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電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)室外換熱器結(jié)霜特性實驗研究

2020-08-09 23:20:56·  來源：上海理工大學能源與動力工程學院  作者：包佳倩 蘇林 劉明康 方奕棟 李康  
　
摘要：針對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季運行時室外換熱器易結(jié)霜而影響系統(tǒng)制熱性能的問題，本文設計搭建實驗系統(tǒng)并進行研究，分析了多流程微通道換熱器的結(jié)霜特性
摘要：針對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在冬季運行時室外換熱器易結(jié)霜而影響系統(tǒng)制熱性能的問題，本文設計搭建實驗系統(tǒng)并進行研究，分析了多流程微通道換熱器的結(jié)霜特性。實驗結(jié)果表明:室外換熱器表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間為聯(lián)動關系，各流道霜層分布呈不均勻狀態(tài)，換熱器內(nèi)兩相制冷劑密度不同且受重力影響，導致產(chǎn)生氣液相分離和在流道內(nèi)分布不均的狀況。另外，室外換熱器表面霜覆蓋率的增長會導致室外換熱器制冷劑側(cè)的溫度、壓縮機吸排氣壓力、制熱量等降低，引起導致壓縮機單位功耗增加，以環(huán)境溫度為0 ℃的數(shù)據(jù)為例，當霜覆蓋率達77．4%時，吸氣壓力、排氣壓力和制熱量的降幅分別為33．4%、12．1%和25．8%，單位功耗增幅為32．0%，導致系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性降低，使制熱量無法滿足乘員艙制熱需求。

能源危機和氣候變暖成為亟待解決的全球問題，使電動汽車替代燃油車成為主流趨勢，這對汽車空調(diào)提出了更高的要求[1]。電動汽車的電機余熱無法滿足冬季供熱需求，采用正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC，positive temperature coefficient)加熱成為常用的解決方案，但因消耗更多的電池動力而導致續(xù)航里程大幅削減，低溫環(huán)境下削減量甚至達50%以上[2-4]。研發(fā)更高效的汽車空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)成為學術界和產(chǎn)業(yè)界的共同方向，熱泵系統(tǒng)由于COP 大于1 成為可行的替代方案。S．Bellocchi 等[5]研究表明，不同的環(huán)境溫度下用熱泵替代PTC 可節(jié)約17%～52%的能耗。但熱泵系統(tǒng)的應用也存在一些問題，在制熱模式下運行時，室外換熱器作為蒸發(fā)器，扁管中的制冷劑溫度低于0 ℃，又因鋁的熱阻較小，熱傳導后，扁管表面溫度降至水蒸氣的露點和冰點溫度以下而結(jié)霜。

國內(nèi)外很多學者研究了熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜問題。在結(jié)霜機理方面，李景善等[8-9]對空氣源熱泵室外換熱器表面霜層生長特性及系統(tǒng)動態(tài)性能進行了實驗研究，結(jié)果表明:系統(tǒng)性能惡化是室外換熱器表面溫度下降、霜層厚度的增加和空氣流阻增加導致風量降低這3 個因素之間循環(huán)作用的結(jié)果，而且迎面風速對平均霜密度有重要影響。還有學者研究了換熱器類型對結(jié)霜的影響及換熱器內(nèi)制冷劑流動分布對系統(tǒng)性能的影響。Xu Bo 等[10]研究了水平和豎直扁管型兩種微通道換熱器的循環(huán)結(jié)霜和除霜的性能和機理，發(fā)現(xiàn)對于水平扁管型微通道換熱器，其循環(huán)結(jié)霜和除霜過程所積存在翅片間的水會加快結(jié)霜速率并提前觸發(fā)除霜動作，而豎直扁管型微通道換熱器則具有更好的排水能力，參數(shù)穩(wěn)定性較好。L．Feng 等[11]建立了一套熱泵系統(tǒng)模型，包括壓縮機、儲液罐、微通道換熱器等部件的理論模型，仿真結(jié)果表明該模型在其他工況下與實驗結(jié)果的一致性較好，但在制熱模式下存在功耗和制熱量高于實驗值的問題，這主要是由實測時室外換熱器中制冷劑流動分布不均勻?qū)е?。為緩解結(jié)霜問題，J．S．Byun 等[12]設計了一種從壓縮機排氣管引一條支路通向室外換熱器進口的熱泵系統(tǒng)來減緩室外換熱器表面霜層的生長和擴散，發(fā)現(xiàn)在支路制冷劑流量占總流量20%時性能最佳，但在此過程中，室外換熱器中制冷劑流量的增加會導致熱泵運行的瞬態(tài)波動。在制熱模式運行時室外換熱器表面霜層生長分布特性及結(jié)霜對系統(tǒng)主要參數(shù)的影響。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

上述研究主要集中于空氣源熱泵系統(tǒng)的結(jié)霜機理、換熱器類型或系統(tǒng)設計對結(jié)霜速率的影響，而汽車空調(diào)系統(tǒng)的室外換熱器流道設計對結(jié)霜的影響以及結(jié)霜對系統(tǒng)的影響研究較少，因此本文設計并搭建了某款電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實驗臺架，研究系統(tǒng)

實驗在汽車空調(diào)焓差室中進行，熱泵系統(tǒng)所充注制冷劑為R134a。實驗裝置和測試系統(tǒng)如圖1所示。焓差室由內(nèi)外側(cè)兩個環(huán)境室構(gòu)成，通過獨立安裝的空氣處理裝置控制環(huán)境室內(nèi)空氣的溫度、濕度和風量維持在設定值。受焓差室能力限制，外環(huán)境室的相對濕度無法達到實驗所需的值，故本實驗中采用獨立加濕器輔助加濕。

熱泵系統(tǒng)由壓縮機、室外換熱器、室內(nèi)冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、儲液罐等組成，其中電子膨脹閥和熱力膨脹閥均帶有截止功能，系統(tǒng)通過電磁閥切換制熱和制冷模式，本實驗所用制熱模式的相關組件參數(shù)如表1所示。圖1 中黑色細線表示無制冷劑流動，制熱模式下室內(nèi)蒸發(fā)器不起作用，內(nèi)環(huán)境室風道的室內(nèi)蒸發(fā)器側(cè)模式風門關閉、室內(nèi)冷凝器側(cè)模式風門開啟，電磁閥1 關閉、電磁閥2 開啟。

圖1 實驗裝置及測試系統(tǒng)(制熱模式)
Fig.1 Experimental device and test system(in heating mode)

壓縮機、室外換熱器、室內(nèi)冷凝器的制冷劑側(cè)進出口布置有Pt100 鉑電阻和壓力傳感器來測量制冷劑的溫度和壓力，采用科氏質(zhì)量流量計測量制冷劑質(zhì)量流量，采用功率計測量壓縮機功耗。為測量制熱運行時室外換熱器表面各區(qū)域的溫度變化和分布情況，在迎風面距扁管端面2 mm 處布置了12 個K 型熱電偶，具體位置如圖2所示。從左至右標記為第一至第四流程，每個流程靠近中軸的上中下3 個位置分別布置3 個溫度測點。測量精度見表2，實驗中所有數(shù)據(jù)由自編軟件讀取并儲存，取樣時間間隔設置為6 s。

表1 熱泵系統(tǒng)參數(shù)
Tab.1 Specifications of heat pump system
 
圖2 室外換熱器結(jié)構(gòu)及測點布置
Fig.2 Structure of outdoor heat exchanger and layout of measuring points

表2 主要參數(shù)測量精度
Tab.2 Main measured parameters and the precision
 
另外，經(jīng)手持溫濕度測量儀的測試，實驗中室外換熱器迎風表面相對濕度能維持在80%～85%，相對濕度誤差的來源為:因獨立加濕器產(chǎn)生的誤差5%，以及手持溫濕度計的儀器誤差±3%。采用R．J．Moffat[13]提出的誤差傳遞方法進行分析，上述兩個誤差分量相互獨立，故按均勻分布考慮，相對濕度的總體誤差為5．8%。

1.2 實驗方法

此熱泵系統(tǒng)制冷劑充注量為650 g。Qu Xiaohua等[14]研究表明，蒸發(fā)器易在高濕、非極低環(huán)境溫度、高換熱量和低風速下結(jié)霜。因此選取如表3所示的實驗工況，其中由于室外側(cè)采用獨立加濕器輔助加濕，故雖為全新風工況，但室內(nèi)側(cè)的相對濕度不同于室外側(cè)，與實車運行時有所區(qū)別。實驗中每隔5 min拍照記錄結(jié)霜現(xiàn)象。

表3 實驗工況
Tab.3 Test conditions
 
為定性分析室外換熱器表面霜層覆蓋率對熱泵系統(tǒng)性能和各相關參數(shù)的影響，用ImageJ 軟件(版本1．52a)對實驗中所拍攝的室外換熱器結(jié)霜過程圖片進行處理。ImageJ 是一款科學圖像分析工具，除可計算選定區(qū)域內(nèi)分析對象的幾何特征外，還可進行圖片的區(qū)域和像素統(tǒng)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化[15]。ImageJ通過閾值法將原始圖片轉(zhuǎn)換成灰度模式，進而轉(zhuǎn)化成二值圖像。閾值法可對不同屬性的像素進行劃分，引入一個二值圖像函數(shù)f(x，y)，若像素點灰度值高于設定的灰度閾值T，則記為最大灰度值Tmax，否則，記為最小灰度值Tmin[10，16]。函數(shù)如下:
 
此處理方法能使霜層有效地獨立于背景，但灰度閾值的選擇對于霜覆蓋率的計算有較重要的影響。由于本實驗采取定性分析法，故通過對一組實驗的結(jié)霜過程圖片進行預處理，最終選定一個合適的灰度閾值，并應用于所有圖片的處理。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 霜層生長模式及霜量表征

圖3所示為此熱泵系統(tǒng)在制熱模式下運行時，外環(huán)境溫度為0 ℃和3 ℃時，室外換熱器表面的霜層生長照片，集液管水平放置，制冷劑上進上出。另外，為凸顯霜層生長與換熱器流程分布的關系，在其中兩張照片上框示出了換熱器的4 個流程，箭頭方向為制冷劑流向。由于環(huán)境溫度0、3、5 ℃下室外換熱器處進風均為高濕度，故環(huán)境溫度越低霜層生長越快，最終的霜覆蓋率也越高，但是霜層生長模式呈現(xiàn)相同的規(guī)律。

圖3 室外換熱器表面霜層生長照片
Fig.3 Photos of frost growth on surface of outdoor heat exchanger

第一流程霜層均勻分布，因液態(tài)制冷劑占比較高、流程扁管數(shù)較少，且扁管和集液管內(nèi)流阻所產(chǎn)生的壓降最低、整體流速最高，氣態(tài)和液態(tài)制冷劑不易分離。進入第二流程時，右半流道先結(jié)霜，因為在下方集液管中氣液分層，氣態(tài)制冷劑密度較小，更易上升進入垂直扁管，所以氣態(tài)制冷劑主要集中在左半流道，使得該區(qū)域幾乎沒有制冷劑蒸發(fā)吸熱，直觀表現(xiàn)為前期表面無霜層生長。進入第三流程時，左半流道先結(jié)霜，這是由于氣態(tài)制冷劑與液態(tài)制冷劑相比有更高的流速，液態(tài)制冷劑在重力的作用下更易進入靠近入口的扁管，使得氣液分離[17]。進入第四流程時的現(xiàn)象和原因與第二流程相同，但無霜層生長的區(qū)域面積率更大，因為第四流程扁管數(shù)更多，且此時為制冷劑在室外換熱器中蒸發(fā)吸熱的最后階段，氣態(tài)制冷劑占比較液態(tài)制冷劑高。另外，在制熱運行后期，換熱器表面原來無霜層生長部分也均逐漸由外邊緣至內(nèi)部覆蓋霜層。原因是由于扁管的導熱作用使得冷量逐漸由結(jié)霜區(qū)域向未結(jié)霜區(qū)域傳遞，同時霜層覆蓋區(qū)域翅片空隙被堵，制冷劑在換熱器中換熱不足，導致液態(tài)制冷劑占比提高而結(jié)霜區(qū)域擴大。J．Benouali等[18]對四流程的豎直扁管型微通道換熱器中制冷劑的流動分布進行了實驗研究，制冷劑同樣為上進上出，據(jù)紅外熱像圖顯示的兩相制冷劑分布與本實驗的現(xiàn)象及解釋具有一致性。

圖4所示為環(huán)境溫度0 ℃下室外換熱器迎風表面12 個測點的溫度變化趨勢，系統(tǒng)運行5 min 時各測點溫度已低于0 ℃。測點1～9 的溫度從10 min 開始進入快速下降階段，直至25 min 后趨勢減緩，此過程中各測點所在區(qū)域的霜層從較薄狀態(tài)逐漸長至較厚狀態(tài)。而測點10～12 的溫度在起始35 min 內(nèi)基本維持在-2 ℃，從35 min 才開始快速下降且速率大于測點1～9，直至40 min 時所在流道被薄霜覆蓋，此后降溫速度放緩、霜層增厚。上述現(xiàn)象反映了室外換熱器表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間的聯(lián)動關系，即表面溫度下降為霜層生長提供條件，而霜層的生長又加劇了表面溫度的下降。

圖4 環(huán)境溫度0 ℃時室外換熱器迎風表面測點溫度隨時間變化
Fig.4 Variations of temperature at measured points on windward surface of outdoor heat exchanger in ambient temperature of 0 ℃with time

換熱器表面溫度分布反映了扁管內(nèi)制冷劑溫度分布。以20 min 時各點溫度為例，對各流程3 個溫度點取平均值，第一流程至第四流程的平均溫度值分別為-12．7、-8．8、-11．7、-2．3 ℃，最大溫度差值達10．4 ℃，因為流動過程中氣態(tài)和液態(tài)制冷劑分離，且氣態(tài)制冷劑處于過熱態(tài)，溫度高于蒸發(fā)溫度。這表明室外換熱器存在兩相制冷劑流動分布不均的問題，且由于氣態(tài)制冷劑與空氣之間的傳熱溫差小、傳熱效率低，氣態(tài)制冷劑所在區(qū)域的面積未得到充分利用，使得換熱器的換熱能力降低。

圖5所示為各溫度下霜覆蓋率隨系統(tǒng)運行時長的變化趨勢。霜覆蓋率定義為霜層覆蓋面積和室外換熱器面積的比值，其值由ImageJ 處理得出。

圖5 霜覆蓋率變化
Fig.5 Change of frost coverage rate

由圖5 可知，霜覆蓋率均呈增長狀態(tài)，環(huán)境溫度越低則霜生長速度越快。系統(tǒng)在0 ℃、3 ℃環(huán)境溫度下定時運轉(zhuǎn)50 min，前者霜覆蓋率已接近100%，而后者不足80%，5 ℃環(huán)境溫度下尚不足50%，霜分布特征及對系統(tǒng)參數(shù)的影響還不明顯，故持續(xù)運轉(zhuǎn)至130 min。若以環(huán)境溫度3 ℃下77．4%的霜覆蓋率為基準，各溫度下霜覆蓋率達到該程度的時長分別為25、50、100 min，此后將對比各環(huán)境溫度下系統(tǒng)從啟動到運行至以上時長的部分參數(shù)變化趨勢。

2.2 結(jié)霜對室外換熱器制冷劑側(cè)參數(shù)的影響

圖6所示為室外換熱器制冷劑側(cè)進出口溫度隨時間的變化趨勢。由圖6 可知，各環(huán)境溫度下進出口溫度均呈下降趨勢，且環(huán)境溫度越低則下降速率越快。進出口溫度呈下降趨勢是因霜層的生長引起空氣側(cè)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和導熱系數(shù)降低，使得流經(jīng)換熱器的制冷劑吸熱量減少，蒸發(fā)溫度降低，即制冷劑側(cè)進出口溫度降低。而環(huán)境溫度越低下降速率越快，則是因環(huán)境溫度越低，蒸發(fā)溫度越低，故換熱器表面的溫度越低、霜層越易于生長，而霜層生長又促進了蒸發(fā)溫度的進一步降低。

圖6 室外換熱器制冷劑側(cè)進出口溫度變化
Fig.6 Change of inlet and outlet temperature of outdoor heat exchanger in refrigerant side

另外，環(huán)境溫度3 ℃和5 ℃下制冷劑側(cè)的溫度較為接近，而環(huán)境溫度0 ℃和3 ℃下的則相差較大。以各環(huán)境溫度下的初始狀態(tài)點的進口處制冷劑溫度進行對比，環(huán)境溫度3 ℃時比5 ℃時低1．5 ℃，而環(huán)境溫度0 ℃時比3 ℃低4．3 ℃，環(huán)境溫度下降1 ℃引起的制冷劑側(cè)溫度下降量分別為0．75 ℃和1．43 ℃?？芍?，環(huán)境溫度影響室外換熱器制冷劑側(cè)的溫度，且環(huán)境溫度越低，同等環(huán)境溫度下降量引起的制冷劑側(cè)溫度下降量越大。

2.3 結(jié)霜對壓縮機參數(shù)及制熱量的影響

圖7所示為壓縮機的吸排氣壓力隨時間的變化趨勢。由圖7 可知，各環(huán)境溫度下壓縮機吸排氣壓力均呈下降趨勢。環(huán)境溫度0、3、5 ℃下初始狀態(tài)的吸氣壓力分別為0．13、0．18、0．19 MPa，至霜覆蓋率達77．4%時的下降量均為0．06 MPa，降幅分別為33．4%、24．0%、24．7%，而排氣壓力降幅為12．1%、12．0%、13．0%。

圖7 壓縮機吸、排氣壓力變化
Fig.7 Change of suction and discharge pressure of compressor

吸氣壓力降低是因其受室外換熱器出口處制冷劑壓力的影響，而室外換熱器出口處制冷劑壓力又隨霜覆蓋率的提高而降低。排氣壓力降低是因壓縮機定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)而能力有限導致，其值降低意味著系統(tǒng)的冷凝溫度降低，同時，由于壓縮機吸氣密度降低，制冷劑質(zhì)量流量也呈降低趨勢。

圖8所示為制熱量及壓縮機單位功耗隨時間的變化趨勢，環(huán)境溫度0、3、5 ℃下，制熱量在起始階段均呈平穩(wěn)或略微增長趨勢，而后均呈下降趨勢，降幅分別為25．8%、20．7%、20．5%；環(huán)境溫度對制熱量有較大影響，以過程中各環(huán)境溫度對應的最大制熱量為例，分別為2．4、3．1、3．3 kW。壓縮機單位功耗則呈增長趨勢，漲幅分別為32．0%、28．5%、20．9%，因室外換熱器結(jié)霜過程中壓比增長，壓縮機運行偏離高效狀態(tài)，這里采用單位功耗表征壓縮機的運轉(zhuǎn)效率是為了排除制冷劑質(zhì)量流量降低對功耗的影響。綜上所述，室外換熱器結(jié)霜會導致系統(tǒng)能效降低，制熱量無法滿足制熱負荷要求。

圖8 制熱量及壓縮機單位功耗變化
Fig.8 Change of heating capacity and unit power consumption of compressor

3 結(jié)論

本文搭建了熱泵型電動汽車空調(diào)系統(tǒng)實驗臺，研究了熱泵系統(tǒng)在制熱模式運行時，室外換熱器的霜層生長分布特性及結(jié)霜對系統(tǒng)重要參數(shù)的影響，得出結(jié)論如下:

1)在實驗所測試的工況下，環(huán)境溫度越低霜層生長越快，最終的霜覆蓋率也越高，但霜層生長模式呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即各流道霜層分布呈不均勻狀態(tài)，原因為其內(nèi)兩相制冷劑密度不同且受重力影響，導致產(chǎn)生氣液相分離、在流道內(nèi)分布不均的狀況。

2)室外換熱器結(jié)霜會導致室外換熱器制冷劑側(cè)溫度降低，其表面霜層生長和表面溫度下降兩個因素之間為聯(lián)動關系，即表面溫度下降為霜層生長提供條件，而霜層的生長又加劇了表面溫度的下降。

3)室外換熱器結(jié)霜會導致壓縮機的吸排氣壓力和系統(tǒng)制熱量降低，從而導致壓縮機單位功耗增長。在本實驗工況下，當霜覆蓋率達77．4%時，環(huán)境溫度0、3、5 ℃下的吸排氣壓力降幅分別為33．4%和12．1%、24．0%和12．0%、24．7%和13．0%，制熱量降幅分別為25．8%、20．7%、20．5%，而壓縮機單位功耗增幅分別為32．0%、28．5%、20．9%，即環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)各參數(shù)及性能受結(jié)霜影響越大。其中，吸氣壓力的大幅降低會極大影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
 
 
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