摘要
臭氧层破坏与温室效应加剧形势日益严峻，近年来众多国家签订了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》修正案，2024 年我国开始减少使用氢氟烃类制冷剂。CO2作为一种纯天然工质因其成本低廉、热力性质良好等特性引起制冷界广泛关注，近期汽车及家用空调领域不断推出 CO2工质产品，而城轨列车空调系统中的CO2工质应用研究甚少。因此，进行城轨列车CO2空调系统设计与性能数值计算研究，可有效指导城轨列车空调工质替代工作，对工程设计开发具有重要意义。 本文以城轨列车 CO2空调系统为研究对象，基于稳态传热原理建立列车热平衡模型，计算空调机组冷热负荷；其次对系统进行热力计算从而对部件展开选型与设计研究；而后遵循能量守恒原理建立气冷器空气侧换热数值仿真模型，并分析结构参数对评价指标的影响规律，利用多目标优化方法得到最优结构参数组合；最后建立 CO2空调系统模型，分析系统在特定工况下的性能结果及多种参量对性能指标的影响规律。 (1) 设计一种多因素复合效应下城轨列车空调系统负荷计算方法。根据列车运行地域重新选定气象环境参数，结合列车载客量、车身面积与车体材料等众多因素对城轨列车空调系统负荷进行计算，得到更为确切的列车空调系统负荷设计容量。 (2) 确定设计工况并进行系统热力计算与部件选型匹配，确定压缩机与节流机构的型号参数，对使用CO2工质的气冷器与蒸发器重新进行结构设计与强度校核；编写车辆空调系统参数计算与选型软件用于快速计算不同工质与车型空调系统冷热负荷、部件参数与循环参数。 (3) 基于能量守恒原理建立翅片管气冷器空气侧换热数值仿真模型，探究翅片结构参数对换热性能与阻力性能的影响规律；运用多目标优化方法以努塞尔数最大与阻力因子最小为优化目标得到最优结构参数组合；结合温度与压力云图分析CO2气冷器空气侧换热性能与阻力性能优化前后变化的原因。 (4) 基于CO2空调系统工作原理与部件进出口参量传递关系，建立压缩机、气冷器、膨胀阀与蒸发器的数学模型，结合部件耦合关系，借助仿真软件建立空调系统数值仿真模型，研究系统在铁路国标工况下的性能结果与多种参量对性能指标的影响规律。
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