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电动汽车热泵空调冷凝蒸发器的特性实验研究
2020-08-11 20:51:16· 来源：汽车热管理之家
摘 要 电动汽车热泵空调的能耗对其行驶里程有重要影响。本文针对两种不同结构形式的热泵空调室外换热器，实验研究了环境工况和制冷剂进出口位置对换热器性能的影
摘 要 电动汽车热泵空调的能耗对其行驶里程有重要影响。本文针对两种不同结构形式的热泵空调室外换热器，实验研究了环境工况和制冷剂进出口位置对换热器性能的影响，并分析了不同结霜工况下热泵空调系统的制热性能。结果表明：作为冷凝器时，横排和竖排布置结构形式的换热器性能差异较小；作为蒸发器时，横排布置结构形式换热器的性能相比竖排布置提升了20%；对于横排布置形式换热器，制冷剂进口接近换热器底端扁管有利于提高蒸发器性能；结霜工况下，两种结构形式换热器在高寒(-7 ℃/-8 ℃)和高湿(7 ℃/6 ℃)工况下制热性能无明显衰减；2 ℃/1 ℃工况下，横排布置结构形式的结霜和化霜特性均优于竖排布置结构形式。
汽车逐渐成为我国经济发展的支持性产业之一，是提高人民生活品质的重要工具。内燃机汽车广泛使用的同时也带来了环境污染和温室气体效应，加剧了能源危机。用电动汽车代替燃油汽车正成为汽车行业下一步发展的方向和产业界的共识[1-2]。而当前因为电池续航里程的问题，限制了电动汽车的快速发展。为确保电动车的高效节能，增加续航里程成为电动汽车开发最重要的课题之一[3-4]。同时，传统燃油汽车冬季取暖是利用发动机废热，而电动汽车采用电动机驱动，其废热量很少且能量品位较低，无法直接有效利用。汽车热泵空调系统，因其能量利用效率高(相对PTC直接加热)，逐渐成为纯电动汽车的标配系统[5-6]。电动汽车热泵系统与传统汽车空调系统相比，在零部件层级上，室外换热器的变化最为显著，成为热泵系统是否高效运行的关键零部件[7-9]。室外换热器在夏季承担冷凝器功能，在冬季制热工况时，又要承担蒸发器的功能。尤其是在冬季高湿工况下，空气中水蒸气遇到低于其露点温度的蒸发器表面迅速结霜或结露[10-11]。结霜和结露对室外换热器的蒸发性能影响极为显著[12-14]，如何有效提升和平衡室外换热器在制冷和制热工况下的性能成为纯电动汽车热泵空调重要的研究方向。
由于纯电动车热泵空调系统的应用案例仍十分有限，主要包括LEAF、宝马i3等[15]，其中关于室外换热器单体性能实验，尤其是不同环境工况下，换热器的冷凝和蒸发性能的差异对比性研究更是鲜有报道。热泵室外热交换器性能直接影响整个热泵性能和成员舒适性，成为整个电动车热泵空调最重要的核心部件之一[16]。本文利用实验方法，研究室外换热器的进出口位置，流程布置形式对其制冷和制热性能的影响，同时进一步针对高湿、高寒和寒湿等几种不同环境条件，进行不同结构配置室外换热器制热特性的研究。希望本文的研究，能为纯电动汽车热泵空调系统的设计开发及室外换热器方案选择提供有益的参考或帮助。
1 研究对象概括
室外换热器采用微通道结构形式，由微通道扁管和百叶窗翅片组合而成，如图1所示。
热泵空调系统的室外换热器，在结构配置上有水平布置和竖直布置两种形式。传统汽车空调中，作为单一功能冷凝器使用时，多采用水平布置，根据实际性能要求采用3流程或4流程以及带有储液器功能。而在电动汽车热泵空调系统中，作为蒸发器功能使用时，考虑制冷剂分配及空气中水分在换热器表面结霜、结露及化霜后水在换热器翅片间排出，微通道扁管采用竖直方式。根据整个热泵系统实际运行特点，系统原有的在高压侧与冷凝器一体的储液器，现由在低压侧与压缩机吸气相连通的气液分离器代替，实现制冷剂的存储。本文所研究的室外换热器横排结构和竖排结构如图2所示。
图1 微通道换热器
Fig.1 Microchannel heat exchanger
图2 两种不同结构形式换热器
Fig.2 Two structural types of evaporator-condenser
在相同空间尺寸下，横排布置方式与竖排布置方式在传热面积和重量方面的对比如表1所示。在相同的空间布置尺寸下，横排布置其集流管的尺寸比竖排小。
2 实验方法
本文利用专用的汽车空调系统焓差台进行换热器单体的冷凝和蒸发性能测试。焓差实验室主要包括制冷剂测试系统和空气测试系统及空气辅助调节系统。焓差台的系统原理如图3(a)所示。测试系统中，利用空调柜装置调节空气，确保测试室内空气达到设定温度和湿度。测试系统利用标准喷嘴组合测试风量和测试换热器空气前后焓差获得空气侧换热量；制冷剂侧主要包括压缩机、调节阀及辅助加热和冷却装置。换热器冷热侧的换热量由单体测试测得，确保空气和制冷剂侧换热量的热平衡误差小于3%。
表1 两种结构形式换热器参数
Tab.1 Parameters of two structural types of evaporator-condenser
图3 实验测试原理
Fig.3 The principle of experimental method
对作为蒸发器在不同低温环境工况下的结霜或结露实验，利用专用实验台架进行测试。空气侧工况调节与测试，利用标准汽车空调焓差台提供恒定温度和湿度。制冷剂侧采用热泵空调专用结霜实验台架进行测试，制冷剂侧的测试原理如图3(b)所示。制热试验工况时，制冷剂从压缩机排出，进入室内冷凝器，手动球阀2关闭；经过流量计和电子膨胀阀1节流后，进入室外换热器，此时电子膨胀阀2关闭，手动球阀1开启，制冷剂通过室外换热器吸收环境热量蒸发后，进入气液分离器，最后回到压缩机。化霜工况时，本研究采用三角循环模型，压缩机排出制冷剂经过手动阀2，进入室外换热器，利用高温高压制冷剂对室外换热器外侧霜进行加热，最后经电子膨胀阀2节流后直接进入气液分离器，最后回到压缩机。
3 实验结果分析
3.1 两种不同结构形式的换热器性能差异
在空调热泵系统中，室外换热器在制冷工况下承担冷凝器功能，在冬季制热时承担蒸发器的功能。换热器单体测试工况：冷凝器工况，进口压力为1.74 MPa、过热度为20 ℃；控制冷凝器出口过冷度为10 ℃，空气进口温度为35 ℃，测试不同迎面风速下的散热性能和内外侧流阻。蒸发器工况，阀前进口温度和压力分别为42.9 ℃和1.6 MPa，控制蒸发器出口压力为0.182 MPa和3 ℃过热度，空气进口温度为-5 ℃，测试不同迎面风速下蒸发器吸热量及内外侧流阻。
图4和图5所示分别为冷凝器工况下和蒸发器工况下的性能对比。由图4可知，在冷凝工况下，横排结构的冷凝能力较竖排有明显提升，在测试风速为2.0～4.5 m/s范围内，横排冷凝能力比竖排的提升约10%。同时，横排结构形式的R134a内部阻力比竖排结构形式也略有增大。由图5可知，在蒸发器工况下，横排布置室外换热器的蒸发性能相对于竖排布置有大幅提升，提升幅度约20%。可能由于制冷剂在集流管内流动方向与扁管及自身重力方向不同，导致制冷剂在竖排布置结构换热器内各个扁管内流量分配不均。
图4 冷凝器工况下的性能对比
Fig.4 Performance comparison of condenser with different conditions
图5 蒸发器工况下的性能对比
Fig.5 Performance comparison of evaporator with different conditions
3.2 不同进出口位置对换热器性能影响差异
图6 接口位置
Fig.6 Interface location
图7 不同接管位置对冷凝和蒸发性能影响
Fig.7 Effect of inlet and outlet position on evaporator-condenser performance
针对横排结构形式室外换热器，在集流管上布置不同接口位置，以测试接口位置对其冷凝工况和蒸发工况下的性能影响。接口位置如图6所示。在2流程的集流管上开设4个接口。作为冷凝器工况时，制冷剂从接口1和接口2进入，从接口3和接口4流出。作为蒸发器工况时，气液两相流制冷剂从接口3和接口4进入，制冷剂吸热蒸发后从接口1和接口2流出。图7所示为室外换热器制冷剂进出口位置对换热器在不同工况下的性能影响。由图可知，冷凝器工况下，进出口位置对冷凝能力影响不显著，其中接口2进接口4出方案，冷凝器散热性能稍具优势；在蒸发工况下，从接口4进入，接口2流出方案，具有明显性能优势；相对于3进1出方案，蒸发器性能提升约20%。
3.3 结霜工况下的换热器性能差异
根据换热器结霜的原理，当换热器表面温度低于空气露点温度时，湿空气进入换热器内部与金属壁面接触，开始结霜或结露。当金属壁面温度低于空气露点温度，但高于0 ℃，此时空气中水蒸气在换热器金属表面凝结成水珠；当金属壁面温度低于空气露点温度，低于0 ℃且露点温度高于0 ℃，此时湿空气首先凝结成水珠，然后再冷却成冰；当金属壁面温度低于0 ℃，且露点温度也低于0 ℃，此时湿空气与金属壁面接触，水蒸气直接凝华成霜。针对霜的形成机理，本文开展了3种不同工况下的结霜性能实验。3种工况分别为：干湿球温度-7 ℃/-8 ℃的高寒工况、7 ℃/6 ℃的高湿工况和2 ℃/1 ℃的寒湿工况，如图8～图10所示。结霜实验采用固定压缩机转速，控制室内冷凝器的进风温度为20 ℃，风量为340 m3/h，并将室外换热器空气的进口温度和湿度设定为恒定工况。当压缩机吸气口压力低至0.105 MPa时，压缩机自动切断以保护压缩机。
图8 -7 ℃/-8 ℃工况下制热量及出风温度变化
Fig.8 Heating capacity and outlet temperature under condition of -7 ℃/-8 ℃
图9 7 ℃/6 ℃工况制热量及出风温度变化
Fig.9 Heating capacity and outlet temperature under condition of 7 ℃/6 ℃
由图8和图9可知，对于-7 ℃/-8 ℃工况和7 ℃/6 ℃工况，系统制热量和室内侧出风温度等在60 min内无明显衰减。说明在高湿工况和高寒工况下，汽车热泵空调可以连续运行100 min，无须进行化霜。同时，对比横排和竖排结构两种室外换热器对热泵系统的性能影响，横排布置结构对热泵制热性能有明显提升，出风温度提高约3 ℃。
对于2 ℃/1 ℃的寒湿工况，对热泵性能影响最为显著，工况也最恶劣。此工况下，空气中水蒸气含量非常高，露点温度为-0.4 ℃，当遇到低于露点温度的金属表面时，水蒸气首先凝结成水珠，再迅速结成冰粒粘附在换热器翅片和扁管表面。由图10可知，无论是横排结构布置还是竖排结构布置的室外换热器，均会造成整个热泵制热性能的衰减。且随着结霜周期的增加，每个制热循环的时间也越来越短。对于横排换热器结构，系统的制热时间从第1个循环的80 min缩短至第6个循环的20 min；对于竖排结构形式室外换热器，系统制热性能的衰减幅度更大，衰减速度更快，制热时间从第1个循环的50 min缩短至第6个循环的12 min。主要因竖排布置结构形式导致制冷剂分配不均匀，局部低温结霜严重，且在化霜循环内，化霜不彻底，随着制热时间增加，局部结霜更加严重，且化霜不彻底进一步恶化制冷剂的分配均匀性和制热性能的衰减。
图10 2 ℃/1 ℃工况换热量及室内出风温度变化
Fig.10 Heating capacity and outlet temperature under condition of 2 ℃/1 ℃
图11所示为2 ℃/1 ℃工况下横排和竖排结构布置形式的室外换热器分别在第1、4、6个制热循环开始和结束时的结霜实验对比。由图11可知，两种结构换热器均存在严重的结霜现象，且制冷剂分配不均匀导致换热器表面结霜不均，同时因风扇本身特性导致换热器表面进风也不均匀，加剧换热器结霜表面的非均匀性。此外，对比横排和竖排结构的化霜特性，在第4和第6个制热循环开始时，竖排换热器表面残存着大量冰块或霜块，阻碍空气的流通，大幅降低了换热器制热能力；对于横排结构，尽管在每个制热周期结束时，换热器表面存在大量霜或少量冰，但经过化霜程序后，在下一个制热周期开始时，换热器表面仅残存少量的霜或冰，这间接说明横排布置结构的换热器有利于汽车热泵空调系统化霜。
图11 换热器表面结霜对比
Fig.11 Comparison of frost forming on the surface of evaporator
4 结论
本文针对电动汽车热泵空调室外换热器进行蒸发性能和冷凝性能的实验研究，并对比了两种不同结构形式微通道换热器在蒸发器工况下的结霜特性，研究结论如下：
1)对比横排和竖排布置方式微通道换热器的性能差异，换热器作为冷凝器时，二者性能差异不显著；作为蒸发器时，相同工况下，横排布置结构形式相比竖排布置性能提升20%。
2)横排布置结构形式下，微通道换热器的制冷剂进出口接管位置对冷凝器性能影响不显著，但对蒸发器性能影响显著，制冷剂进口接近换热器底端扁管有利于性能的提高，可提升约20%。
3)结霜工况下，无论横排还是竖排布置形式，在高寒-7 ℃/-8 ℃和高湿7 ℃/6 ℃工况下，两种结构换热器在运行80 min内制热性能无明显衰减。
4)对于2 ℃/1 ℃寒湿工况，横排布置结构形式在结霜和化霜特性上均显著优于竖排布置结构形式。
作者：董军启 张光华 唐钦远 李永平 黄宁杰
杭州三花研究院有限公司
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