李海軍,秦興鐸,蘇之勇
(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450007)
符號(hào)說(shuō)明:
mo——蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;
m′——補(bǔ)入壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;
mr——系統(tǒng)冷凝器側(cè)制冷劑質(zhì)量流量,kg/s;
h1——蒸發(fā)器出口制冷劑焓值,kJ/kg;
h2——制冷劑排除壓縮機(jī)的焓值,kJ/kg;
h3——冷凝器出口制冷劑焓值,kJ/kg;
h4——補(bǔ)路制冷劑流入經(jīng)濟(jì)器入口處?kù)手?,kJ/kg;
h5——主路制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器焓值,kJ/kg;
h7——壓縮機(jī)補(bǔ)氣口處制冷劑焓值,kJ/kg;
h8——壓縮到中間壓力制冷劑焓值,kJ/kg;
W——系統(tǒng)壓縮機(jī)功率,kW;
Qh——系統(tǒng)冷凝器側(cè)換熱量,kW;
Qc——系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)換熱量,kW;
Q′——系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)器側(cè)換熱量,kW;
Q——補(bǔ)氣系統(tǒng)增加制冷量,kW;
Q′1——單級(jí)壓縮系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)制冷量,kW;
COPc——系統(tǒng)制冷系數(shù)。
普通電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏季高溫環(huán)境中制冷時(shí),會(huì)出現(xiàn)排氣溫度過(guò)高,造成系統(tǒng)制冷性能衰減及縮短壓縮機(jī)使用年限的嚴(yán)重后果[1-8]。以上問(wèn)題已成為當(dāng)前制約純電動(dòng)汽車(chē)推廣和應(yīng)用的關(guān)鍵因素[9]。針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)的以上問(wèn)題,相關(guān)行業(yè)的研究者展開(kāi)了大量的研究工作[10-12],目前已有的實(shí)用性較成熟的熱泵空調(diào)系統(tǒng)為準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)熱泵系統(tǒng)[13-16]。該系統(tǒng)的核心是應(yīng)用補(bǔ)氣回路技術(shù),使系統(tǒng)在降低壓縮機(jī)對(duì)制冷劑所消耗功同時(shí),還可以增加制冷劑的過(guò)冷度,利于改善系統(tǒng)制冷等性能。董彬等[17]搭建了準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)應(yīng)用模型,研究了以R22為循環(huán)工質(zhì)的熱泵系統(tǒng)在降低系統(tǒng)排氣溫度方面的優(yōu)勢(shì)及在系統(tǒng)性能上的良好改進(jìn)。楊興林等[18]建立了以經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣的準(zhǔn)二級(jí)壓縮循環(huán)分析模型,并使用Refprop軟件確定所使用制冷劑的物性參數(shù),研究了在高溫環(huán)境下系統(tǒng)的性能特性。柴玉鵬等[19]搭建了帶閃蒸氣的R134a準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),研究了準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)在提升系統(tǒng)各項(xiàng)性能方面的優(yōu)越性。YAN等[20]以準(zhǔn)二級(jí)蒸汽壓縮系統(tǒng)為研究對(duì)象,試驗(yàn)研究了系統(tǒng)在使用不同制冷劑時(shí)系統(tǒng)性能的改善程度。唐景春等[21]以純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象,在系統(tǒng)中應(yīng)用補(bǔ)氣增焓技術(shù),進(jìn)一步確定了準(zhǔn)雙級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的各項(xiàng)性能得到提高。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)中的熱泵空調(diào)系統(tǒng)采用補(bǔ)氣技術(shù)的研究還相對(duì)較少,且純電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)中使用的制冷劑大多以R134a為主。本文立足于熱泵空調(diào)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種采用中壓補(bǔ)氣技術(shù)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮型電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng),系統(tǒng)以R407C為制冷劑,并搭建了試驗(yàn)臺(tái)。此外,系統(tǒng)中車(chē)內(nèi)、外換熱器均以微通道平行流換熱器為主。針對(duì)普通電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在夏季高溫環(huán)境中制冷時(shí),排氣溫度過(guò)高,影響系統(tǒng)制冷性能的問(wèn)題,通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)焓差實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試不同外界環(huán)境溫度及改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速情況下系統(tǒng)的制冷性能,并與普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。為優(yōu)化設(shè)計(jì)研究熱泵空調(diào)系統(tǒng)提供試驗(yàn)依據(jù)。
試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1所示。其制冷工作原理是:制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮后,以高溫高壓氣態(tài)形式經(jīng)四通換向閥流入車(chē)外換熱器,將熱量釋放到環(huán)境中達(dá)到冷凝,隨后經(jīng)干燥器干燥后流入經(jīng)濟(jì)器內(nèi),經(jīng)濟(jì)器作為一個(gè)中間換熱器,把系統(tǒng)分為補(bǔ)路和主路兩個(gè)循環(huán),其可利用補(bǔ)路冷劑蒸發(fā)吸熱效果,進(jìn)一步對(duì)主路制冷劑進(jìn)行過(guò)冷。從主路循環(huán)的制冷劑經(jīng)主路膨脹閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流冷卻,隨后變?yōu)橐簯B(tài)流入車(chē)內(nèi)熱交換器蒸發(fā)吸收車(chē)內(nèi)熱量,以達(dá)到向車(chē)內(nèi)制冷的目的;而補(bǔ)路循環(huán)的制冷劑同樣先經(jīng)膨脹閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流冷卻,與主路循環(huán)不同的是,進(jìn)行節(jié)流冷卻后的補(bǔ)路制冷劑則是回流入經(jīng)濟(jì)器內(nèi)對(duì)主路制冷劑進(jìn)行過(guò)冷,從而增加系統(tǒng)制冷量,隨后兩路循環(huán)的制冷劑在壓縮機(jī)補(bǔ)氣口處進(jìn)行混合共同流入壓縮機(jī)進(jìn)行循環(huán)制冷。
圖1 準(zhǔn)二級(jí)壓縮型電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)Fig.1 Quasi-two-stage compression type electric vehicle heat pump air conditioning system
準(zhǔn)二級(jí)壓縮理論循環(huán)如圖2所示,制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)絕熱壓縮后(狀態(tài)2′),流入冷凝器進(jìn)行冷凝(狀態(tài)2′~狀態(tài)3),隨后在經(jīng)濟(jì)器內(nèi)過(guò)冷凝到狀態(tài)3′后分為兩路進(jìn)行循環(huán),從主路循環(huán)的制冷劑首先在節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流冷卻到狀態(tài)5,后以液態(tài)形式流入蒸發(fā)器蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)制冷劑(狀態(tài)1),再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到狀態(tài)8;而補(bǔ)路循環(huán)的制冷劑同樣首先在節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流冷卻(狀態(tài)4),再次流入經(jīng)濟(jì)器通過(guò)蒸發(fā)吸熱的效果達(dá)到飽和(狀態(tài)6)。兩路循環(huán)的制冷劑在壓縮機(jī)補(bǔ)氣口處混合后(狀態(tài)7),再次流入壓縮機(jī)進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。
圖2 準(zhǔn)二級(jí)壓縮理論循環(huán)Fig.2 Quasi-two-stage compression theory cycle
準(zhǔn)二級(jí)壓縮理論循環(huán)計(jì)算式為:
系統(tǒng)蒸發(fā)器側(cè)制冷量:
系統(tǒng)壓縮機(jī)耗功:
系統(tǒng)冷凝器側(cè)換熱量:
系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)器換熱量:
熱泵系統(tǒng)制冷系數(shù):
補(bǔ)入壓縮機(jī)制冷劑質(zhì)量流量:
準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)增加制冷量:
根據(jù)帶經(jīng)濟(jì)器的電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)二級(jí)壓縮理論循環(huán)技術(shù)搭建試驗(yàn)臺(tái),為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,本次測(cè)試在規(guī)范的焓差實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,焓差實(shí)驗(yàn)室的模擬測(cè)試能力范圍為2~45 kW,且可模擬不同的室內(nèi)室外干濕球溫度,室內(nèi)模擬能力范圍為-30~50 ℃,室外模擬能力范圍為-30~60 ℃,可滿足本次試驗(yàn)車(chē)外環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)制冷性能的測(cè)試范圍。試驗(yàn)主要設(shè)備與測(cè)量裝備見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)主要設(shè)備與測(cè)量裝備Tab.1 Test main equipment and measurement equipment
依照QC-T656-2000《汽車(chē)空調(diào)制冷裝置性能要求》搭建試驗(yàn)臺(tái),并按照QC-T657—2000《汽車(chē)空調(diào)制冷裝置實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)測(cè)試工況見(jiàn)表2。試驗(yàn)首先測(cè)試了在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)外界環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)制冷性能影響;然后在外界干球溫度為35.0 ℃、濕球溫度為27.5 ℃工況下,測(cè)試壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)制冷性能影響。
表2 試驗(yàn)測(cè)試工況Tab.2 Experimental test conditions
圖3示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)外界環(huán)境溫度變化引起壓縮機(jī)排氣溫度變化曲線。由圖中可看出,壓縮機(jī)排氣溫度隨著外界環(huán)境溫度的升高而升高,但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度低于單級(jí)壓縮系統(tǒng)。外界環(huán)境溫度從25 ℃上升到45 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度較單級(jí)壓縮系統(tǒng)降低了9.96%~18.64%。由于環(huán)境溫度的升高使系統(tǒng)冷凝溫度也逐漸升高,所以壓縮機(jī)排氣溫度升高;但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)氣技術(shù),利用補(bǔ)路蒸發(fā)到飽和狀態(tài)的制冷劑降低了主路被壓縮到中間狀態(tài)的未飽和氣體制冷劑溫度,因此系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度較低。
圖4示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)制冷量隨著外界環(huán)境溫度變化曲線。
圖4 系統(tǒng)制冷量隨外界環(huán)境溫度的變化Fig.4 Variation of system cooling capacity with external ambient temperature
由圖中可看出,制冷時(shí)在外界環(huán)境溫度升高的工況下,系統(tǒng)制冷量逐漸降低;但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷量比單級(jí)壓縮系統(tǒng)高。外界環(huán)境溫度從25 ℃上升到45 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)同比單級(jí)壓縮系統(tǒng),制冷量提高了8.91%~12.97%。由于隨著外界環(huán)境溫度的升高,系統(tǒng)冷凝溫度和蒸發(fā)溫度相應(yīng)升高,但冷凝溫度升高幅度高于蒸發(fā)溫度,致使壓縮機(jī)壓比逐漸增加,此時(shí)壓縮機(jī)的吸氣質(zhì)量流量降低,因此系統(tǒng)制冷量隨之減??;相比單級(jí)壓縮系統(tǒng),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)通過(guò)中間經(jīng)濟(jì)器的作用,將冷凝后的主路制冷劑進(jìn)一步過(guò)冷,降低了系統(tǒng)冷凝溫度,壓縮機(jī)壓比相應(yīng)降低,此時(shí)壓縮機(jī)的吸氣質(zhì)量流量得到升高,因此,準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷量高于單級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷量。
圖5示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)外界環(huán)境溫度變化引起系統(tǒng)壓縮機(jī)功率變化曲線。
圖5 系統(tǒng)壓縮機(jī)功率隨外界環(huán)境溫度變化Fig.5 Variation of system compressor power with external ambient temperature
由圖中可看出,制冷時(shí)在外界環(huán)境溫度升高的工況下,系統(tǒng)壓縮機(jī)功率出現(xiàn)增高趨勢(shì);且準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率比單級(jí)壓縮系統(tǒng)高。在標(biāo)準(zhǔn)制冷外界環(huán)境溫度為30 ℃和高溫制冷外界環(huán)境溫度為40 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率較單級(jí)壓縮系統(tǒng)分別提高了4.92%,5.40%;由于隨著環(huán)境溫度的升高,壓縮機(jī)壓比逐漸增加,所以壓縮機(jī)功率隨之增高;但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)通過(guò)補(bǔ)氣技術(shù),使流進(jìn)壓縮機(jī)的制冷劑流量進(jìn)一步增加,因此壓縮機(jī)功率顯著增高。
圖6示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)外界環(huán)境溫度變化引起系統(tǒng)COPc變化曲線。由圖中可看出,制冷時(shí)系統(tǒng)COPc隨著外界環(huán)境溫度的升高而降低,但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)COPc比單級(jí)壓縮系統(tǒng)高。在標(biāo)準(zhǔn)制冷外界環(huán)境溫度為30 ℃和高溫制冷外界環(huán)境溫度為40 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)COPc與單級(jí)壓縮系統(tǒng)COPc相比,分別提高了7.94%,6.13%。由于相比單級(jí)壓縮系統(tǒng),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)補(bǔ)路制冷劑雖然增加了一部分壓縮機(jī)耗功,但系統(tǒng)制冷量增加幅度更大,因此系統(tǒng)的制冷COPc得到升高。
圖6 系統(tǒng)COPc隨外界環(huán)境溫度的變化Fig.6 Variation of system COPc with external ambient temperature
圖7示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線。由圖中可看出,隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高壓縮機(jī)排氣溫度逐漸增高,但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度較低。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000,4 000,6 000 r/min試驗(yàn)工況時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度較單級(jí)壓縮系統(tǒng)分別降低了14.71%,10.03%,18.87%。由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高使其運(yùn)行效率得到提升,所以排氣溫度不斷增高;但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)內(nèi)循環(huán)的制冷劑一部分來(lái)自低溫經(jīng)濟(jì)器補(bǔ)氣,此時(shí)與單級(jí)壓縮系統(tǒng)相比,壓縮機(jī)入口處制冷劑溫度更低,因此排氣溫度得到一定的降低。
圖7 壓縮機(jī)排氣溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.7 Variation of compressor exhaust temperature with compressor speed
圖8示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速引起系統(tǒng)制冷量變化曲線。由圖中可看出,在提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的工況下,系統(tǒng)在制冷時(shí)制冷量出現(xiàn)增高趨勢(shì),且準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷量較高。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí),單級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷量為17.45 kW,而準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)制冷量為19.37 kW,同比升高了11.01%。由于壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)也增加了進(jìn)入系統(tǒng)的制冷劑流量,所以系統(tǒng)制冷量增高,但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)可將補(bǔ)路中制冷劑回流到經(jīng)濟(jì)器內(nèi),通過(guò)與主路制冷劑換熱的作用,降低主路制冷劑流入蒸發(fā)器內(nèi)的溫度,因此相比單級(jí)壓縮系統(tǒng),系統(tǒng)制冷量得到增加。
圖8 系統(tǒng)制冷量隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.8 Variation of system cooling capacity with compressor speed
圖9示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速引起系統(tǒng)壓縮機(jī)功率變化曲線。
圖9 系統(tǒng)功率隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.9 Variation of system power with compressor speed
由圖中可看出,制冷時(shí)在提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的工況下,系統(tǒng)壓縮機(jī)功率出現(xiàn)增高趨勢(shì),且準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率明顯高出單級(jí)壓縮系統(tǒng)。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min提高到6 000 r/min時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率較單級(jí)壓縮系統(tǒng)提高了2.06%~6.24%。由于相比單級(jí)壓縮系統(tǒng),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)可以通過(guò)補(bǔ)路循環(huán),在壓縮機(jī)的中間補(bǔ)氣口補(bǔ)入制冷劑,因此壓縮機(jī)功率得到增高。
圖10示出試驗(yàn)測(cè)試時(shí)提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速引起系統(tǒng)COPc變化曲線。由圖可看出,制冷時(shí)在提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的工況下,系統(tǒng)COPc出現(xiàn)降低趨勢(shì),但準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)COPc高于單級(jí)壓縮系統(tǒng)。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 000,5 000,6 000 r/min的試驗(yàn)工況時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)COPc與單級(jí)壓縮系統(tǒng)相比分別提高了2.35%,3.92%,6.51%。由于相比較單級(jí)壓縮系統(tǒng),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)利用補(bǔ)氣技術(shù),使系統(tǒng)在消耗相同壓縮機(jī)功的情況下產(chǎn)生了更多的冷量,因此系統(tǒng)制冷COPc得到增加。
圖10 COPc隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化Fig.10 Variation of COPc with compressor speed
(1)外界環(huán)境溫度從25 ℃上升到45 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)同比單級(jí)壓縮系統(tǒng),壓縮機(jī)排氣溫度降低了9.96%~18.64%,制冷量提高了8.91%~12.97%。說(shuō)明采用補(bǔ)氣技術(shù)后系統(tǒng)在壓縮機(jī)排氣溫度方面得到改善,且制冷量實(shí)現(xiàn)了提高。
(2)外界環(huán)境溫度從25 ℃上升到45 ℃時(shí),系統(tǒng)壓縮機(jī)功率出現(xiàn)增高趨勢(shì),而系統(tǒng)COPc不斷下降。在標(biāo)準(zhǔn)制冷外界環(huán)境溫度為30 ℃和高溫制冷外界環(huán)境溫度為40 ℃時(shí),準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率較單級(jí)壓縮系統(tǒng)分別提高了4.92%,5.40%;系統(tǒng)COPc分別提高了7.94%,6.13%。
(3)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min提高到6 000 r/min時(shí),系統(tǒng)制冷時(shí)壓縮機(jī)排氣溫度和制冷量都逐漸增高。但準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣溫度相比于單級(jí)壓縮系統(tǒng)降低了10.03%~20.23%;制冷量相比于單級(jí)壓縮系統(tǒng)提高了6.01%~12.31%。
(4)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min提高到6 000 r/min時(shí),使用補(bǔ)氣技術(shù)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮系統(tǒng)壓縮機(jī)功率、系統(tǒng)COPc相比于單級(jí)壓縮系統(tǒng)得到提高,系統(tǒng)壓縮機(jī)功率、系統(tǒng)COPc分別提高了2.06%~6.24%,0.63%~6.51%。