兩種換熱器在車(chē)用四通閥熱泵系統(tǒng)中的對(duì)比研究

嚴(yán)瑞東 王 穎 高天元 陳江平 宋 吉 高屹峰

(1 上海交通大學(xué) 上海 200240; 2 國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)上海代表處 上海 200020)

兩種換熱器在車(chē)用四通閥熱泵系統(tǒng)中的對(duì)比研究

嚴(yán)瑞東1王 穎1高天元1陳江平1宋 吉2高屹峰2

(1 上海交通大學(xué) 上海 200240; 2 國(guó)際銅業(yè)協(xié)會(huì)上海代表處 上海 200020)

PTC加熱效率較低對(duì)電動(dòng)汽車(chē)行駛里程影響較大，因此開(kāi)發(fā)效率更高的熱泵系統(tǒng)十分必要。實(shí)驗(yàn)搭建了四通閥熱泵系統(tǒng)，并將兩種不同流程排布的小管徑換熱器與微通道換熱器分別被用于室外側(cè)，在制冷、制熱模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在制熱模式低風(fēng)速下，小管徑換熱器相比微通道換熱器，能力可以高出10.5%，而COP與微通道換熱器相近；在制冷模式低風(fēng)速下，小管徑換熱器樣件能力可高出3.8%，COP可高出22.8%。但隨風(fēng)速的提高，小管徑換熱器能力和COP提升并不明顯，而微通道換熱器隨風(fēng)速提升幅度較大，由上可知，在風(fēng)速較低的怠速和城市工況中，使用小管徑換熱器作為車(chē)用熱泵的外側(cè)換熱器使用擁有一定的優(yōu)勢(shì)。

電動(dòng)汽車(chē)；能力與能效；四通閥熱泵系統(tǒng)；換熱器

傳統(tǒng)燃油汽車(chē)給交通帶來(lái)許多便利，但也帶來(lái)很多問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前有46%的石油被燃油汽車(chē)消耗，同時(shí)伴隨著排放和污染的問(wèn)題，在歐盟二氧化碳排放的統(tǒng)計(jì)中，私人汽車(chē)的貢獻(xiàn)可以達(dá)到60%[1]。由于電動(dòng)汽車(chē)環(huán)保、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已投入大量人力物力推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展。

盡管目前電池行業(yè)飛速的發(fā)展，使電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程被大幅度提升，但仍有較多的能量被浪費(fèi)，如空氣阻力造成的損失、電功轉(zhuǎn)化效率的損失等，其中空調(diào)造成的能源損失占33%[2]。區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)使用蓄電池作為動(dòng)力，沒(méi)有用來(lái)采暖的發(fā)動(dòng)機(jī)余熱，不能提供冬天用于制熱的熱量，而目前常用的PTC電加熱系統(tǒng)效率較低，因此對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程有較大的影響，需要尋求更高效、效果更好的制熱方式[3]。Meyer J等[4]把車(chē)用空調(diào)改造成使用R134a的熱泵，并測(cè)量了車(chē)內(nèi)溫升曲線，發(fā)現(xiàn)與對(duì)比數(shù)據(jù)相比熱泵系統(tǒng)在采暖性能上更優(yōu)越。

當(dāng)微通道換熱器用于電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)時(shí)存在流量分配不均勻的問(wèn)題，多流程蒸發(fā)器存在嚴(yán)重的流量分配不均勻的問(wèn)題，制熱工況下，車(chē)外換熱器流量分配不均導(dǎo)致即使在環(huán)境溫度不低的情況下，換熱器仍有嚴(yán)重的結(jié)霜，極大地降低了熱泵循環(huán)效率[5]。韋偉等[6]在電動(dòng)汽車(chē)三換熱器熱泵系統(tǒng)中，用小管徑換熱器替代傳統(tǒng)微通道換熱器作為車(chē)外換熱器使用，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由結(jié)果得出，小管徑換熱器在一定程度上可以提高熱泵系統(tǒng)的COP，并且使原微通道換熱器結(jié)霜不均、排水不暢的問(wèn)題得到改善。

王穎等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了三換熱器熱泵系統(tǒng)和四通閥熱泵系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的能力相近，但四通閥系統(tǒng)COP可提高7%～15%。X Zeng等[8]在混合動(dòng)力的乘用車(chē)上，采用熱泵系統(tǒng)與冷卻水暖風(fēng)芯體并聯(lián)的方式，對(duì)乘員艙內(nèi)進(jìn)行供暖，取得較好的效果。目前，電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)普遍存在能力不足，出風(fēng)溫度較低的問(wèn)題，當(dāng)冬季需要除霜除霧時(shí)，熱泵系統(tǒng)不能滿足實(shí)際使用。而對(duì)于三換熱器系統(tǒng)，第三個(gè)換熱器替代原HVAC內(nèi)的PTC加熱器，此時(shí)沒(méi)有可用于輔助加熱的手段實(shí)現(xiàn)除霜除霧，因此四通閥熱泵系統(tǒng)外加輔助PTC加熱器，將會(huì)是更優(yōu)的選擇。

本文設(shè)計(jì)并搭建了一種四通閥熱泵系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了5 mm小管徑換熱器替代微通道換熱器作為室外側(cè)換熱器使用，分別在制冷與制熱模式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)使用兩種換熱器時(shí)的系統(tǒng)能力與能效進(jìn)行了對(duì)比。

1 熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被安裝在由室內(nèi)、室外兩個(gè)環(huán)境室組成的實(shí)驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)。它采用兩個(gè)換熱器，其中室內(nèi)側(cè)空調(diào)總成HVAC內(nèi)使用的換熱器為微通道換熱器，室外側(cè)有外部小管徑換熱器，并使用四通閥進(jìn)行制熱、制冷模式切換。

室內(nèi)/外側(cè)兩個(gè)環(huán)境室均可通過(guò)制冷機(jī)組、電加熱器以及加濕器的PID調(diào)節(jié)，分別控制其環(huán)境溫濕度，以保持測(cè)試條件的穩(wěn)定。電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由其自身的控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，室外側(cè)換熱器的迎面風(fēng)速通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)的變頻器調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管路中安裝有五個(gè)溫度/壓力測(cè)點(diǎn)以及一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)，用以采集實(shí)驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)處制冷劑狀態(tài)信息。除此之外，實(shí)驗(yàn)中還需采集電動(dòng)壓縮機(jī)的輸入電壓及電流、環(huán)境室的干/濕球溫度以及外部換熱器的迎面風(fēng)速。傳感器類(lèi)型及測(cè)量精度如表1所示。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比了兩個(gè)不同流程的5 mm小管徑換熱器與微通道換熱器在該熱泵系統(tǒng)中作為室外側(cè)換熱器使用時(shí)的制冷、制熱能力。三個(gè)樣件參數(shù)如表2。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法

實(shí)驗(yàn)所用壓縮機(jī)為渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)，其排量為24 cm3/r并且可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自由調(diào)整，由于電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)目前還沒(méi)有行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，因此制冷模式參考車(chē)用空調(diào)國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，制熱模式參考家用熱泵空調(diào)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)如表3所示的實(shí)驗(yàn)工況。通過(guò)改變室外側(cè)換熱器的迎面風(fēng)速，模擬車(chē)速變化時(shí)對(duì)應(yīng)的車(chē)外側(cè)換熱器風(fēng)速變化。

在每個(gè)工況的實(shí)驗(yàn)中，待室內(nèi)外側(cè)環(huán)境溫濕度以及各測(cè)點(diǎn)的制冷劑狀態(tài)穩(wěn)定后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和保存，實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集各點(diǎn)的溫度和壓力來(lái)確定制冷劑側(cè)焓值，通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)定管路中的制冷劑流量，從而得到制冷劑側(cè)系統(tǒng)的制冷、制熱能力以及COP等，分別使用小管徑樣件1#和樣件2#與微通道換熱器進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其他所有部件和實(shí)驗(yàn)條件保持相同，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

各參數(shù)的計(jì)算方式如下，電動(dòng)壓縮機(jī)耗電量：

Wcomp=Icomp×Ucomp

(1)

制熱模式下，系統(tǒng)的制冷量可通過(guò)經(jīng)過(guò)室內(nèi)換熱器的制冷劑側(cè)焓差計(jì)算：

(2)

制熱模式下的系統(tǒng)運(yùn)行效率為：

COPh=Qheat/Wcomp

(3)

制冷模式下，系統(tǒng)的制冷量可通過(guò)經(jīng)過(guò)室內(nèi)換熱器的制冷劑側(cè)焓差計(jì)算：

(4)

制冷模式下的系統(tǒng)運(yùn)行效率為：

COPc=Qcool/Wcomp

(5)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 制熱模式

切換四通換向閥使系統(tǒng)處于制熱的工作狀態(tài)，各個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和迎面風(fēng)速下的制熱能力如圖2所示，對(duì)于小管徑換熱器樣件1與樣件2隨其迎面風(fēng)速的提升能力變化并不大，而微通道換熱器的隨其迎面風(fēng)速的提升能力變化較大，在低風(fēng)速下小管徑樣件1相比微通道換熱器能力高出10.5%。

各個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和迎面風(fēng)速下的能效如圖3所示，對(duì)于小管徑換熱器樣件1與樣件2隨其迎面風(fēng)速的提升COP變化不大，而微通道換熱器的隨其迎面風(fēng)速的增大，COP提升較大，這是由于風(fēng)速高，較多的提高了微通道換熱器的換熱能力，從而使COP提升更為明顯，而在低風(fēng)速下小管徑樣件1相比微通道換熱器具有相近的COP。

3.2 制冷模式

切換四通換向閥使系統(tǒng)處于制冷的工作狀態(tài)，各個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和迎面風(fēng)速下的制熱能力如圖4所示，明顯區(qū)別于制熱模式下的趨勢(shì)，在制熱模式下能力和COP較低的小管徑樣件2，在制冷模式下?lián)碛懈玫哪芰虲OP，在低風(fēng)速下，能力可以分別高出3.8%和3.5%，這是由于其流程排布更為簡(jiǎn)單，降低了制冷劑側(cè)的壓降，從而在作為制冷模式冷凝器使用時(shí)可以獲得更好的效果，同樣，隨風(fēng)速的提高，小管徑樣件1和樣件2能力提升并不明顯，而微通道換熱器隨風(fēng)速的提高能力增加幅度更大。

各個(gè)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和迎面風(fēng)速下的能效如圖5所示，在低風(fēng)速下，小管徑樣件1和樣件2在COP方面明顯高出微通道換熱器，分別高22.8%和15.2%，而隨風(fēng)速的增加，使用微通道換熱器的系統(tǒng)COP增加幅度更大，在風(fēng)速4.5 m/s時(shí)與小管徑樣件1和樣件2基本達(dá)到一致，此時(shí)對(duì)應(yīng)車(chē)速40 km/h，在高速工況下隨風(fēng)速進(jìn)一步增大，微通道換熱器的系統(tǒng)COP有進(jìn)一步提升并超過(guò)小管徑換熱器的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

兩種不同流程排布的小管徑換熱器與微通道換熱器分別被用于熱泵系統(tǒng)室外側(cè)換熱器，并在制冷、制熱模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

1)在制熱模式低風(fēng)速下，小管徑換熱器樣件1相比微通道換熱器，在能力方面更有優(yōu)勢(shì)，其能力可以高出10.5%，而在COP方面與原微通道換熱器相近。但隨風(fēng)速的增大，微通道換熱器的能力提升幅度相比小管徑換熱器更大，從而在高風(fēng)速下?lián)碛懈叩哪芰虲OP；

2)在制冷模式低風(fēng)速下，小管徑換熱器樣件1和2相比微通道換熱器，在能力和COP方面都有較大的優(yōu)勢(shì)，其能力可高出3.8%和3.5%，由于小管徑換熱器流程排布更為簡(jiǎn)單，降低了制冷劑側(cè)的壓降，從而在作為制冷模式冷凝器使用時(shí)，可獲得更好的效果，而在COP方面，小管徑樣件1和樣件2明顯高微通道換熱器，分別高22.8%和15.2%。同樣，隨風(fēng)速的提高，小管徑樣件1和樣件2能力提升并不明顯，而微通道換熱器隨風(fēng)速的提高能力增加幅度更大；

3)由汽車(chē)空調(diào)國(guó)家測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在怠速工況下，迎面風(fēng)速為2.5 m/s，城市工況下車(chē)速達(dá)到40 km/h時(shí)，迎面風(fēng)速4.5 m/s，因此在風(fēng)速較低的怠速和城市工況中，使用小管徑換熱器作為車(chē)用熱泵的外側(cè)換熱器使用擁有一定的優(yōu)勢(shì)。

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About the author

Yan Ruidong, male, master, School of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, +86 15221575412, E-mail: qq358369820@126.com. Research fields: heat pump in electrical vehicle, application of small diameter heat exchanger, heat pump system in electrical vehicle.

Experimental Study on Two Kinds of Heat Exchangers in Four-way-valve Heat Pump System of Electric Vehicles

Yan Ruidong1Wang Ying1Gao Tianyuan1Chen Jiangping1Song Ji2Gao Yifeng2

(1.Instisute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 200240, China; 2.International Copper Association Shanghai Office, Shanghai, 200020, China)

Low efficiency of PTC in electrical vehicles would cut down its travelled distance, so it’s necessary to design high efficiency heat pump system. Two kinds of heat exchangers were used as outside heat exchangers (HX) in four-way-valve heat pump system, and experimental study was finished under both heating and cooling modes. The results showed, under low face velocity in heating model, small diameter tube HX had higher capacity by 10.5%, and the same COP compared with parallel flow HX. Under low face velocity in cooling model, small diameter tube HX had higher capacity by 3.8%, and higher COP by 22.8% compared with parallel flow HX. With the increasing of wind velocity, capacity and COP with small diameter tube HX increased little; however, the one with parallel flow HX had a higher increasing. It is concluded that heat pump system used small diameter tube HX had a potential prospect under low wind velocity.

electrical vehicles; capacity and COP; four-way-valve heat pump system; heat exchanger

0253- 4339(2015) 01- 0065- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.065

2014年4月18日

TQ051.5.5； TB61+1； U463.85+1

A

嚴(yán)瑞東，男，碩士研究生，上海交通大學(xué)，制冷與低溫工程研究所，15221575412，E-mail: qq358369820@126.com。研究方向：電動(dòng)汽車(chē)熱泵，小管徑換熱器在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)的研究和優(yōu)化。