電動汽車空調(diào)熱泵型渦旋壓縮機結(jié)構(gòu)分析

唐景春 左承基

(合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院 合肥 230009)

電動汽車已發(fā)展為重要的道路交通工具之一，其空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機動力源以及冬季采暖方式與普通內(nèi)燃機汽車相比，有著本質(zhì)的區(qū)別。對于現(xiàn)有的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，使用普通型電動壓縮機也有其局限性:制冷系統(tǒng)僅在夏季運行以滿足車室內(nèi)空氣降溫的要求，而冬季主要采用PTC加熱模式來滿足采暖要求，其制熱效率相對較低，對車載蓄電池的電能消耗較大，嚴重縮短了電動汽車的續(xù)行里程，制約了電動汽車推廣和普及。而目前熱泵型空調(diào)壓縮機主要應(yīng)用于家用及商用空調(diào)裝置，其外形尺寸較大，整機重量較重，很難適用于電動汽車空調(diào)系統(tǒng)。同時，汽車空調(diào)的工作環(huán)境有其特殊性:承受頻繁的震動和沖擊，空調(diào)的熱負荷大，壓縮機的安裝結(jié)構(gòu)空間有限。因此，急需開發(fā)一種新型的冷暖兩用式(熱泵型)電動汽車空調(diào)壓縮機，并且要求開發(fā)的熱泵型電動汽車空調(diào)壓縮機具有結(jié)構(gòu)緊湊、小型輕量化、制冷和制熱性能良好等優(yōu)點［1－5］。

以電動汽車空調(diào)熱泵型渦旋壓縮機為研究對象，針對冬季空調(diào)工況下壓縮機單級壓比增大的運行特性，優(yōu)化壓縮機的靜渦旋盤結(jié)構(gòu)使其具備準雙級壓縮功能，并通過空氣焓差實驗法對樣機的制熱和制冷性能進行驗證，以期提高壓縮機的排氣量，并降低壓縮機的排氣溫度，從而提升汽車空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱能力。

1 渦旋壓縮機中間補氣壓力的確定

對于熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，夏季制冷循環(huán)時，車室內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器，通過吸熱降低車室內(nèi)空氣溫度至24～27℃;冬季制熱循環(huán)時，車室內(nèi)換熱器為冷凝器，通過放熱提高車室內(nèi)空氣溫度至18～20℃，從而滿足車內(nèi)人員的舒適性要求。熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理Fig．1 The working principle of heat pump type air conditioning system for electric automobile

根據(jù)熱力學(xué)過程方程可知，壓縮機排氣溫度Td(K)與吸氣溫度Ts(K)的關(guān)系為:

式中:mt為溫度多方指數(shù);ps、pd分別為壓縮機的吸氣壓力和排氣壓力，MPa。

相對于制冷循環(huán)，制熱循環(huán)時壓縮機的吸氣壓力變低，因此壓比pd/ps將提高，由式(1)可知，壓縮機的排氣溫度也升高，這會導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑分解、密封及絕緣材料老化、潤滑油結(jié)碳，嚴重時還會使節(jié)流閥和干燥過濾器發(fā)生堵塞。所以，為了降低壓縮機的排氣溫度Td，增加熱泵循環(huán)時系統(tǒng)中制冷劑的質(zhì)量流量，需要在系統(tǒng)的組成元件中引入閃蒸器的同時，相應(yīng)地改變渦旋壓縮機內(nèi)部的靜渦旋盤零件結(jié)構(gòu)，使壓縮機的單級壓縮過程轉(zhuǎn)換為準雙級壓縮過程，即將pd/ps分解為pm/ps和pd/pm兩個壓縮階段，并利用從閃蒸器過來的中溫中壓(Tm，pm)制冷劑氣體冷卻低壓級壓縮機的排氣。此時，制熱循環(huán)時制冷劑的熱力過程及與其對應(yīng)的壓－焓圖如圖2所示。

圖2制熱循環(huán)熱力過程及其壓－焓圖Fig．2 The thermodynamic process of heat pump cycle and its pressure-enthalpy diagram

汽車空調(diào)系統(tǒng)冬季循環(huán)的制熱性能系數(shù)如式(2)所示。

式中:hi為熱力循環(huán)狀態(tài)點i的比焓，kJ/kg;Gg、Gd分別為高壓級和低壓級制冷劑的流量，kg/s;x為制冷劑經(jīng)過輔助節(jié)流閥節(jié)流后的干度;Cl為與冷凝溫度tk相對應(yīng)的制冷劑液體比熱容，kJ/(kg·℃);rm為與中間溫度tm相對應(yīng)的制冷劑汽化潛熱，kJ/kg。

由式(2)、(3)可知，最高的COPhmax對應(yīng)著最佳的中間溫度tmopt，即存在著最佳中間壓力pmopt。本文采用的優(yōu)化方法為:1)根據(jù)熱泵循環(huán)設(shè)計工況給定的冷凝壓力 pk和蒸發(fā)壓力 po值，按公式 pm=(pkpo)0.5求取一個中間壓力初值，并利用制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)表查出它對應(yīng)的中間溫度初值;2)在中間溫度初值的上下按2℃的間隔選取5～6個中間溫度值;3)進行5～6次熱力計算，并將計算結(jié)果繪制成COPh-tm曲線圖，圖中曲線的頂點所對應(yīng)的中間溫度即為最佳中間溫度tmopt，與之相對應(yīng)的壓力即為最佳中間壓力pmopt。

2 壓縮機中間補氣口結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)渦旋壓縮機的熱力學(xué)過程方程和渦旋型線幾何學(xué)可得中間壓縮腔的內(nèi)容積比Vi2及中間補氣口所處的位置展角 Фm，如公式(4)、(5)所示［6］。聯(lián)立式(4)、(5)，將最佳中間壓力pmopt代入，即可求出中間補氣口所處位置展角的最佳值Фmopt。

式中:N為渦旋壓縮機壓縮腔對數(shù);α為渦旋型線起始展角，r/min;θm為渦旋壓縮機中間壓縮腔所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，r/min。

為了避免渦旋壓縮機中間腔補氣回流至吸氣腔現(xiàn)象的發(fā)生，要求在壓縮機運行過程中，當靜渦旋盤中間補氣口位于吸氣腔的瞬間，其必須能被動渦旋盤的渦旋齒頂部覆蓋［7－8］。所以，中間補氣口的半徑r及其圓心距離最近渦旋壁的垂直距離d必須滿足條件式(6)。

式(6)中:rb為渦旋壁漸開線的基圓半徑，mm。

同時，為了降低補氣過程中制冷劑氣體的流動阻力損失和噪聲，應(yīng)盡量擴大中間補氣口的流通截面，本文研制的靜渦旋盤中間補氣口由兩個半圓弧和一個矩形所組成，其具體結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3熱泵型渦旋壓縮機靜盤的結(jié)構(gòu)Fig．3 The structure of heat pump type static scroll

3 制熱和制冷性能實驗

本文研制的熱泵型電動渦旋壓縮機的幾何排量為28 mL，轉(zhuǎn)速為6000 r/min，汽車空調(diào)系統(tǒng)使用的制冷劑為R134a，壓縮機的驅(qū)動電源為DC336V。將開發(fā)的熱泵型電動渦旋壓縮機安裝于5人座轎車空調(diào)系統(tǒng)，利用空氣焓差法對汽車空調(diào)系統(tǒng)進行制熱、制冷性能實驗，實驗結(jié)果分別如表1和表2所示［9－11］。

根據(jù)表1和表2中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，被測電動渦旋壓縮機所提供的2.734 kW制熱量和4.187 kW制冷量，可以滿足小型汽車空調(diào)系統(tǒng)的冬季熱負荷及夏季冷負荷要求。由于冬季空調(diào)的工況條件比夏季空調(diào)制冷循環(huán)的工況條件惡劣，熱泵循環(huán)時蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑的蒸發(fā)溫度更低，壓縮機在相同的轉(zhuǎn)速條件下，其內(nèi)部制冷劑的體積流量雖然不變，但是隨著吸氣比容的變大，制冷劑的質(zhì)量流量將會減少，從而導(dǎo)致了熱泵循環(huán)的制熱量低于制冷循環(huán)的制冷量。

表1 制熱循環(huán)實驗Tab．1 Heat pump cycle experiment

表2制冷循環(huán)實驗Tab．2 Refrigerating cycle experiment

對照GB21360—2008(汽車空調(diào)用制冷壓縮機)中的測試結(jié)果要求，從表1、表2中的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)還可以看出，電動渦旋壓縮機的靜渦旋盤結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，具有較高的制熱和制冷性能系數(shù)，從而達到了產(chǎn)品節(jié)能的目的。

4 結(jié)論

為了滿足電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的冬季制熱要求，對渦旋壓縮機的靜渦旋盤結(jié)構(gòu)進行了改型設(shè)計，使壓縮機對制冷劑氣體的壓縮熱力過程由單級壓縮演變?yōu)闇孰p級壓縮。理論和實驗研究結(jié)果表明:

1)在冬季汽車空調(diào)系統(tǒng)的熱泵循環(huán)名義工況下，以壓縮機的制熱性能系數(shù)為熱力學(xué)優(yōu)化目標函數(shù)，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中存在著一個最佳補氣壓力。與此相對應(yīng)，渦旋壓縮機靜渦旋盤上的中間補氣口有一個最佳幾何位置。

2)靜渦旋盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的熱泵型電動渦旋壓縮機，其空調(diào)系統(tǒng)的制熱和制冷能力，可以滿足5人座電動汽車司乘人員的冬季和夏季舒適性要求。

3)采用中間補氣的熱泵型電動渦旋壓縮機，降低了壓縮機的排氣溫度，增加了熱泵循環(huán)時汽車空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑的質(zhì)量流量，從而提升了汽車空調(diào)系統(tǒng)熱泵循環(huán)和制冷循環(huán)的熱經(jīng)濟性，實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

本文受江蘇省動力機械清潔能源與應(yīng)用重點實驗室開放基金 (QK09001)項目資助。(The project was supported by open fund of the Jiangsu province key laboratory of power mechanical to clean energy and application(No．QK09001)．)

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