電動汽車低溫?zé)岜孟到y(tǒng)結(jié)霜-化霜特性實(shí)驗(yàn)研究

瞿曉華 張振宇 施駿業(yè)

1 艾泰斯熱系統(tǒng)研發(fā)（上海）有限公司

2 上海交通大學(xué)制冷研究所

0 引言

能源危機(jī)和日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染早已成為全球性難題，在當(dāng)前社會能源和環(huán)境的雙重壓力下，傳統(tǒng)燃油車因其能耗大、尾氣污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)將不可避免的面臨淘汰與替換，電動汽車等新能源汽車無疑成為未來汽車的發(fā)展方向[1]。

蒸氣壓縮熱泵循環(huán)由于其能效比大于1，制熱效率高，在汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中受到越來越多關(guān)注。Hosoz M[2]將傳統(tǒng)燃油汽車空調(diào)改裝為熱泵空調(diào)，研究了不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)換熱量、COP 等參數(shù)之間的關(guān)系。李海軍[3]設(shè)計了一種混氣型純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并建立數(shù)學(xué)模型對空調(diào)系統(tǒng)主要性能參數(shù)進(jìn)行理論計算。彭發(fā)展[4]針對電動汽車冬季取暖能耗較高的問題，設(shè)計了基于蒸氣壓縮循環(huán)的熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對車內(nèi)溫升速率的影響。區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車外部換熱器僅用于冷凝散熱，在電動汽車熱泵系統(tǒng)中，外部換熱器在制熱模式充當(dāng)蒸發(fā)器，低溫環(huán)境下將導(dǎo)致外部換熱器結(jié)霜，而外部換熱器結(jié)霜作為電動汽車熱泵系統(tǒng)中涉及到的新課題受到越來越多關(guān)注。

低溫?zé)岜脮\(yùn)行在更低的環(huán)境問題下，因而將會碰到更多和更惡劣的結(jié)霜/化霜工況。本文在已設(shè)計的準(zhǔn)二級壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)中[5]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究了-12 ℃環(huán)境溫度，外部換熱器結(jié)霜對熱泵系統(tǒng)性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)研究了熱泵系統(tǒng)的化霜特性，為采取合理的化霜邏輯提供了必要依據(jù)。

1 蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)設(shè)計

1.1 蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)

本文中提出的新型電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。通過引入蒸汽噴射器和帶補(bǔ)氣孔渦旋壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)氣增焓和準(zhǔn)二級壓縮循環(huán)，增加了壓縮機(jī)出口冷媒排氣量，在相同壓比下降低了壓縮機(jī)排氣溫度，提高了熱泵系統(tǒng)效率。

圖1 蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)

此外，空調(diào)系統(tǒng)中增設(shè)了內(nèi)部冷凝器，專用于熱泵循環(huán)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱內(nèi)制冷/制熱換熱器分離。傳統(tǒng)采用換向閥的熱泵空調(diào)系統(tǒng)中制冷/制熱共用換熱器時，制冷模式切換至加熱模式時，換熱器表面的冷凝水將立即蒸發(fā)霧化在擋風(fēng)玻璃上，不利于安全駕駛，實(shí)現(xiàn)制冷/制熱換熱器分離后就可以有效規(guī)避該隱患的發(fā)生。

本文中新型蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)壓焓圖與常規(guī)單級壓縮熱泵系統(tǒng)壓焓圖對比如圖2 所示。圖中常規(guī)熱泵系統(tǒng)流程為a-b-c-d。新型熱泵系統(tǒng)流程為1-3-4-5-7，蒸汽噴射器回路流程為2-3-4-6。從圖中明顯可見，壓縮機(jī)排氣溫度從b 點(diǎn)下降至3 點(diǎn)。

圖2 新型熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱泵系統(tǒng)壓焓對比圖

1.2 熱泵系統(tǒng)性能分析

根據(jù)蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)工作原理可知如下性能：

1）1-1'壓縮過程

2）2'-3 二次壓縮過程

3）中間補(bǔ)氣過程

式中：W1-1'為壓縮機(jī)補(bǔ)氣前單位質(zhì)量制冷劑壓縮耗功，kJ/kg；h1'為壓縮機(jī)入口狀態(tài)點(diǎn)1 等熵壓縮至狀態(tài)點(diǎn)1'對應(yīng)的焓值，kJ/kg；W2'-3為壓縮機(jī)補(bǔ)氣后單位質(zhì)量制冷劑壓縮耗功，kJ/kg；h2'為壓縮機(jī)補(bǔ)氣狀態(tài)點(diǎn)2 與壓縮機(jī)內(nèi)氣體混合后狀態(tài)點(diǎn)2'對應(yīng)焓值，kJ/kg；η1和η2分別為絕熱等熵壓縮效率；mVPI為蒸汽噴射器回路與蒸發(fā)器回路制冷劑質(zhì)量比值。

4）熱泵系統(tǒng)制熱量

5）熱泵系統(tǒng)壓縮功

6）制熱性能系數(shù)（能效比）

式中：W 則為制熱消耗的電功率，主要為熱泵系統(tǒng)壓縮功。

利用式（1）～（6），可對不同實(shí)驗(yàn)工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)與常規(guī)熱泵系統(tǒng)和目前普遍采用的PTC 加熱系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。

2 蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和條件

通過理論分析和設(shè)計計算研制了電動汽車用蒸汽噴射式準(zhǔn)二級壓縮熱泵系統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)（圖3），具體參數(shù)如表1 所示。

圖3 新型熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)照片

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)具體參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在汽車空調(diào)綜合性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行性能測試?？照{(diào)實(shí)驗(yàn)室按照國標(biāo)建設(shè)，低溫?zé)岜脤?shí)驗(yàn)可完成-30 ℃工況以及低溫除霜實(shí)驗(yàn)，高溫實(shí)驗(yàn)可完成50 ℃內(nèi)高溫工況。實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法均依據(jù)中國汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 656-2000 汽車空調(diào)制冷裝置性能要求和QC/T 657-2000 汽車空調(diào)制冷裝置實(shí)驗(yàn)方法。測試儀表符合QC/T 657-2000 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置主要針對-10 ℃以下的低環(huán)境溫度工況，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況具體參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）結(jié)霜對外部蒸發(fā)器的影響

從圖4 中可以看出，隨著時間的推移，空氣側(cè)換熱系數(shù)減小，外部蒸發(fā)器出口壓力降低。由于起始制冷劑蒸發(fā)溫度較低，換熱溫差大，換熱能力強(qiáng)，導(dǎo)致空氣側(cè)部分水蒸氣凝結(jié)成霜，阻塞了換熱通道，空氣側(cè)流阻增大，換熱系數(shù)下降，換熱量減小。隨著換熱系數(shù)的下降，蒸發(fā)溫度也隨之下降，從而導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降，蒸發(fā)器出口壓力下降。

圖4 結(jié)霜對空氣側(cè)對流換熱系數(shù)影響

從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，外部蒸發(fā)器冷媒流量也隨之下降。結(jié)霜雖然導(dǎo)致低壓下降，增大換熱溫差，但是由于結(jié)霜導(dǎo)致空氣側(cè)換熱流阻增大，相同背壓下風(fēng)量減少，因而雖然換熱溫差增大，總的換熱量仍然減小。隨著外部蒸發(fā)器結(jié)霜，蒸發(fā)溫度降低，蒸發(fā)器出口干度下降，壓縮機(jī)帶液運(yùn)行，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功增大，制冷劑冷媒流量也下降。

圖5 結(jié)霜對空氣側(cè)能力影響

2）結(jié)霜對壓縮機(jī)的影響

由圖6 中可見，由于壓縮機(jī)吸氣帶液，導(dǎo)致壓縮機(jī)等熵效率下降，同時，由于外部蒸發(fā)器出口壓力下降，導(dǎo)致進(jìn)入蒸發(fā)器的壓力也隨之下降，壓縮機(jī)壓比不斷增大。系統(tǒng)帶液運(yùn)行，壓縮機(jī)耗功增大，導(dǎo)致排氣過熱度也增大。

圖6 結(jié)霜對壓縮機(jī)性能影響

圖7 結(jié)霜對內(nèi)部冷凝器出風(fēng)影響

3）結(jié)霜對內(nèi)部冷凝器的影響

由于外部蒸發(fā)器結(jié)霜，系統(tǒng)流量降低，壓縮機(jī)出口壓力不斷下降，排氣過熱度升高，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部冷凝器入口壓力不斷下降。由于進(jìn)入內(nèi)部冷凝器的制冷劑冷媒壓力減小，流量減小，換熱溫差變小，從而導(dǎo)致出風(fēng)溫度逐漸下降。

圖8 中可見，隨著結(jié)霜的加劇，內(nèi)部冷凝器壓力降低，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量減小，導(dǎo)致?lián)Q熱溫差減小，空氣側(cè)能力逐漸下降。同時由于壓縮機(jī)吸氣帶液，耗功增加，空氣側(cè)制熱COP 逐漸下降。

圖8 結(jié)霜對內(nèi)部冷凝器性能影響

4）除霜對系統(tǒng)性能的影響

圖9 中可見，利用逆循環(huán)對外部換熱器除霜時，系統(tǒng)蒸發(fā)低壓和冷凝高壓均隨著時間逐漸增大。此時外部換熱器冷卻風(fēng)扇處于關(guān)閉狀態(tài)。系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時，由于換熱器結(jié)霜，導(dǎo)致空氣側(cè)流阻增大。隨著除霜開始，空氣側(cè)流阻逐漸減小，高壓壓力逐漸升高，除霜結(jié)束后，壓力逐漸恢復(fù)正常，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖9 除霜對系統(tǒng)壓力影響

圖10 中可見，利用逆循環(huán)對外部換熱器除霜時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速維持在4500 RPM 不變，壓縮機(jī)功率隨著時間逐漸增大。分析可以發(fā)現(xiàn)除霜開始時，外部換熱器翅片表面結(jié)霜，換熱系數(shù)較低，系統(tǒng)流量較小，壓縮機(jī)輸入功率低，隨著除霜結(jié)束，換熱量增加，系統(tǒng)流量增加，壓縮機(jī)的輸入功率不斷提高。

圖10 除霜對壓縮機(jī)功率影響

從圖11 中可見，從外部換熱器除霜開始，在2 分鐘30 秒內(nèi)，外部換熱器表面霜層完全去除干凈。

圖11 外部換熱器除霜過程

3 結(jié)論

由于蒸發(fā)器結(jié)霜，導(dǎo)致空氣側(cè)流阻增大，蒸發(fā)壓力降低，壓縮機(jī)吸氣帶液，耗功增加，等熵效率下降，同時壓縮機(jī)排氣過熱度不斷增加，壓比增大系統(tǒng)COP 減小。由于結(jié)霜，導(dǎo)致系統(tǒng)流量減小，同時壓縮機(jī)出口壓力下降，進(jìn)入換熱器制冷劑流量及溫度都下降，從而降低了系統(tǒng)的制熱量。通過采取有效的合理化霜策略可以大大減小結(jié)霜對系統(tǒng)性能的影響。