油循環(huán)率對電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)性能的影響

鄒慧明 湯鑫斌 唐坐航 唐明生 田長青

（1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室 北京 100190；2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車缺少發(fā)動機冷卻液用于解決冬季工況下車艙的采暖需求，常規(guī)R134a和R1234yf熱泵系統(tǒng)存在溫室效應(yīng)和低溫適應(yīng)性等問題[1-2]，直接采用PTC （positive temperature coefficient）電加熱元件又會極大縮短電動汽車續(xù)航里程。CO2熱泵技術(shù)憑借優(yōu)異的環(huán)保性、寬溫區(qū)適應(yīng)性及與車輛系統(tǒng)的兼容性已經(jīng)成為相關(guān)行業(yè)的研究熱點，CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)將是未來電動汽車熱泵空調(diào)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[3]。

電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)能量傳遞過程包括做功和傳熱，系統(tǒng)有用功的輸入主要通過壓縮機部件，而熱量的傳遞主要通過換熱器。對于系統(tǒng)部件的做功過程和換熱過程，潤滑油對于各部件運行的可靠性和高效性起著至關(guān)重要的作用。對于熱泵系統(tǒng)做功部分的壓縮機部件而言，潤滑油在壓縮機運行時起到對運動副的潤滑及配合面的密封作用，同時，潤滑油能及時帶走壓縮過程因機械和電磁損耗產(chǎn)生的廢熱，有效改善壓縮過程[4-6]。

通常電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)無專門的油分離裝置，意味著潤滑油參與包括蒸發(fā)器和氣冷器在內(nèi)的所有換熱部件的換熱過程。由于潤滑油與CO2工質(zhì)的黏度和傳熱特性等物性差異較大，潤滑油會影響系統(tǒng)循環(huán)中的傳熱過程，尤其蒸發(fā)器處于低溫狀態(tài)時，潤滑油黏性變大，導(dǎo)致制冷劑與潤滑油混合物流動阻力增加，甚至部分潤滑油會附著于傳熱管內(nèi)壁，進而影響換熱器傳熱效率和系統(tǒng)整體能效[7-9]。

目前，電動汽車空調(diào)用壓縮機主要以渦旋壓縮機為主，在高CO2運行壓力工況下，渦旋壓縮機的動靜渦盤在大壓差作用下導(dǎo)致泄漏增加，如何有效解決其泄漏問題，同時保證運行時動靜渦盤的可靠潤滑是提升壓縮性能的關(guān)鍵。方金湘等[10-12]通過理論和實驗研究指出采用合適的油循環(huán)率是保證渦旋壓縮機運行可靠和高效的關(guān)鍵。田俊義等[13]建立渦旋壓縮機滑動軸承流體潤滑模型，計算制冷劑含油率對滑動軸承摩擦功耗的影響，指出當(dāng)含油率在5%～12%時，滑動軸承功耗相應(yīng)從50.0 W降至40.6 W。陶宏等[14]搭建了電動汽車空調(diào)壓縮機性能實驗臺，研究潤滑油循環(huán)率對電動汽車空調(diào)渦旋壓縮機性能的影響，實驗結(jié)果表明：壓縮機容積效率和電效率與油循環(huán)率呈正相關(guān)性（油循環(huán)率范圍：1%～10%），潤滑油循環(huán)率還會影響壓縮機排氣溫度和殼體溫度，系統(tǒng)適度的油循環(huán)率為5%。

微通道換熱器由于具有結(jié)構(gòu)緊湊和換熱高效的優(yōu)勢已在車用空調(diào)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[15]，了解制冷劑和潤滑油混合物在微小尺寸結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動和傳熱特性，對于提升系統(tǒng)性能具有至關(guān)重要的作用[16]。朱國梅等[17]指出影響潤滑油與CO2制冷劑互溶的因素主要有介電常數(shù)、密度、擴散系數(shù)和添加劑等，而介電常數(shù)的表征是極性，CO2在超臨界狀態(tài)下表現(xiàn)出非極性溶劑的性質(zhì)，因而超臨界狀態(tài)CO2對于非極性潤滑油的溶解能力高于亞臨界狀態(tài)下的CO2。秦紅[18]搭建了實車管路空調(diào)系統(tǒng)的實驗臺架，研究油循環(huán)率對空調(diào)系統(tǒng)換熱量的影響，通過不同工況的實驗研究，油循環(huán)率在4.72%～7.87%范圍內(nèi)時制冷系統(tǒng)換熱量變化率在5%之內(nèi)，當(dāng)油循環(huán)率從4.72%增至19.63%時，換熱量衰減了21.28%。

本文搭建了一套帶油循環(huán)率測試裝置的電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)實驗臺架，重點研究分析典型車輛工況下熱泵系統(tǒng)油循環(huán)率對壓縮機和換熱器運行狀態(tài)及整體系統(tǒng)性能的影響特性。

1 電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)及油循環(huán)測試裝置

1.1 實驗裝置

為研究油循環(huán)率對電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)性能的影響，本文搭建了如圖1（a）所示的測試平臺。系統(tǒng)采用三換熱器結(jié)構(gòu)形式，換熱器均為微通道平行流換熱器；車內(nèi)空調(diào)箱HVAC（heating ventilation air conditioning）包括兩個并排布置的車內(nèi)氣冷器和車內(nèi)蒸發(fā)器，空氣側(cè)氣流先流經(jīng)車內(nèi)蒸發(fā)器，然后流過車內(nèi)氣冷器；壓縮機采用5.3 cm3/r的CO2渦旋壓縮機；車外換熱器布置于車頭。為模擬車輛工況，熱泵系統(tǒng)布置于汽車空調(diào)環(huán)境實驗室。該焓差室由室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個獨立的環(huán)境控制室組成，可同時模擬車內(nèi)外溫濕度工況。具體臺架布置情況如圖1（b）所示。

圖1 實驗臺架Fig.1 Test bench

該熱泵系統(tǒng)通過三組三通閥通斷實現(xiàn)制冷和制熱模式的切換，制冷模式測量系統(tǒng)潤滑油循環(huán)率 （oil circulation rate，OCR） 時，將OCR測量儀布置于回?zé)崞骱碗娮优蛎涢y之間，制熱模式測量系統(tǒng)OCR時，OCR則布置于電子膨脹閥和車內(nèi)蒸發(fā)器之間，以保證熱泵系統(tǒng)處于不同模式工作，OCR測點位置潤滑油和CO2制冷劑混合物溫壓狀態(tài)滿足OCR測量儀要求。

測試過程中，通過調(diào)節(jié)壓縮機注油量調(diào)整系統(tǒng)中潤滑油的循環(huán)率，潤滑油循環(huán)率利用布置的OCR測量儀進行測量記錄。系統(tǒng)中OCR測量儀采用耐高壓的密度傳感器，該密度傳感器基于U型振蕩管的原理測量潤滑油和CO2混合物的密度，通過混合物密度與潤滑油濃度、介質(zhì)溫度和壓力關(guān)系計算并實時采集記錄系統(tǒng)OCR。焓差室空氣側(cè)干濕球溫度采用高精度鉑電阻測量，測溫精度為 ±0.01 ℃；壓縮機輸入電功采用功率計8920測量，測量精度為 ±0.5%。結(jié)合科氏質(zhì)量流量計和油循環(huán)率測量值計算確定系統(tǒng)中循環(huán)的制冷劑質(zhì)量流量。制冷劑側(cè)主要測量儀器參數(shù)如表1所示。

表1 主要測量儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of principal measuring instruments

1.2 實驗工況

基于電動汽車熱泵系統(tǒng)典型運行工況，開展不同OCR條件下熱泵系統(tǒng)性能測試，測試工況如表 2所示。為了對比分析不同OCR對系統(tǒng)性能的影響，實驗采用控制變量法，制冷工況設(shè)定壓縮機轉(zhuǎn)速n為4 500 r/min，電子膨脹閥相對開度為32%；制熱工況設(shè)定壓縮機轉(zhuǎn)速n為4 800 r/min，電子膨脹閥相對開度為20%；為提高CO2熱泵系統(tǒng)制熱模式下高壓側(cè)的換熱能力，本文制熱工況測試時通過三通閥通斷將室內(nèi)蒸發(fā)器和室內(nèi)氣冷器串聯(lián)，熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量為590 g，制冷劑采用高純CO2（體積分數(shù)≥99.999%），壓縮機潤滑油采用ACC HV冷凍油。

表2 測試工況Tab.2 Testing conditions

1.3 數(shù)據(jù)處理

熱泵系統(tǒng)HVAC通過風(fēng)管與焓差室受風(fēng)箱連接，利用焓差室受風(fēng)箱和空氣取樣器測量HVAC進出口空氣的干濕球溫度及風(fēng)量，系統(tǒng)制冷量和制熱量Q為：

（1）

式中：q為被測空調(diào)器室內(nèi)側(cè)測點風(fēng)量，m3/h；ha1、ha2分別為空調(diào)器室內(nèi)側(cè)進、出風(fēng)空氣焓值，kJ/kg；v′a為噴嘴前空氣比容，m3/kg；Wa為噴嘴前空氣含濕量，g/（kg干空氣）。

系統(tǒng)性能系數(shù)COP：

（2）

式中：W為壓縮機功耗，W。

壓縮機等熵效率ηs和容積效率ηv分別為：

（3）

（4）

式中：hd為壓縮機等熵壓縮排氣比焓，hs為吸氣比焓，h′d為實際排氣比焓，單位均為kJ/kg；qm為系統(tǒng)質(zhì)量流量，kg/h；ρs為吸氣密度，kg/m3；n為壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min；Vs為壓縮機排量，m3/r。

換熱器兩側(cè)換熱比ηevap和ηHVAC分別為：

（5）

（6）

式中：Qair-c、Qr-c分別為室內(nèi)蒸發(fā)器空氣側(cè)制冷量和制冷劑側(cè)制冷量，W；Qair-h、Qr-h分別為HVAC空氣側(cè)制熱量和制冷劑側(cè)制熱量，W。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 壓縮機效率與運行特性

圖 2 （a）所示為制冷工況下OCR對壓縮機排氣溫度和等熵效率的影響。OCR在1.17%～3.83%范圍內(nèi)變化時，壓縮機排氣溫度和等熵效率變化不超過0.5%，但當(dāng)OCR增至5.26%時，由于潤滑油冷卻作用的增強，壓縮機排氣溫度相比于OCR為1.17%時降低3.4 ℃，等熵效率提高13.6%。

圖 2 （b） 所示為制熱工況下OCR對排氣溫度和等熵效率的影響。相比于制冷工況，壓縮機排氣溫度在制熱工況下整體顯著升高，且等熵效率整體更低。在低OCR情況下潤滑油對壓縮機排氣溫度影響顯著，當(dāng)OCR為1.51%時，壓縮機排氣溫度升至155.5 ℃，隨著OCR的增加，由于潤滑油對壓縮過程的冷卻作用及運動副之間的潤滑作用增強，OCR由1.51%增至6.68%時，壓縮機等熵效率提升15.7%。

圖2 OCR對排氣溫度和等熵效率的影響Fig.2 Effects of OCR on exhaust temperature and isentropic efficiency

圖 3 所示為OCR對吸氣密度和容積效率的影響?？芍?，在低油循環(huán)率條件下，OCR變化對壓縮機吸氣密度影響較小，制冷工況下OCR達到5.26%和制熱工況OCR為6.68%時，壓縮機吸氣密度明顯衰減。同時，隨著OCR的增加，由于潤滑油對渦旋壓縮機動靜渦盤配合面的密封效果增強，熱泵系統(tǒng)容積效率均有所增加，且制熱模式下，當(dāng)OCR為1.51%時，較差的冷卻和潤滑作用導(dǎo)致壓縮機在壓縮過程由于不可逆損失產(chǎn)生的熱量增加，壓縮機排氣和殼體溫度整體升高，吸氣過程的溫升使得在較低OCR條件下，制熱工況時壓縮機的容積效率降低，相比于OCR為3.59%的情況，容積效率衰減3.94%。

圖3 OCR對吸氣密度和容積效率的影響Fig.3 Effects of OCR on suction density and volumetric efficiency

圖4 換熱器流阻和換熱比隨OCR的變化Fig.4 Flow resistance and heat transfer ratio of heat exchanger varies with OCR

2.2 換熱器流動與傳熱特性

圖 4 所示為換熱器流動阻力和換熱比隨OCR的變化，圖中ΔpH表示高溫段氣冷器和HVAC壓降，ΔpL表示低溫段蒸發(fā)器和車外蒸發(fā)器壓降。可以看出，對于處于-8～5 ℃溫度狀態(tài)下的蒸發(fā)器而言，由于低溫對潤滑油黏度的影響，導(dǎo)致潤滑油和CO2制冷劑混合物在蒸發(fā)器內(nèi)的流動阻力顯著增加，具體表現(xiàn)為制冷和制熱工況下，對于所有OCR運行條件，低溫段蒸發(fā)器壓降均大于高溫段氣冷器壓降。由于制熱工況蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度在-8 ℃附近，黏性阻力作用相比于制冷工況更為明顯，具體的，制熱工況下，潤滑油和CO2制冷劑混合物在流經(jīng)HVAC內(nèi)部雙換熱器的情況下，流動阻力損失仍僅為低溫側(cè)蒸發(fā)器流阻的28%。

換熱器潤滑油和制冷劑混合物與空氣兩側(cè)的換熱比在0.64～0.72之間，兩側(cè)熱平衡的差值一部分來源于換熱器和焓差室受風(fēng)箱測量系統(tǒng)漏熱量的影響，另一部分則是換熱器本身的傳熱效率，而潤滑油循環(huán)率是影響換熱器傳熱效率的關(guān)鍵性因素，即對于制冷工況下蒸發(fā)器和制熱工況下HVAC制冷劑側(cè)及空氣側(cè)的換熱比而言，潤滑油對兩側(cè)換熱比的影響主要取決于黏度和濃度。由于制熱工況HVAC屬于高溫段，潤滑油溫度較高，工質(zhì)流動性較好，較少的潤滑油黏附于傳熱管內(nèi)表面，只有當(dāng)OCR較高時 （OCR=6.68%），潤滑油濃度對傳熱的影響增強，此時制熱工況下HVAC兩側(cè)換熱比才有所衰減。對于制冷工況，OCR范圍在1.17%～3.83%時，潤滑油的黏附作用增加了換熱器的熱阻，此時潤滑油對蒸發(fā)器兩側(cè)換熱比的影響由黏度起主導(dǎo)作用，因此兩側(cè)換熱比基本不隨OCR變化。當(dāng)OCR達到5.26%時，參與沸騰傳熱的制冷劑流量的減少，導(dǎo)致蒸發(fā)器兩側(cè)換熱比衰減了6.15%。

2.3 熱泵系統(tǒng)性能

圖 5所示為OCR對壓縮機功耗和熱泵系統(tǒng)性能的影響。對于制冷工況，與上述OCR對換熱器流動和傳熱特性影響的分析一致，當(dāng)OCR為5.26%情況下，由于潤滑油對換熱器換熱的影響增強，導(dǎo)致系統(tǒng)制冷量由2 678.5 W降至2 534.7 W，衰減了5%，使得該OCR條件下系統(tǒng)制冷COP迅速降低。對于制熱工況，在1.51%的低OCR條件下，由于壓縮機等熵效率和容積效率的降低，壓縮機整體性能變差，功耗相比于較高OCR運行條件增加約2%，使得低OCR運行條件制熱COP明顯降低。

對于所測試的OCR范圍內(nèi)，制冷工況下，系統(tǒng)最佳制冷COP對應(yīng)的OCR為3.83%，制熱工況下，最佳制熱COP對應(yīng)的OCR為3.59%。綜上，對于所開展的測試工況，當(dāng)系統(tǒng)OCR在4%附近時，熱泵系統(tǒng)具有較佳的綜合性能。

圖5 OCR對壓縮機功耗和熱泵系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Effects of OCR on compressor power consumption and heat pump system performance

3 結(jié)論

本文搭建了帶油循環(huán)率測試裝置的電動汽車CO2熱泵系統(tǒng)實驗臺，在典型車輛工況下，開展了OCR對熱泵系統(tǒng)性能影響的實驗研究，得到結(jié)論如下：

1）對于表征壓縮機運行特性和性能參數(shù)的排氣溫度、吸氣密度、容積效率及等熵效率而言，制冷工況下，OCR范圍在1.17%～3.83%內(nèi)時，以上參數(shù)受OCR變化的影響較小，當(dāng)OCR增至5.26%時，由于潤滑油冷卻作用的增強，壓縮機排氣溫度相比于OCR為1.17%時降低3.4 ℃，等熵效率和容積效率分別提高13.6%和5.6%。對于制熱工況，壓縮機運行狀態(tài)隨OCR的變化更為敏感，當(dāng)OCR由1.51%增至6.68%時，容積效率和等熵效率分別增加7.2%和15.7%，當(dāng)OCR低至1.51%時，壓縮機排氣溫度達到155.5 ℃。

2）相比于高溫段的氣冷器，處于低溫狀態(tài)的蒸發(fā)器的流阻和換熱比受OCR變化的影響更大。潤滑油和制冷劑混合物流經(jīng)HVAC內(nèi)部雙換熱器的流阻仍僅為室外側(cè)蒸發(fā)器流阻的28%。低OCR范圍，潤滑油對換熱器換熱影響是黏度起主導(dǎo)作用，高OCR范圍時則是混合物中潤滑油的濃度起主導(dǎo)作用。

3）對于本文測試工況，制冷模式系統(tǒng)最佳COP對應(yīng)的OCR為3.83%，制熱模式最佳制熱COP對應(yīng)的OCR為3.59%，該熱泵系統(tǒng)OCR在4%附近時具有較佳的綜合性能。