熱泵空調(diào)室外換熱器結(jié)霜研究

席林 吳濤

摘? 要：電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)在冬季低溫高濕的環(huán)境下，運(yùn)行時(shí)換熱器會(huì)結(jié)霜，從而會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱效率低下。這是由于結(jié)霜后換熱器的熱阻增加了，從而降低其換熱系數(shù)。所以研究換熱器冷表面的結(jié)霜基礎(chǔ)理論，尋究一種更節(jié)能高效的抑霜、融霜方式，備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。文章簡(jiǎn)要介紹了換熱器表面結(jié)霜現(xiàn)象產(chǎn)生原理，以及室外環(huán)境參數(shù)溫度、濕度、風(fēng)速等對(duì)結(jié)霜速率和霜層厚度的影響?？偨Y(jié)了在冷表面處理、超聲波振動(dòng)、蓄熱材料抑霜技術(shù)以及加熱和熱氣法除霜等技術(shù)近些年的研究情況。

關(guān)鍵詞：泵空調(diào);換熱器;抑霜;除霜

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.85+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2019）03-0046-06

Abstract： Under the cold and high humidity environment of electric car heat pump air conditioning in winter， the heat exchanger will frostbite during operation， which will lead to low heat exchanger efficiency. This is because the heat resistance of the heat exchanger increases after frosting， thereby reducing its heat transfer coefficient. Therefore， studying the frosting theory of the cold surface of heat exchangers， and seeking a more energy-efficient and defrosting and defrosting method has attracted the attention of scholars at home and abroad. This paper briefly introduces the principle of frosting on the surface of the heat exchanger and the influence of the temperature， humidity and wind speed of the outdoor environmental parameters on the frost rate and thickness of the frost layer. The recent researches the cold surface treatment， ultrasonic vibration， frost suppression technology of heat storage materials and defrosting by heating and hot gas are summarized.

Key Words： heat pump air conditioning; heat exchanger; anti-frosting; defrosting

引言

傳統(tǒng)燃油車(chē)依賴于化石燃料，然而化石燃料燃燒后將會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、CO、HC、NOx、PM等排放物。在能源短缺以及環(huán)保問(wèn)題日益加重的今天，研發(fā)出清潔、環(huán)保的純電動(dòng)汽車(chē)是解決問(wèn)題的一種途徑[1]。

由于純電動(dòng)汽車(chē)缺少可以利用的熱源（發(fā)動(dòng)機(jī)），不能利用其余熱，故在冬季空調(diào)采暖將面臨缺乏熱源的問(wèn)題[2]。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者提出一些解決方法：蓄熱材料、太陽(yáng)能、電池和電機(jī)余熱、PTC（Positive Temperature Coefficient， PTC）電加熱、熱泵空調(diào)系統(tǒng)等。目前大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)采暖都是采用熱敏電阻PTC電加熱的方式[6]? 。如吉利帝豪EV350、北汽EV160、比亞迪秦100、蔚來(lái)ES8等量產(chǎn)車(chē)型，但此種制熱效率低（Coefficient Of Performance，COP <1），能耗大，同時(shí)消耗的電能約占電動(dòng)車(chē)整車(chē)消耗能量的33%[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)比非熱泵系統(tǒng)，采用熱泵系統(tǒng)的制熱效率更高（Coefficient Of Performance，COP>2.0），更加節(jié)能，通過(guò)逆卡諾循環(huán)能實(shí)現(xiàn)集制冷、制熱一體的功能[8-9]。相關(guān)資料表明豐田普銳斯、雷諾Zoe純電動(dòng)、榮威ei5、奧迪R8e-tron等車(chē)型都是搭載的熱泵空調(diào)系統(tǒng)。但是由于熱泵空調(diào)在低溫、高濕的環(huán)境下，室外換熱器會(huì)出現(xiàn)結(jié)霜的現(xiàn)象，致使肋片管道堵塞，空氣流動(dòng)阻力增大，從而導(dǎo)致熱泵制熱效率下降。部分學(xué)者提出利用電池、電機(jī)余熱輔助熱泵冬季采暖，日本日立公司和德國(guó)寶馬公司都推出了一種利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池廢熱的方式，其中日立公司是提出了廢熱+熱泵空調(diào)系統(tǒng);寶馬公司采用廢熱+PTC輔助采暖。

綜上所述，PTC制熱由能量守恒定律可知制熱時(shí)電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，其理論制熱效率COP=1，實(shí)際COP<1，將消耗大量電能，不符合電動(dòng)汽車(chē)節(jié)能的要求，只能作為一種過(guò)渡的采暖方式。

故采用熱泵系統(tǒng)的空調(diào)是電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)發(fā)展的最佳方式，但熱泵系統(tǒng)面臨的一個(gè)重要的問(wèn)題是室外換熱器結(jié)霜，霜層積聚會(huì)堵塞翅片的通道，從而導(dǎo)致制熱效率下降。因此尋找一種可靠的熱泵空調(diào)室外換熱器抑霜、融霜技術(shù)就顯得刻不容緩了。

1? ? 室外換熱器結(jié)霜及機(jī)理研究

1.1? ?室外換熱器結(jié)霜

換熱器結(jié)霜是指室外換熱器冷表面有低于其露點(diǎn)的濕空氣流經(jīng)時(shí)，在冷表面附近的水蒸氣溫度會(huì)急劇下降，當(dāng)值低于水蒸氣露點(diǎn)熱度之下，水蒸氣將會(huì)產(chǎn)生相變，從而凝結(jié)成液滴在換熱器表面，隨著溫度的進(jìn)一步下降，有液滴將會(huì)凝結(jié)，甚至空氣中的水蒸氣從氣態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)并吸附在換熱器上的一種現(xiàn)象，就稱(chēng)之為換熱器結(jié)霜。

1.2? ?結(jié)霜機(jī)理研究

為了從物理的本質(zhì)上去研究結(jié)霜的成因，需要對(duì)結(jié)霜做理論基礎(chǔ)研究。早在1933年德國(guó)Piening[10]就開(kāi)始探索當(dāng)管外空氣自由流動(dòng)時(shí)的結(jié)霜問(wèn)題;19世紀(jì)70年代Y.Hayashi[11]通過(guò)攝像觀測(cè)，分析了霜層形成過(guò)程，依據(jù)霜層的結(jié)構(gòu)在0°～ -25°溫度范圍內(nèi)，通過(guò)分組研究同時(shí)對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)做了預(yù)測(cè)分析。國(guó)內(nèi)對(duì)結(jié)霜基礎(chǔ)理論研究起步相對(duì)較晚，于20世紀(jì)80年代才開(kāi)始，主要的科研院校有大連海運(yùn)學(xué)院和上海交通大學(xué)。陳崇銓[12]通過(guò)分析處于亞穩(wěn)態(tài)下的過(guò)冷蒸汽在金屬面的成核率，指出如果對(duì)金屬表面改性增大其接觸角，使得過(guò)冷蒸汽的飽和度小于其臨界值，理論上可以達(dá)到抑霜的效果。程惠爾[13]以液態(tài)氮作為冷媒，研究管內(nèi)濕空氣流動(dòng)結(jié)霜的現(xiàn)象，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到霜體吹動(dòng)且出現(xiàn)霜層坍塌的現(xiàn)象。為低溫?fù)Q熱器和流動(dòng)結(jié)霜模型的評(píng)定提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2? ? 室外換熱器結(jié)霜影響因素

基于室外換熱器霜層產(chǎn)生的原因，可知影響結(jié)霜的因素有室外環(huán)境的溫度、濕度、空氣的風(fēng)速除此之外也有其他一些因素也會(huì)影響換熱器的結(jié)霜，包括換熱器設(shè)計(jì)（換熱器形狀、結(jié)構(gòu)）因素等。

2.1? ?室外環(huán)境參數(shù)溫、濕度對(duì)換熱器結(jié)霜的影響

李紅蘭[14]基于熱泵換熱器結(jié)霜過(guò)程，建立了數(shù)值模型并編寫(xiě)了仿真程序進(jìn)行仿真分析。分析入口處不同的溫、濕度及翅片參數(shù)等對(duì)換熱器結(jié)霜的性能。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出了計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值吻合較好的曲線。從而驗(yàn)證了模型正確、可靠，計(jì)算結(jié)果可靠，表明外界的環(huán)境空氣參數(shù)（換熱器室外溫度、濕度）對(duì)換熱器結(jié)霜有較大的影響。劉斌[15]以四點(diǎn)假設(shè)為前提，考慮能量和質(zhì)量守恒建立了相關(guān)的結(jié)霜數(shù)值模型，并以室外入口處空氣的溫、濕度等參數(shù)為變量進(jìn)行分析。結(jié)果表明：溫度和相對(duì)濕度都對(duì)結(jié)霜產(chǎn)生了一定的影響，其中換熱器表面溫度對(duì)霜層的厚度有一定影響，空氣相對(duì)濕度與結(jié)霜的速率有關(guān)。Lee[16]以空氣溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)為變量，對(duì)豎直板的霜層進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明：濕度是霜形成的關(guān)鍵參數(shù)之一，同時(shí)如果外界環(huán)境溫度越高，霜層就越厚。楊賓[17]通過(guò)數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究，分析了使用R410A冷媒的的熱泵空調(diào)在不同的室外環(huán)境參數(shù)溫、濕度環(huán)境下，對(duì)結(jié)霜性能的影響。研究表明：當(dāng)進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度和風(fēng)速不變時(shí)，在不同的室外進(jìn)風(fēng)溫度下，結(jié)霜量都開(kāi)始先隨時(shí)間的增加近似呈線性正相關(guān)，之后結(jié)霜速率趨向平緩，樣機(jī)在0-3℃的進(jìn)風(fēng)溫度區(qū)間時(shí)結(jié)霜情況嚴(yán)重，但在霜層的厚度上隨時(shí)間呈現(xiàn)非線性，前、后段呈現(xiàn)較陡的上凹形，中間平緩的曲線。當(dāng)其他環(huán)境參數(shù)不變時(shí)，在不同的室外環(huán)境相對(duì)濕度下，結(jié)霜量開(kāi)始先隨時(shí)間的增加近似呈線性正相關(guān)，在結(jié)霜后期結(jié)霜的速率出現(xiàn)驟降趨向;在霜層的厚度上也隨時(shí)間的增加而加厚。

2.2? ?室外空氣流速對(duì)換熱器結(jié)霜的影響

Di Liu[18]建立了換熱器結(jié)霜理想數(shù)學(xué)模型，研究空氣質(zhì)量流量與總傳熱系數(shù)等參數(shù)對(duì)結(jié)霜量的影響，研究表明：當(dāng)有較高的空氣質(zhì)量流量時(shí)可以抑制霜層的增加。Wei-Mon Yan[19]基于對(duì)平板翅片管式換熱器在結(jié)霜工況下，空氣質(zhì)量流量等參數(shù)對(duì)結(jié)霜的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在較低的風(fēng)速下，結(jié)霜量與風(fēng)速成正相關(guān)。陳軼光[20]通過(guò)數(shù)值模擬并在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析了熱泵空調(diào)不同的風(fēng)量對(duì)霜層厚度的影響。實(shí)驗(yàn)表明：結(jié)霜量不與風(fēng)速成正相關(guān)的線性增長(zhǎng)，反而是呈現(xiàn)開(kāi)口向上的凹形，在實(shí)驗(yàn)所取風(fēng)速范圍（1.1m/s--1.6m/s）內(nèi)時(shí)，風(fēng)速為1.6 m/s時(shí)，結(jié)霜量最大，而在1.3 m/s時(shí)最小。

2.3? ?其他因素對(duì)結(jié)霜的影響

前兩大因素對(duì)室外換熱器結(jié)霜的影響均屬于室外環(huán)境方面的因素，而研究人員還進(jìn)行了其他方面的研究探索其對(duì)室外換熱器結(jié)霜的影響。

呂金虎等[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了，不同的肋片管的片距對(duì)換熱器傳熱系數(shù)和制冷量的影響。提出不同的管排使用不同的片距，可以較好地解決換熱器結(jié)霜層不均勻的問(wèn)題，為換熱器的優(yōu)化提供了一種思路。巫江虹[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了，在同一輛電動(dòng)汽車(chē)上分別采用管翅式換熱器和多流程微通道換熱器熱泵空調(diào)的制冷、制熱COP性能。得出采用微通道的換熱器已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)霜嚴(yán)重的現(xiàn)象，在室外環(huán)境溫度小于7℃時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)采暖性能急劇下降。

3? ? 延緩、消除室外換熱器結(jié)霜的措施

依據(jù)影響室外換熱器結(jié)霜的機(jī)制和影響因素不難發(fā)現(xiàn)，延緩、消除其結(jié)霜的方法可以歸納為以下幾個(gè)方面。

1）換熱器冷表面處理。由霜層產(chǎn)生積聚可知，如果換熱器表面光滑，粘附力低，霜層就不會(huì)迅速產(chǎn)生并積聚厚的霜層。故可以在換熱器表面添加涂層，來(lái)延緩霜層的增加。應(yīng)世杰[23]研究表明日本松下公司采用在換熱器表面添加憎水性涂膜劑/無(wú)機(jī)微粒子復(fù)合材料的方法，能夠使機(jī)組連續(xù)正常工作的時(shí)間延長(zhǎng)2倍，延緩結(jié)霜增長(zhǎng)速度一半以上。

2）高頻振動(dòng)除霜。采用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，壓電片上產(chǎn)生的高頻機(jī)械振動(dòng)消除已形成的霜晶。文獻(xiàn)[24]建立了一套成熟的超聲波除霜實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。驗(yàn)證了超聲波除霜的機(jī)理是高頻振動(dòng)及其帶來(lái)的力學(xué)作用。文獻(xiàn)[25]進(jìn)一步利用超聲波振動(dòng)研究了翅片管式換熱器在自然對(duì)流情況下結(jié)霜工況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲波不能消除翅片上的基本冰層，但可以消除霜晶，從而抑制霜層的增長(zhǎng)。

3）相變蓄能除霜。在融霜工況時(shí)，蓄能材料釋放在制熱工況下吸收的熱能除霜。董建鍇等[26]搭建了3種不同的相變蓄能除霜模式（串聯(lián)、并聯(lián)、單獨(dú)除霜）試驗(yàn)臺(tái)架（其原理如圖2所示），并與常規(guī)除霜模式對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)表明：相變除霜與常規(guī)除霜相比，蓄能除霜僅為常規(guī)除霜時(shí)間的40%，更加節(jié)能。姚楊[27]發(fā)明了一種采用相變蓄能材料（? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ）的熱泵除霜系統(tǒng)，不同于一般的熱泵系統(tǒng)，它增加了蓄能裝置。測(cè)試結(jié)果顯示，蓄能除霜時(shí)間在3分鐘以內(nèi)。

4）加熱除霜。在室外換熱器附近增設(shè)熱源（PTC熱敏電阻、電池電機(jī)余熱、太陽(yáng)能等）裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)除霜。馮永忠等[28]研究了寶馬i3型的純電動(dòng)汽車(chē)，該車(chē)采用熱泵空調(diào)與PTC輔助加熱相結(jié)合的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，如圖3所示，冬季分段制熱，及當(dāng)室外環(huán)境溫度較低時(shí)，熱泵制熱，當(dāng)室外溫度更低時(shí)PTC輔助制熱并除霜。文獻(xiàn)[7，29]通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)余熱的實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)原理如圖4所示。表明其能提高熱泵空調(diào)的制熱性能。文獻(xiàn)[30]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了使用R134a冷媒的大型客車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，通過(guò)液冷的方式利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池廢熱的雙熱源熱泵系統(tǒng)，制熱性能更加優(yōu)越。

5）熱氣除霜：通過(guò)制冷循環(huán)排除的氣體攜帶的高熱量引入室外換熱進(jìn)行換熱除霜。依據(jù)不同的融霜方案，主要分為逆循環(huán)除霜和熱氣旁通除霜。

a）逆循環(huán)除霜：文獻(xiàn)[31]傳統(tǒng)空調(diào)除霜方式，當(dāng)換熱器霜層達(dá)到一定的厚度時(shí)，空調(diào)自動(dòng)開(kāi)啟除霜模式，室內(nèi)吹冷風(fēng)，室外換熱器充當(dāng)冷凝器釋放熱量、融霜。除霜迅速且有噪聲，室內(nèi)溫度將會(huì)下降約5-6℃。

b）熱氣旁通除霜：文獻(xiàn)[32-34]熱氣旁通除霜，旁通部分高溫氣體到室外換熱器處，釋放熱量從而達(dá)到融霜的目的，系統(tǒng)處于制熱模式時(shí)，室內(nèi)溫度不會(huì)下降，且不會(huì)產(chǎn)生噪聲，但相比于逆循環(huán)除霜時(shí)間更長(zhǎng)。

4? ? 結(jié)論與未來(lái)展望

4.1? ?結(jié)論

由于換熱器結(jié)霜會(huì)導(dǎo)致熱泵空調(diào)制熱效率下降，甚至停機(jī)，制約著熱泵空調(diào)在低溫環(huán)境下的推廣，故探求一種節(jié)能高效的除霜方式很有必要。文章簡(jiǎn)要介紹了換熱器表面結(jié)霜現(xiàn)象產(chǎn)生原理、影響結(jié)霜的內(nèi)外因素、以及一些除霜方法的應(yīng)用情況，得出如下結(jié)論：

1）霜層的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的相變過(guò)程，其中影響換熱器結(jié)霜的因素復(fù)雜多樣，既有外部環(huán)境參數(shù)也和換熱器本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2）在換熱器冷表面添加涂層，以及使用超聲波都可以有效的減緩結(jié)霜速度，抑制霜層的增加，成為近幾年研究的熱點(diǎn)方向。

3）常見(jiàn)的除霜方式仍然是以熱氣旁通除霜和逆循環(huán)除霜為主。但現(xiàn)在更多研究者主研方向是復(fù)合除霜、逆循環(huán)和PTC、電池電機(jī)余熱、蓄能材料等相結(jié)合的除霜方式。

4.2? ?未來(lái)展望

熱泵空調(diào)較高的制熱效率，注定會(huì)在電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景，針對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性差，換熱器結(jié)霜難題，建議未來(lái)的研究方向多考慮與以下幾個(gè)方面：

1）電池?zé)峁芾砼c熱泵空調(diào)相結(jié)合。冬季利用電池散發(fā)的余熱對(duì)室外換熱器進(jìn)行融霜處理、夏季利用空調(diào)對(duì)電池進(jìn)行降溫，從而提高能量的利用率和系統(tǒng)安全性。

2）關(guān)鍵零部件研發(fā)優(yōu)化。如對(duì)空調(diào)系統(tǒng)核心部件壓縮機(jī)、換熱器、四通閥裝置進(jìn)行優(yōu)化，降低其功耗，提升其耐高壓的能力，延長(zhǎng)其使用壽命等。

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