陳恩林,江斌,劉向農(nóng)等.熱氣旁通制冷系統(tǒng)的數(shù)值模型建立與分析[J].低溫與超導(dǎo),2017,45(04):72-77.

摘要: 

針對熱泵型電動汽車空調(diào)冬季除霜困難的問題，設(shè)計了一種帶熱氣旁通能量調(diào)節(jié)的空調(diào)系統(tǒng)。通過提供一個虛擬的熱負(fù)荷，改善了工質(zhì)低壓側(cè)工作狀態(tài)，從而達(dá)到除霜的目的。搭建系統(tǒng)進(jìn)行臺架實驗，基于實驗數(shù)據(jù)，建立了熱氣旁通制冷系統(tǒng)的數(shù)值模型。分析了旁通閥在不同開度下，車室內(nèi)換熱量、車室內(nèi)出風(fēng)溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)吸氣溫度的變化趨勢，并得出了當(dāng)旁通閥開度為 6 圈時，系統(tǒng)運行狀態(tài)最佳。

1 引言 

傳統(tǒng)燃油汽車有著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能源利用率低和排放物污染環(huán)境等問題，正逐漸被市場所淘汰。電動汽車具有低噪聲、零排放和節(jié)能等優(yōu)點，近年來得到了很大的發(fā)展［1］。但是電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，其原理和結(jié)構(gòu)不同，使得汽車空調(diào)系統(tǒng)也有很大的差異。特別是冬季制熱，傳統(tǒng)燃油汽車是通過發(fā)動機(jī)余熱對車室內(nèi)進(jìn)行供熱，而電動汽車是由電池提供能量來進(jìn)行制熱。

目前，純電動汽車冬季采暖多采用 PTC 電加熱的方式，它效率低、耗電量大、溫度不均勻、安全性差; 相對而言，熱泵空調(diào)系統(tǒng)能效比高、舒適性好。但環(huán)境溫度在 0—3℃ 且相對濕度較大的情況下，車室外換熱器表面結(jié)霜嚴(yán)重，會對換熱效率有很大的影響［2］。因而，越來越多的學(xué)者投入到純電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化及換熱器除霜的研究中來。

日本電裝公司［3］開發(fā)出一套 Ｒ134a 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)，采用 3 個換熱器的方式，可滿足制冷、制熱 和 除 霜、除 濕 的 功 能; Bullard［4］ 等 對CO2汽車熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，得出其熱泵的制熱能力更好; 謝卓［5］等對電動汽車熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及優(yōu)化分析; 文獻(xiàn)［6 － 7］分析比較了熱氣旁通除霜與四通閥換向除霜的差異; 文獻(xiàn)［8 － 9］采用了將壓縮機(jī)排出的高溫高壓氣體旁通到蒸發(fā)器入口的方式來除霜，結(jié)果表明這樣能夠高效、快速地除霜，并且室內(nèi)溫度波動不大; 黃朝宗［10］等設(shè)計了一種帶噴液冷卻的熱氣旁通制冷系統(tǒng)，改善了工質(zhì)低壓側(cè)工作狀態(tài)，且當(dāng)回氣溫度過高時，可通過噴液裝置來冷卻降溫。

隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，運用仿真技術(shù)能有效地預(yù)測系統(tǒng)運行狀態(tài)并進(jìn)行后期結(jié)構(gòu)和控制的優(yōu)化。張春路［11］提出了制冷系統(tǒng)及部件的建模思想; 黃虎［12］等建立了風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況下工作過程的動態(tài)仿真模型; 劉志強［13］等提出了風(fēng)冷熱泵熱氣除霜過程的動態(tài)特性模型，重點模擬了這一過程中霜層側(cè)的傳熱傳質(zhì)和制冷劑側(cè)壓力變化情況。

目前還沒有關(guān)于將高壓制冷劑直接旁通到壓縮機(jī)吸氣口的熱氣旁通數(shù)學(xué)模型，本文基于大量的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)各個部件之間的耦合特性，建立了穩(wěn)態(tài)的熱氣旁通除霜數(shù)值模型，并通過實驗數(shù)據(jù)對其進(jìn)行修正，使其更加符合實際運行狀態(tài)。

2 熱氣旁通除霜系統(tǒng)

冬季制熱時，當(dāng)環(huán)境溫度較低且濕度較大時，車室外換熱器表面容易結(jié)霜; 當(dāng)霜層達(dá)到一定厚度時，會嚴(yán)重降低換熱器的換熱效率進(jìn)而降低空調(diào)系統(tǒng)的能效比，而且還會導(dǎo)致壓縮機(jī)排氣溫度過高、耗功增大，所以需要及時將車室外換熱器的霜層除掉。家用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)常采用的是四通閥換向除霜，除霜時間長、室內(nèi)溫度波動大。汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的逆向除霜方式，會導(dǎo)致車室內(nèi)溫度降低，車窗起霧，嚴(yán)重影響行駛安全。因此，需要設(shè)計一款在除霜的同時，車室內(nèi)仍然可部分供熱的熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)。

該熱氣旁通除霜系統(tǒng)的原理是將壓縮機(jī)排出的一部分高溫高壓氣體經(jīng)旁通閥直接引回吸氣口; 另一部分氣體，仍流經(jīng)原來的系統(tǒng)回路，車室內(nèi)依然處于制熱模式，車窗不會結(jié)霧。兩個回路在壓縮機(jī)吸氣口處混合，提高了回氣壓力和溫度，改善了回氣狀態(tài)，達(dá)到除霜的目的。具體工作原理如圖 1 所示，制冷劑分為兩個回路，一個為正常制熱回路: 1 － 2 － 3 － 4 － 5 － 7 － 1; 另一個為熱氣旁通回路: 1 － 6 － 7 － 1，兩回路在點 7 處混合后進(jìn)入吸氣口壓縮。將熱氣旁通到壓縮機(jī)吸氣口的方法，相對于旁通到蒸發(fā)器入口的除霜效果稍差，但是可以有效降低旁通管路的復(fù)雜程度。當(dāng)熱氣旁通系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，其簡化理論循環(huán)壓焓圖如圖2 所示。

3 仿真模型的建立

系統(tǒng)的變化主要由旁通量引起，通過擬合吸排氣狀態(tài)與制冷系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量流量之間的關(guān)系，建立了壓縮機(jī)模型; 在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，修正了換熱器模型; 將熱氣旁通閥模型和熱力膨脹閥模型簡化為等焓節(jié)流過程; 制冷劑模型的建立參見文獻(xiàn)［11］。在建模過程中作如下假設(shè):

( 1) 空氣流動作準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理; 

( 2) 制冷劑為一維流動; 

( 3) 不計制冷劑流動中的勢能變化、阻力損失;

( 4) 不計連接管道的漏熱損失。

3． 1 仿真流程圖

仿真算法流程圖如圖 3 所示。

3． 2 壓縮機(jī)模型

3． 3 換熱器模型

換熱器模型參考文獻(xiàn)［14］，以制冷劑所處的狀態(tài)將換熱器劃分為: 單相區(qū)( 過熱區(qū)、過冷區(qū))和兩相區(qū)。在計算各個區(qū)域時，通過能量守能方程和流體傳熱方程，來耦合各個區(qū)域的長度和空氣出風(fēng)溫度，最終可求出制冷劑在換熱器的出口狀態(tài)。車室內(nèi)采用平行流換熱器，車室外采用管翅式換熱器。

3． 4 熱氣旁通閥模型

熱力膨脹閥［15］是能量調(diào)節(jié)的一種方式，通過旁通高壓制冷劑到系統(tǒng)的低壓側(cè)，給系統(tǒng)一個虛擬負(fù)荷，來保持系統(tǒng)能在給定的最低吸氣圧力下正常工作。利用制冷劑壓力和彈簧力的平衡原理來控制閥進(jìn)出口的壓力，具體結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

可將閥桿和閥芯簡化為一個質(zhì)點，由牛頓第二定律可得:

因此，出口壓力只與彈簧位移有關(guān)，可通過調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧力來改變低壓側(cè)出口的壓力。

4 實驗驗證及結(jié)果分析 

4． 1 實驗設(shè)計

使用 Visual Basic 6． 0 設(shè)計仿真軟件，通過軟件可計算出在不同旁通閥開度下制冷系統(tǒng)各點的狀態(tài)。為了驗證在不同旁通閥開度下，對除霜的影響以及對吸氣狀態(tài)的改善情況，搭建系統(tǒng)實驗臺來驗證。實驗在標(biāo)準(zhǔn)焓差實驗室中進(jìn)行，測試方法參考 GB /T 21361 － 2008《汽車用空調(diào)器》和GB /T 7725 － 2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》等標(biāo)準(zhǔn)。模擬冬季 結(jié) 霜 工 況 為: 環(huán) 境 干/濕 球 溫 度 為 2℃ /1℃，車室內(nèi)干/濕球溫度為 20℃ /15℃ ; 系統(tǒng)采用Ｒ134a 制冷劑。系統(tǒng)主要零部件如表 1 所示。

4． 2 結(jié)果分析

圖 5 － 8，是在不同旁通閥開度下，將車室內(nèi)換熱量、車室內(nèi)出風(fēng)溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)吸氣溫度的數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行比較分析:隨著旁通閥開度的增加( 即旁通量增大) ，車室內(nèi)換熱量減少，車室內(nèi)出風(fēng)溫度降低，蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)吸氣口溫度升高。仿真結(jié)果與實驗值的變化趨勢相同且相對誤差不超過 13% ，滿足工程應(yīng)用需求。

圖 5 和圖 6 的變化趨勢相同，這是因為壓縮機(jī)是定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的制熱量是一個定值; 旁通量增加后，制冷系統(tǒng)內(nèi)制冷劑質(zhì)量流量就會減少，車室內(nèi)制熱量也相應(yīng)減少。由式( 6) 可知: 進(jìn)風(fēng)狀態(tài)不變，車室內(nèi)換熱量減小，車室內(nèi)的出風(fēng)溫度降低; 圖 7 和圖 8 的變化趨勢相同，是因為旁通量增加，旁通閥出口壓力和溫度升高。蒸發(fā)器背壓升高，蒸發(fā)壓力和溫度也相應(yīng)升高。兩回路制冷劑混合后，壓縮機(jī)回氣溫度也得到了提高。

旁通閥開度從 3 圈到 6 圈時，計算值與實驗值誤差小; 但在開度大于 6 圈時，誤差很大，造成誤差的主要原因有:

( 1) 實驗測試時，系統(tǒng)處于不斷變化之中，測出來的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

( 2) 在模擬計算中所用的換熱系數(shù)是由實驗結(jié)果擬合出的經(jīng)驗關(guān)系式，雖然已經(jīng)經(jīng)過修正，但對于不同旁通閥開度下還是會出現(xiàn)一定的誤差。

( 3) 旁通開度與旁通量并不是成簡單的線性關(guān)系，隨著旁通開度的持續(xù)增加，旁通量增長速率變緩，最終趨近于一個極限值。綜合以上因素，造成了實驗的誤差。

旁通量越大，用于除霜的熱量也越多，除霜效果越好。但不能只考慮除霜效率而把旁通量開到最大，要綜合考慮駕駛的安全性和車室內(nèi)人體的舒適性。在除霜時，要留有車窗除霧的熱量，并且車室內(nèi)出風(fēng)溫度波動不能太大，因此就要尋找一個最佳的旁通量。圖 5 － 圖 8 中，當(dāng)旁通閥開度增加到 6 圈之后，系統(tǒng)變化量趨于平緩; 如圖 9 所示，在一個除霜周期，旁通開度為 6 圈時，基本能把霜除完。通過數(shù)值計算，旁通閥開度為 6 圈時，車室內(nèi)換熱量為 1073W，車室內(nèi)出風(fēng)溫度為 31.3℃，蒸發(fā)壓力為 276kPa，吸氣口溫度為 － 1．29℃。系統(tǒng)的能效比大于 1，仍優(yōu)于傳統(tǒng)的 PTC 電加熱方式。相比于 5 圈，蒸發(fā)壓力提高了 14kPa，吸氣溫度提高了 1℃ ; 相比于 7 圈，車室內(nèi)換熱量提高了 30W，車室內(nèi)出風(fēng)溫度提高了 0．3℃。綜上所述，旁通閥開度為 6 圈 時，系統(tǒng)處于最佳狀態(tài).

5 總結(jié)

( 1) 本文運用穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)建模的思想，建立了熱氣旁通系統(tǒng)的數(shù)值模型?；诖罅康膶嶒灁?shù)據(jù)，對其進(jìn)行修正，使其更加符合實際運行狀態(tài)。由仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比可知，仿真程序較為真實地反映熱氣旁通的實際運行情況，基本滿足設(shè)計要求。

( 2) 旁通量越大，對系統(tǒng)除霜效果越好; 但隨著旁通量的增加，會導(dǎo)致車室內(nèi)的制熱量和出風(fēng)溫度的降低。在滿足換熱器除霜、車窗除霧和車室內(nèi)人體舒適性要求的情況下，綜合分析了車室內(nèi)換熱量、車室內(nèi)出風(fēng)溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機(jī)吸氣口溫度的變化趨勢，得出最佳的旁通閥開度為6 圈。

( 3) 綜上所述，通過對數(shù)值模擬及實驗結(jié)果的分析，將熱氣旁通除霜的方式運用在熱泵型汽車空調(diào)系統(tǒng)中是可行的。但這種方式會導(dǎo)致除霜過程中能量分散以及除霜能量不足，如運用壓縮機(jī)變頻技術(shù)，即在旁通除霜時，提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速則可同時增加除霜熱量和車室內(nèi)的供熱量。