背景

提高HAVC系統(tǒng)效率的一種方法是使用制冷劑，比如CFCs、HCFCs。然而，這些制冷劑的泄露會導(dǎo)致臭氧層的消耗，于是這些很快被《蒙特利爾議定書》禁止。于是轉(zhuǎn)向?qū)嵱玫腍FC、R134a。然而，人們又發(fā)現(xiàn)HFC在釋放到大氣中時具有很高的全球變暖潛力（GWP），于是又轉(zhuǎn)向使用替代品R1234yf。最近，歐洲化學(xué)品管理局（ECHA）表示即將禁止PFAS。對PFAS的禁令將導(dǎo)致逐步淘汰目前在汽車中使用的R1234yf制冷劑。就這樣，R290（丙烷）和R744（二氧化碳）等天然制冷劑有了出頭之日。對R290及其共混物進行的各種研究表明，其在交流和熱泵運行方面均具有優(yōu)越的性能。由于沸點較低，R290熱泵系統(tǒng)制冷劑可以在比R1234yf較低的環(huán)境溫度下運行。

R290制冷劑的一個主要問題是其可燃性。

這就需要設(shè)計一種新的間接制冷劑和冷卻劑系統(tǒng)，它可以將加熱和冷卻轉(zhuǎn)移到機艙和動力系統(tǒng)組件，而無需制冷劑進入機艙。

此外，由于A3的可燃性，系統(tǒng)中R290制冷劑的充料質(zhì)量限制在150g（本研究時），以避免制冷劑氣體濃度。

實驗研究

下圖為研究的新型R290熱泵系統(tǒng)機構(gòu)，分制冷劑系統(tǒng)和冷卻劑系統(tǒng)。

R290間接制冷劑系統(tǒng)的實驗設(shè)置如下圖所示。該系統(tǒng)由一個制冷單元組成，它作為一個獨立的制冷系統(tǒng)。然后，冷卻液被用作工作液，將熱負載轉(zhuǎn)移到船艙暖通空調(diào)和動力總成組件，并從環(huán)境中提取熱量，用于熱泵的運行。

制冷劑系統(tǒng)由四個主要部件以及壓力-溫度（PT）傳感器組成。來自PT傳感器的數(shù)據(jù)將有助于確定制冷劑回路中不同位置的制冷劑的狀態(tài)。

機艙暖通空調(diào)使用冷卻劑加熱，冷卻劑從冷凝器吸收熱量。水冷凝器膨脹后的制冷劑通過電子膨脹閥膨脹，冷卻制冷劑，降低壓力。

使用散熱器中的冷冷卻劑回收來自環(huán)境的熱量。熱冷卻劑，在從環(huán)境中回收熱量后，通過電池冷卻器，在那里它與冷制冷劑交換熱量。

電池冷卻機壓縮后的制冷劑蒸汽，壓縮機將熱制冷劑蒸汽輸送到水冷凝器，從而完成循環(huán)。制冷劑箱裝有一個33cc變速渦旋壓縮機。

獨立制冷劑單元充滿90g的R290制冷劑。通過充電確定試驗，確定實現(xiàn)熱泵目標(biāo)所需的制冷劑量。

為了將R290與當(dāng)前的制冷劑進行比較，在相同的測試矩陣上使用R1234yf對相同的間接系統(tǒng)進行了測試。

該系統(tǒng)配備有壓力、溫度和流量傳感器，以測量整個回路中不同位置的制冷劑和冷卻液狀態(tài)。下表顯示了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

下圖為熱電偶布置示意。

結(jié)果

數(shù)據(jù)表明，間接熱泵系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了所有的測試矩陣車輛目標(biāo)。制冷劑單元的最大冷凝器加熱隨環(huán)境溫度呈線性變化，從0°C時的9.6kW到-20°C時的6.5kW。冷凝器和暖通空調(diào)之間的損失被測量為0.4-0.5kW，這量化了系統(tǒng)的間接性質(zhì)。

對于不同的環(huán)境測試案例，熱泵系統(tǒng)的COP在1.5左右。在最大性能情況下，在0°C時達到的最大COP為1.97。

R290熱泵系統(tǒng)的冷凝器和系統(tǒng)COP的加熱能力：在0°C時，最大冷凝器加熱容量為9.8kW。此時，系統(tǒng)代碼計算的最大值為1.97。在最大性能負荷情況下，冷凝器的加熱能力隨環(huán)境溫度呈線性變化。

R290系統(tǒng)環(huán)境溫度為-15°C的散熱器之間的空氣輸入和排氣溫度分布。

R290和R1234yf的暖通空調(diào)供熱能力比較。對比表明，在相似的邊界條件下，R290的受熱能力比R1234yf有所提高。由于R1234yf的沸點低于-15°C，因此它的受熱能力數(shù)據(jù)無法獲得。

R290和R1234yf冷凝器受熱能力的比較。該系統(tǒng)的間接性質(zhì)導(dǎo)致冷凝器和暖通空調(diào)之間的400-500W的熱量損失。

R290和R1234yf的壓縮機功率比較。對比表明，R290箱的壓縮機比R1234yf的功率更大。對于相同的蒸發(fā)器和冷凝器溫度，R290系統(tǒng)在更高的壓力下運行，這反過來又增加了焓，從而增加了壓縮機的功率消耗。

在R290的情況下，加熱能力的顯著改善并沒有直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)COPs的類似改進。

這可以用下圖來解釋，它顯示了在R290和R1234yf情況下壓縮機消耗的功率。在R290的情況下，壓縮機功率高于R1234yf。這可能是由于制冷劑系統(tǒng)中使用的壓縮機是為R1234yf制冷劑設(shè)計和調(diào)整的，而它沒有針對R290系統(tǒng)進行優(yōu)化。

R290熱泵系統(tǒng)能夠在低于-15°C的溫度下恢復(fù)環(huán)境熱量，這與R1234yf系統(tǒng)不同，因為其沸點較低。這將有助于減少汽車在低溫條件下對替代熱源（如電阻性冷卻劑或空氣加熱器）的依賴。

總結(jié)

調(diào)查表明，兩種制冷劑均達到了加熱性能目標(biāo)。實驗將間接系統(tǒng)損失量化為0.4-0.5kW。

損失的大小表明了通過改善制冷劑和冷卻劑熱交換器之間的傳熱，在系統(tǒng)COP中的改進范圍。通過優(yōu)化壓縮機和油量，還可以增強系統(tǒng)COP。R290制冷劑的系統(tǒng)COP比R1234yf高出約10%，使其成為當(dāng)前系統(tǒng)的優(yōu)秀替代品。由于R290的低沸點，它能夠在低于-15°C的溫度下恢復(fù)環(huán)境熱量，這一事實進一步支持了這一說法。由于熱泵比電阻式加熱器更有效，在較低的溫度下使用帶有R290的熱泵將減少電池的能耗，并顯著提高電動汽車的續(xù)航里程。

研究的下一步是測試平臺上的制冷劑和所有制冷劑和動力系統(tǒng)組件的間接結(jié)構(gòu)和控制邏輯

R290模塊化熱泵架構(gòu)

文章來源：qichere其琛熱管理