的基本构成

ZKAR－36空调系统采用蒸气压缩式制冷和发动机余热供热，如图1所示，制冷循环系统如图2所示，其基本构成如下。

（1）制冷压缩机为上海三电贝洱SE5H14斜盘式，排量138 cc／r，采用R134a制冷剂和300001201润滑油。制冷压缩机由挖掘机的发动机直连驱动，发动机常规工作转速800～2 200 r／min，作业时主要在大扭矩低转速下运行。

（2）冷凝器为平行流式，扁管宽度和高度分别为20 mm、3 mm，冷凝器安装在发动机的冷却水箱和空气冷却器前，由发动机的冷却风扇进行风冷。

（3）蒸发器为管带式，扁管宽度和高度分别为85 mm、5 mm。蒸发风机为超力牌ZFF－21544离心风机，对应设计静压323 Pa的风量为350 m3／h。

（4）节流装置为松鹰牌204－3外平衡式热力膨胀阀，标准制冷量1.5 t。

图1 ZKAR－36空调系统

图2 工程车空调制冷循环系统

1.2 故障调研

对工程机械制造商生产现场和挖掘机作业现场进行调研分析发现：

（1）空调器的工作条件和环境状况恶劣。具体表现为：挖掘机驾驶室空间狭窄，气流组织困难；驾驶室门窗玻璃面积较大，热密封性不好，设备热负荷较大；作业现场环境温度高、沙尘多，常工作在低洼处造成局部通风不畅；蒸发器前的过滤网易形成脏堵，且得不到规范、及时清理。

（2）ZKAR－36空调器的风道由3根Φ50 mm塑料波纹管构成，2根1.2 m短管设置在驾驶室背部出风口，1根1.9 m风道至操作仪表台右侧出风口。根据设计风量350 m3／h计算所得平均风速为16.5 m／s，最大沿程流动损失可达400 Pa［1－2］，过大的流动损失导致蒸发风机工作点向大压头小流量方向变化［3－4］，实际运行时前、后出风口流速在3～8 m／s范围，蒸发器过风量远远偏离设计值，严重影响了空调器的工作性能。

（3）平行流冷凝器安装在发动机的冷却水箱和空气冷却器前，局部风阻大、风速低，冷凝器背面的常规温度为80℃左右，辐射传热较为严重；发动机工作转速为1 200 r／min时现场测得冷凝器平均迎面风速≤2.5 m／s；在环境温度32℃的太阳直射条件下，测得冷凝器入口风温和出液管温度分别为35℃和50.7℃，制冷循环的过冷度明显偏小。

1.3 主要问题及影响因素

ZKAR－36空调原样机的3个主要问题是：制冷量严重偏离设计值；运行过程中常出现严重结霜，导致频繁停机故障；送风量小、空调效果差。综合上述调研和计算分析认为影响空调器工作性能的主要因素如下。

（1）空调器的预留风道安装空间狭小，风道由3根Φ50 mm塑料波纹管构成，总流通截面小，运行在设计流速时过大的流动损失导致蒸发风机工作点向大压头小流量方向变化，致使蒸发器的过风量偏离设计值。蒸发风量过小对制冷循环性能的影响首先表现为制冷量和蒸发温度的双双下降［5］，当蒸发温度低于0℃时，翅片表面的凝结水结霜，引起蒸发器过流风量进一步减少，蒸发温度继续下降，如此恶性循环以致蒸发压力小于低压保护值，发生停机故障［5］，其变化过程如图3所示。

（2）原样机使用的管带式蒸发器的翅片结构易造成下水不畅，同时由于风量不足，在一定程度上助长了水桥的形成，进一步阻碍空气流动，影响热交换，导致制冷量下降、蒸发温度向下滑移而结霜。标准工况性能试验和计算分析显示蒸发器的换热面积不富裕［6］。

图3 结霜故障变化过程

2 空调系统改进设计

2 .1 改进风机特性

由于配套用户不允许改变风道的结构与尺寸，因此改进风机特性，提高风机压头是必然的选择。为此，在ZFF－21544离心风机的基础上，通过改进电机性能和叶片曲线，定制的新风机的性能参数见表1所列。

表1 改进前后蒸发风机性能

2 .2 改进蒸发器和冷凝器

ZKAR－36空调系统原采用管带式蒸发器，改进后采用层叠式蒸发器。层叠式蒸发器具有传热效率高、制冷剂侧压力损失小、质量轻和结构紧凑等优点，传热系数比管带式约提高10%～15%［7－8］。在体积和安装尺寸不变的条件下，由于层叠式蒸发器更为紧凑，总换热面积和换热能力都得到相应提高。同时，对蒸发器表面作亲水防蚀处理，减少凝露水珠高度，避免形成水桥，减小风阻。

在装车尺寸允许的前提下，适当增大冷凝器的换热面积，优化流程设计［9］，将原冷凝器的流程数由5减为4，使得制冷剂的流动和换热过程趋于合理。

蒸发器和冷凝器改进前后参数，见表2所列。

表2 改进前后蒸发器和冷凝器结构参数

3 实验与分析

3.1 性能试验

实验在合肥通用机械研究院国家压缩机制冷设备质量监督检测中心的汽车空调性能实验室进行，依据文献［10］，蒸发器进风干、湿球温度分别为27℃、19.5℃，冷凝器进风干球温度为35℃，压缩机转速1 800 r／min。实验结果见表3所列。改进后空调系统制冷量约增加64%，能效比提高95%。

表3 ZKAR－36空调改进前后性能对比

3.2 装车运行试验

为了考核改进后空调系统的应用性能，对改进后的空调与工程机械制造商推荐的某空调（额定制冷量4 000 W）在相同的环境条件下进行对比试验。2009年6月23日13时，2台试验车辆（205C液压挖掘机）以相同角度置于太阳照射下，环境条件：太阳直射下空气干球温度48℃，背阴通风处干球温度36.8℃、湿球温度30℃。2台试验车辆怠速（约800 r／min）运行，蒸发风机置高速档，空调持续运行30 min时测得驾驶室内空气参数见表4所列。

表4 空调运行对比实验数据

怠速工况的装车运行及其性能对比实验数据表明，ZKAR－36改进样机的空调性能较优，可以满足工程车辆人机环境控制的需求。

4 结束语

针对ZKAR－36工程车空调制冷量严重不足、运行过程中结霜和频繁出现停机故障等问题，采取了改进蒸发风机性能、增大冷凝器面积和改用层叠式蒸发器等措施，在装机接口尺寸和压缩机型号不变的条件下，实现制冷量提高64%、能效比提高95%、送风量大幅提高，达到了预期目标。

应用试验表明，改进后的空调系统制冷性能有了显著的提高，满足了工程机械人机环境控制的需求。

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［10］ GB／T 21361－2008，汽车用空调器［S］.