電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)冷凝蒸發(fā)器的特性實(shí)驗(yàn)研究

(杭州三花研究院有限公司 杭州 310016)

汽車(chē)逐漸成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支持性產(chǎn)業(yè)之一，是提高人民生活品質(zhì)的重要工具。內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)廣泛使用的同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境污染和溫室氣體效應(yīng)，加劇了能源危機(jī)。用電動(dòng)汽車(chē)代替燃油汽車(chē)正成為汽車(chē)行業(yè)下一步發(fā)展的方向和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)[1-2]。而當(dāng)前因?yàn)殡姵乩m(xù)航里程的問(wèn)題，限制了電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展。為確保電動(dòng)車(chē)的高效節(jié)能，增加續(xù)航里程成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)最重要的課題之一[3-4]。同時(shí)，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)冬季取暖是利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱，而電動(dòng)汽車(chē)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其廢熱量很少且能量品位較低，無(wú)法直接有效利用。汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，因其能量利用效率高(相對(duì)PTC直接加熱)，逐漸成為純電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)配系統(tǒng)[5-6]。電動(dòng)汽車(chē)熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)相比，在零部件層級(jí)上，室外換熱器的變化最為顯著，成為熱泵系統(tǒng)是否高效運(yùn)行的關(guān)鍵零部件[7-9]。室外換熱器在夏季承擔(dān)冷凝器功能，在冬季制熱工況時(shí)，又要承擔(dān)蒸發(fā)器的功能。尤其是在冬季高濕工況下，空氣中水蒸氣遇到低于其露點(diǎn)溫度的蒸發(fā)器表面迅速結(jié)霜或結(jié)露[10-11]。結(jié)霜和結(jié)露對(duì)室外換熱器的蒸發(fā)性能影響極為顯著[12-14]，如何有效提升和平衡室外換熱器在制冷和制熱工況下的性能成為純電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)重要的研究方向。

由于純電動(dòng)車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用案例仍十分有限，主要包括LEAF、寶馬i3等[15]，其中關(guān)于室外換熱器單體性能實(shí)驗(yàn)，尤其是不同環(huán)境工況下，換熱器的冷凝和蒸發(fā)性能的差異對(duì)比性研究更是鮮有報(bào)道。熱泵室外熱交換器性能直接影響整個(gè)熱泵性能和成員舒適性，成為整個(gè)電動(dòng)車(chē)熱泵空調(diào)最重要的核心部件之一[16]。本文利用實(shí)驗(yàn)方法，研究室外換熱器的進(jìn)出口位置，流程布置形式對(duì)其制冷和制熱性能的影響，同時(shí)進(jìn)一步針對(duì)高濕、高寒和寒濕等幾種不同環(huán)境條件，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)配置室外換熱器制熱特性的研究。希望本文的研究，能為純電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及室外換熱器方案選擇提供有益的參考或幫助。

1 研究對(duì)象概括

室外換熱器采用微通道結(jié)構(gòu)形式，由微通道扁管和百葉窗翅片組合而成，如圖1所示。

熱泵空調(diào)系統(tǒng)的室外換熱器，在結(jié)構(gòu)配置上有水平布置和豎直布置兩種形式。傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)中，作為單一功能冷凝器使用時(shí)，多采用水平布置，根據(jù)實(shí)際性能要求采用3流程或4流程以及帶有儲(chǔ)液器功能。而在電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，作為蒸發(fā)器功能使用時(shí)，考慮制冷劑分配及空氣中水分在換熱器表面結(jié)霜、結(jié)露及化霜后水在換熱器翅片間排出，微通道扁管采用豎直方式。根據(jù)整個(gè)熱泵系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，系統(tǒng)原有的在高壓側(cè)與冷凝器一體的儲(chǔ)液器，現(xiàn)由在低壓側(cè)與壓縮機(jī)吸氣相連通的氣液分離器代替，實(shí)現(xiàn)制冷劑的存儲(chǔ)。本文所研究的室外換熱器橫排結(jié)構(gòu)和豎排結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 微通道換熱器

圖2 兩種不同結(jié)構(gòu)形式換熱器

在相同空間尺寸下，橫排布置方式與豎排布置方式在傳熱面積和重量方面的對(duì)比如表1所示。在相同的空間布置尺寸下，橫排布置其集流管的尺寸比豎排小。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文利用專(zhuān)用的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)焓差臺(tái)進(jìn)行換熱器單體的冷凝和蒸發(fā)性能測(cè)試。焓差實(shí)驗(yàn)室主要包括制冷劑測(cè)試系統(tǒng)和空氣測(cè)試系統(tǒng)及空氣輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)。焓差臺(tái)的系統(tǒng)原理如圖3(a)所示。測(cè)試系統(tǒng)中，利用空調(diào)柜裝置調(diào)節(jié)空氣，確保測(cè)試室內(nèi)空氣達(dá)到設(shè)定溫度和濕度。測(cè)試系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴組合測(cè)試風(fēng)量和測(cè)試換熱器空氣前后焓差獲得空氣側(cè)換熱量；制冷劑側(cè)主要包括壓縮機(jī)、調(diào)節(jié)閥及輔助加熱和冷卻裝置。換熱器冷熱側(cè)的換熱量由單體測(cè)試測(cè)得，確?？諝夂椭评鋭﹤?cè)換熱量的熱平衡誤差小于3%。

表1 兩種結(jié)構(gòu)形式換熱器參數(shù)

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

對(duì)作為蒸發(fā)器在不同低溫環(huán)境工況下的結(jié)霜或結(jié)露實(shí)驗(yàn)，利用專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試。空氣側(cè)工況調(diào)節(jié)與測(cè)試，利用標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)空調(diào)焓差臺(tái)提供恒定溫度和濕度。制冷劑側(cè)采用熱泵空調(diào)專(zhuān)用結(jié)霜實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行測(cè)試，制冷劑側(cè)的測(cè)試原理如圖3(b)所示。制熱試驗(yàn)工況時(shí)，制冷劑從壓縮機(jī)排出，進(jìn)入室內(nèi)冷凝器，手動(dòng)球閥2關(guān)閉；經(jīng)過(guò)流量計(jì)和電子膨脹閥1節(jié)流后，進(jìn)入室外換熱器，此時(shí)電子膨脹閥2關(guān)閉，手動(dòng)球閥1開(kāi)啟，制冷劑通過(guò)室外換熱器吸收環(huán)境熱量蒸發(fā)后，進(jìn)入氣液分離器，最后回到壓縮機(jī)?；r時(shí)，本研究采用三角循環(huán)模型，壓縮機(jī)排出制冷劑經(jīng)過(guò)手動(dòng)閥2，進(jìn)入室外換熱器，利用高溫高壓制冷劑對(duì)室外換熱器外側(cè)霜進(jìn)行加熱，最后經(jīng)電子膨脹閥2節(jié)流后直接進(jìn)入氣液分離器，最后回到壓縮機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 兩種不同結(jié)構(gòu)形式的換熱器性能差異

在空調(diào)熱泵系統(tǒng)中，室外換熱器在制冷工況下承擔(dān)冷凝器功能，在冬季制熱時(shí)承擔(dān)蒸發(fā)器的功能。換熱器單體測(cè)試工況：冷凝器工況，進(jìn)口壓力為1.74 MPa、過(guò)熱度為20 ℃；控制冷凝器出口過(guò)冷度為10 ℃，空氣進(jìn)口溫度為35 ℃，測(cè)試不同迎面風(fēng)速下的散熱性能和內(nèi)外側(cè)流阻。蒸發(fā)器工況，閥前進(jìn)口溫度和壓力分別為42.9 ℃和1.6 MPa，控制蒸發(fā)器出口壓力為0.182 MPa和3 ℃過(guò)熱度，空氣進(jìn)口溫度為-5 ℃，測(cè)試不同迎面風(fēng)速下蒸發(fā)器吸熱量及內(nèi)外側(cè)流阻。

圖4和圖5所示分別為冷凝器工況下和蒸發(fā)器工況下的性能對(duì)比。由圖4可知，在冷凝工況下，橫排結(jié)構(gòu)的冷凝能力較豎排有明顯提升，在測(cè)試風(fēng)速為2.0～4.5 m/s范圍內(nèi)，橫排冷凝能力比豎排的提升約10%。同時(shí)，橫排結(jié)構(gòu)形式的R134a內(nèi)部阻力比豎排結(jié)構(gòu)形式也略有增大。由圖5可知，在蒸發(fā)器工況下，橫排布置室外換熱器的蒸發(fā)性能相對(duì)于豎排布置有大幅提升，提升幅度約20%?？赡苡捎谥评鋭┰诩鞴軆?nèi)流動(dòng)方向與扁管及自身重力方向不同，導(dǎo)致制冷劑在豎排布置結(jié)構(gòu)換熱器內(nèi)各個(gè)扁管內(nèi)流量分配不均。

圖4 冷凝器工況下的性能對(duì)比

圖5 蒸發(fā)器工況下的性能對(duì)比

3.2 不同進(jìn)出口位置對(duì)換熱器性能影響差異

圖6 接口位置

圖7 不同接管位置對(duì)冷凝和蒸發(fā)性能影響

針對(duì)橫排結(jié)構(gòu)形式室外換熱器，在集流管上布置不同接口位置，以測(cè)試接口位置對(duì)其冷凝工況和蒸發(fā)工況下的性能影響。接口位置如圖6所示。在2流程的集流管上開(kāi)設(shè)4個(gè)接口。作為冷凝器工況時(shí)，制冷劑從接口1和接口2進(jìn)入，從接口3和接口4流出。作為蒸發(fā)器工況時(shí)，氣液兩相流制冷劑從接口3和接口4進(jìn)入，制冷劑吸熱蒸發(fā)后從接口1和接口2流出。圖7所示為室外換熱器制冷劑進(jìn)出口位置對(duì)換熱器在不同工況下的性能影響。由圖可知，冷凝器工況下，進(jìn)出口位置對(duì)冷凝能力影響不顯著，其中接口2進(jìn)接口4出方案，冷凝器散熱性能稍具優(yōu)勢(shì)；在蒸發(fā)工況下，從接口4進(jìn)入，接口2流出方案，具有明顯性能優(yōu)勢(shì)；相對(duì)于3進(jìn)1出方案，蒸發(fā)器性能提升約20%。

3.3 結(jié)霜工況下的換熱器性能差異

根據(jù)換熱器結(jié)霜的原理，當(dāng)換熱器表面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，濕空氣進(jìn)入換熱器內(nèi)部與金屬壁面接觸，開(kāi)始結(jié)霜或結(jié)露。當(dāng)金屬壁面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，但高于0 ℃，此時(shí)空氣中水蒸氣在換熱器金屬表面凝結(jié)成水珠；當(dāng)金屬壁面溫度低于空氣露點(diǎn)溫度，低于0 ℃且露點(diǎn)溫度高于0 ℃，此時(shí)濕空氣首先凝結(jié)成水珠，然后再冷卻成冰；當(dāng)金屬壁面溫度低于0 ℃，且露點(diǎn)溫度也低于0 ℃，此時(shí)濕空氣與金屬壁面接觸，水蒸氣直接凝華成霜。針對(duì)霜的形成機(jī)理，本文開(kāi)展了3種不同工況下的結(jié)霜性能實(shí)驗(yàn)。3種工況分別為：干濕球溫度-7 ℃/-8 ℃的高寒工況、7 ℃/6 ℃的高濕工況和2 ℃/1 ℃的寒濕工況，如圖8～圖10所示。結(jié)霜實(shí)驗(yàn)采用固定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，控制室內(nèi)冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度為20 ℃，風(fēng)量為340 m3/h，并將室外換熱器空氣的進(jìn)口溫度和濕度設(shè)定為恒定工況。當(dāng)壓縮機(jī)吸氣口壓力低至0.105 MPa時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)切斷以保護(hù)壓縮機(jī)。

圖8 -7 ℃/-8 ℃工況下制熱量及出風(fēng)溫度變化

圖9 7 ℃/6 ℃工況制熱量及出風(fēng)溫度變化

由圖8和圖9可知，對(duì)于-7 ℃/-8 ℃工況和7 ℃/6 ℃工況，系統(tǒng)制熱量和室內(nèi)側(cè)出風(fēng)溫度等在60 min內(nèi)無(wú)明顯衰減。說(shuō)明在高濕工況和高寒工況下，汽車(chē)熱泵空調(diào)可以連續(xù)運(yùn)行100 min，無(wú)須進(jìn)行化霜。同時(shí)，對(duì)比橫排和豎排結(jié)構(gòu)兩種室外換熱器對(duì)熱泵系統(tǒng)的性能影響，橫排布置結(jié)構(gòu)對(duì)熱泵制熱性能有明顯提升，出風(fēng)溫度提高約3 ℃。

對(duì)于2 ℃/1 ℃的寒濕工況，對(duì)熱泵性能影響最為顯著，工況也最?lèi)毫?。此工況下，空氣中水蒸氣含量非常高，露點(diǎn)溫度為-0.4 ℃，當(dāng)遇到低于露點(diǎn)溫度的金屬表面時(shí)，水蒸氣首先凝結(jié)成水珠，再迅速結(jié)成冰粒粘附在換熱器翅片和扁管表面。由圖10可知，無(wú)論是橫排結(jié)構(gòu)布置還是豎排結(jié)構(gòu)布置的室外換熱器，均會(huì)造成整個(gè)熱泵制熱性能的衰減。且隨著結(jié)霜周期的增加，每個(gè)制熱循環(huán)的時(shí)間也越來(lái)越短。對(duì)于橫排換熱器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的制熱時(shí)間從第1個(gè)循環(huán)的80 min縮短至第6個(gè)循環(huán)的20 min；對(duì)于豎排結(jié)構(gòu)形式室外換熱器，系統(tǒng)制熱性能的衰減幅度更大，衰減速度更快，制熱時(shí)間從第1個(gè)循環(huán)的50 min縮短至第6個(gè)循環(huán)的12 min。主要因豎排布置結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致制冷劑分配不均勻，局部低溫結(jié)霜嚴(yán)重，且在化霜循環(huán)內(nèi)，化霜不徹底，隨著制熱時(shí)間增加，局部結(jié)霜更加嚴(yán)重，且化霜不徹底進(jìn)一步惡化制冷劑的分配均勻性和制熱性能的衰減。

圖10 2 ℃/1 ℃工況換熱量及室內(nèi)出風(fēng)溫度變化

圖11所示為2 ℃/1 ℃工況下橫排和豎排結(jié)構(gòu)布置形式的室外換熱器分別在第1、4、6個(gè)制熱循環(huán)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的結(jié)霜實(shí)驗(yàn)對(duì)比。由圖11可知，兩種結(jié)構(gòu)換熱器均存在嚴(yán)重的結(jié)霜現(xiàn)象，且制冷劑分配不均勻?qū)е聯(lián)Q熱器表面結(jié)霜不均，同時(shí)因風(fēng)扇本身特性導(dǎo)致?lián)Q熱器表面進(jìn)風(fēng)也不均勻，加劇換熱器結(jié)霜表面的非均勻性。此外，對(duì)比橫排和豎排結(jié)構(gòu)的化霜特性，在第4和第6個(gè)制熱循環(huán)開(kāi)始時(shí)，豎排換熱器表面殘存著大量冰塊或霜塊，阻礙空氣的流通，大幅降低了換熱器制熱能力；對(duì)于橫排結(jié)構(gòu)，盡管在每個(gè)制熱周期結(jié)束時(shí)，換熱器表面存在大量霜或少量冰，但經(jīng)過(guò)化霜程序后，在下一個(gè)制熱周期開(kāi)始時(shí)，換熱器表面僅殘存少量的霜或冰，這間接說(shuō)明橫排布置結(jié)構(gòu)的換熱器有利于汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)化霜。

圖11 換熱器表面結(jié)霜對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)室外換熱器進(jìn)行蒸發(fā)性能和冷凝性能的實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)比了兩種不同結(jié)構(gòu)形式微通道換熱器在蒸發(fā)器工況下的結(jié)霜特性，研究結(jié)論如下：

1)對(duì)比橫排和豎排布置方式微通道換熱器的性能差異，換熱器作為冷凝器時(shí)，二者性能差異不顯著；作為蒸發(fā)器時(shí)，相同工況下，橫排布置結(jié)構(gòu)形式相比豎排布置性能提升20%。

2)橫排布置結(jié)構(gòu)形式下，微通道換熱器的制冷劑進(jìn)出口接管位置對(duì)冷凝器性能影響不顯著，但對(duì)蒸發(fā)器性能影響顯著，制冷劑進(jìn)口接近換熱器底端扁管有利于性能的提高，可提升約20%。

3)結(jié)霜工況下，無(wú)論橫排還是豎排布置形式，在高寒-7 ℃/-8 ℃和高濕7 ℃/6 ℃工況下，兩種結(jié)構(gòu)換熱器在運(yùn)行80 min內(nèi)制熱性能無(wú)明顯衰減。

4)對(duì)于2 ℃/1 ℃寒濕工況，橫排布置結(jié)構(gòu)形式在結(jié)霜和化霜特性上均顯著優(yōu)于豎排布置結(jié)構(gòu)形式。