孙西峰 王静 方健珉 殷翔 曹锋

摘  要：本文搭建了采用逆循环化霜的跨临界CO2电动汽车空调系统实验台。通过对各参数点温度和压力变化的分析，研究了空调系统在结霜过程的性能和参数变化特性。通过记录化霜时间和实时霜层摄像探究了化霜的效果，进行连续结霜—化霜实验，探究了首次化霜对二次结霜情况和化霜时间的影响。实验结果表明，空调系统连续运行结霜150min后，制热量分别下降22.6%和15.6%。第二次结霜速度比第一次更慢，第一次化霜时长为420s，第二次化霜时长为120s，仅为第一次化霜时间的28.5%。逆循环化霜效果十分理想，将成为未来电动汽车空调最合理有效的化霜方式之一。

关键词：CO2;逆循环化霜;新能源汽车空调;无间断连续结霜

中图分类号：TK11+1      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2020）03-0009-07

Abstract： A test rig of transcritical CO2 automobile air conditioning system with reverse cycle defrosting was built to investigate the performance and parameters variation characteristics during the frosting process by analyzing the changes in temperature and pressure at various parameter points. The reverse cycle defrosting method is adopted， and the defrosting performance was investigated by recording the defrosting time and taking a real-time photo of the frost layer. The continuous frosting - defrosting experiment was carried to research the effect of the first defrosting on the second frosting speed and defrosting time. The experimental results indicates that the heating capacity was reduced by 22.6% and 15.6% respectively after the air conditioning system continuously run for 150 minutes. The second frost is slower than the first time， the fist defrosting time was 420s， the second was 120s， which is only the 28.5% of the first time. The defrost performance is really ideal and the reverse cycle defrosting method will be one of the most promising defrosting methods in the future.

近年來新能源汽车在我国得到迅速发展，据汽车工业协会统计，其中纯电动汽车的产量和销量每年的同期增长均超过50%，纯电动汽车空调的迅猛发展也带动了车用热泵空调的进一步深入研究。目前我国采用的汽车空调制冷剂主要为R134a，由于其GWP值过高，正面临着被淘汰的趋势。欧盟在2006年颁布的汽车空调排放物法规中规定从2017年1月1日起禁止新生产汽车使用GWP值高于150的制冷剂。美国环保部在2012年接受新型人工合成制冷剂R1234yf作为汽车空调的新型替代制冷剂，戴姆勒—奔驰以及大众公司提出以CO2为未来的研究方向，除此之外，R134a的新型替代制冷剂还包括R445A，R152a以及R290等制冷剂[1～3]。其中，CO2作为一种天然制冷剂，对环境友好，容易制取，常作为其他工艺副产物进行回收，因此价格低廉，并且化学性质稳定无毒不可燃，在众多替代制冷剂方案中脱颖而出[4，5，6]。

当汽车空调在冬季制热时，其翅片管式微通道换热器的表面由于低于水的冰点温度和空气的露点温度存在大面积结霜的可能性。当汽车空调长时间制热工作时，室外蒸发器的表面大面积结霜后，随着霜层越来越厚，翅片间的空气换热通道严重受阻，导致通风量下降，蒸发器换热性能将急剧下降，蒸发器风扇的功耗增大，空调系统的性能下降，制热量减少[7，8]。为了解决蒸发器结霜带来的一系列的恶劣影响，要采用有效的方式及时对蒸发器进行化霜[9]。目前，在传统的制热系统中常采用的化霜方式有以下几种：热气旁通融霜[10，11]、电加热化霜[12]、逆循环化霜[13，14，15]、相变材料化霜[16]和组合化霜[17]。

由于跨临界CO2汽车空调的功能模式要求，需要分别实现夏季制冷和冬季制热，因此本文设计的循环系统具备换向功能，故逆循环化霜是该系统的选择之一，不需要更多额外的换热器或者阀件等部件，系统相较于其他化霜模式更简单[18]。Alois Steiner[19]等人通过搭建试验台和仿真模型，探究了节流阀的开度对化霜性能的影响。化霜时间是衡量化霜性能的重要指标，因此在试验和仿真中，常常以化霜时间作为化霜性能的依据。结果表明，当膨胀阀的开度由小增大时，化霜时间先迅速减小后缓慢增大，即膨胀阀开度较小时，化霜性能很差，存在一个最佳的膨胀阀开度，此时化霜时间最短，而后随着阀开度的增加，化霜性能再次缓慢下降，但是开度过小对于化霜性能的影响远大于开度过大时。本文通过搭建试验台，对空调系统结霜和化霜过程中的动态参数变化作了对比分析，得出了不同的结霜和化霜阶段系统的性能特性，分析出最佳的化霜时间点，并且通过连续结霜的方式，探究了连续结霜后系统化霜时间的变化特点，最后对逆循环化霜的化霜效果进行了客观的分析和评价。

1    逆循环化霜方法

当汽车空调系统在夏季高温环境下运行时，需要实现车内制冷功能，而冬季低温环境下需要实现车内制热功能，因此我们的汽车空调系统设计方案采用了四通换向阀实现制冷剂在不同的模式下的换向功能。当空调在冬季低温环境下长时间运行后，导致室外蒸发器严重结霜，空调性能开始急剧下降时，先将压缩机停机，然后控制四通换向阀的通道换向，实现从制热到制冷模式的转化，也就启动了逆向化霜功能。为了缓解逆向化霜对车厢温度的影响，化霜过程中车内外换热器的风扇停转，节流阀全开。

如图1所示，跨临界CO2汽车空调循环的制冷循环可分为6个过程：1-2为压缩过程，1点低温低压的CO2气态制冷工质被压缩机压缩为2点的高温高压的超临界状态;2-3为室外换热器——气体冷却器中的热量交换过程，高温高压的CO2工质在气体冷却器中放热，与空气进行热交换后成为高压中温工質，这个过程中理论上是等压过程;3-4为回热器中的回热过程，从气体冷却器中出来的高压中温制冷剂进一步被从蒸发器出来的低压低温制冷剂冷却;4-5为等焓节流过程，CO2制冷工质被等焓节流为低温低压状态;5-6过程为室内换热器——蒸发器中的蒸发过程，两相态的CO2工质在蒸发器中蒸发吸热，与空气进行热交换;6-1为回热器中的回热过程，从蒸发器中出来的低温低压制冷剂与气冷器出来的中温高压制冷剂发生热交换。

图2为跨临界CO2汽车空调逆循环化霜的p-h图，在制热模式下，室外换热器作为蒸发器运行，在相应的运行工况下逐渐结霜，此时停止压缩机运行，并转化为化霜模式运行。1-2为压缩机的压缩过程，2-3为室外换热器作为气体冷却器中的换热过程，3-4为节流过程，4-1为蒸发器中的蒸发过程。化霜过程中，由于节流阀开度处于全开状态，随着化霜时间的积累，系统各处的压力和温度都降低，化霜循环由1-2-3-4逐渐向1-2-3-4变化，在化霜结束后，循环趋于稳定。参考Alois Steiner的实验结果，阀开度过小时对化霜性能的影响过大，性能很差，故本文实验选择将膨胀阀全开，所以化霜过程中高压值较低，并且压比很小。

2    测试试验台搭建

整个测试试验台搭建在西安交通大学压缩机研究所的空气焓差实验室中，实验室分为两个环境室和一个控制室。环境室分别用来模拟汽车内外的环境工况，换热器安装在测试风洞中。除此之外，实验室中还有数据采集系统，循环系统具有多个温度和压力测点。可以准确的测量循环中各个状态点的状态以及换热量、压缩机功耗等。实验过程中，环境工况采用标准结霜工况（环境干球温度为2℃，湿球温度为1℃），车内环境干球温度20℃，湿球温度12℃，全回风。

实验测量仪器设备的详细信息如下表所示：

如图3所示，跨临界二氧化碳汽车空调系统实验台架包括变频压缩机、除霜除雾微通道翅片管换热器、车内微通道翅片管换热器、节流阀、回热器、车外微通道翅片管换热器、四通换向阀、储液器、一进两出三通电磁阀和质量流量计。其中压缩机的排量为5.2 cm3/rev，除霜微通道翅片管换热器的尺寸为200mm×150mm×15mm，单排。车内微通道翅片管换热器的尺寸为300mm×260m×30mm，双排。回热器的尺寸为50mm×280mm×8mm，对角交叉流向设计。车外微通道翅片管换热器的尺寸为300mm×600mm×15mm，单排。空调在冬季制热功能模式下正常运行150分钟，此时室外换热器为蒸发器，表面将逐渐结霜。150分钟后，压缩机停机，待系统压力平衡后，四通换向阀实现换向，该过程时长约1分钟。换向完成后，再次开启压缩机，此时CO2制冷工质逆向循环，室外换热器为气体冷却器，超临界工质在室外换热器中放热，换热器表面的霜层逐渐融化。为了尽可能的减小化霜过程中对车内温度的影响，化霜过程中室内外换热器的风机均关闭，节流阀开度全开。第一次结霜—化霜过程结束后，紧接着进行连续结霜—化霜测试，对比两次过程的实验数据和现象，探究了首次化霜对二次结霜的影响。

结霜过程共150分钟，每15分钟记录一次采集数据，化霜过程时间太短，故采取每15秒间隔记录一次采集的状态数据。

3    实验结果分析

实验过程中，记录了环境温度参数、各个状态点的温度压力参数、换热量和功率。并且对结霜过程和化霜过程的换热器表面的霜层变化进行了拍照记录，得到的实验结果和详细分析如下。

3.1   结霜过程

3.1.1 结霜过程中的霜层变化：

从对比图中可看出，第一次结霜速度比第二次更快，相同的结霜时间里，第一次的结霜面积也更大。产生这种现象的原因可能是由于第一次化霜过程较长，对换热器进行了较长时间的加热，导致换热器表面霜层融化完后，表面水分蒸发，换热器表面相较于第一次结霜开始时，更加干燥，导致结霜速度更慢。

从换热器表面的霜层面积的变化趋势可看出，换热器从右侧开始结霜，霜层逐渐从右向左蔓延，这主要与微通道换热器的流程分布有关。从图中看出，有部分换热器表面始终不结霜，这主要由换热器的通道流程决定。蒸发器内流体最后通过的流程由于制冷剂具有一定的过热，温度偏高，故而结霜更慢或者不结霜。

3.1.2 结霜过程中的状态参数变化

为了进一步探究结霜过程中性能变化，图4和图5记录了两次结霜过程在循环系统的吸气压力和排气压力的变化，压缩机开机后，系统迅速建立起压差，高低压达到稳定，而后在前30分钟，室外换热器表面逐渐结霜，此时霜层还比较薄，吸排气压力逐渐上升。在30分钟后，吸排气压力开始缓慢下降，80分钟左右，排气压力下降到了初始值附近，随着时间的增加，持续缓慢下降。120分钟后，由于此时的霜层已经完全覆盖了换热器表面，并且厚度比较厚，导致霜层变化不太明显，吸排气压力也逐渐趋于稳定。

圖6为连续两次结霜过程中的空调制热量的变化趋势，制热量先随着系统稳定逐渐增加到短暂稳定，而后随着换热器表面轻微结霜，制热量进一步增大，而后随着霜层的加厚，吸气压力逐渐减小，制冷剂的比体积增大，质量流量减小，故制热量逐渐减小，与结霜前相比，分别减小22.6%和15.6%。两次结霜过程换热量的变化趋势总体基本一致。并且换热量的变化与系统的吸排气压力的变化时间节点也高度一致，两者密切相关。

3.2   化霜过程

3.2.1 化霜过程中的霜层变化：

从图中可以看出，第二次化霜的速度较于第一次要快很多，第一次化霜结束一共耗时420s，第二次化霜结束仅耗时120s，这与结霜过程中，第二次结霜速度更慢密切相关。第二次结霜更慢，相同的结霜时间霜层更薄，因此直接的导致了第二次化霜速度远快于第一次。但是无论是首次化霜还是二次化霜时长，从汽车空调的化霜性能方面讲都是比较理想的。

3.2.2 化霜过程中的性能分析

图7为连续化霜的两次化霜过程中系统的吸排气压力变化趋势，从系统结霜完毕，停机时刻开始计时，故如图所示，前90s为系统停机后，高低压平衡和四通换向阀的换向过程。从90s开始，系统再次开机，节流阀的开度全开，室内外的风机都停机，系统开始逆循环化霜过程。随着时间的增加，系统逐渐建立起压差，霜层逐渐融化。第一次化霜过程时间较长，因此压力变化趋势更加明显，由于换热器表面的霜层严重影响了换热器的换热性能，因此系统的压比逐渐增大，高压升高，在气体冷却器中提供更大的换热量用来化霜，随着霜层的融化，压比又逐渐减小，高压逐渐降低，而后在300s左右，霜层融化了大部分，换热器表面的霜层对换热器的换热性能不仅没有负影响，反而轻微的提高了换热器的换热性能，因此系统的高低压变化趋势发生反向变化，并且逐渐趋于稳定，直到霜层完全融化。

4    结论

本文针对跨临界CO2电动汽车空调系统在冬季低环境温度下长时间运行，换热器表面严重结霜对空调性能的影响以及逆循环化霜方式进行了实验研究。记录了换热器表面结霜和化霜过程中的主要循环参数和空调的制热量等与空调性能密切相关的参数变化，结合实时摄像观察换热器表面的霜层变化，得到了跨临界CO2电动汽车空调系统的逆循环化霜特性以及空调制热性能变化特性。为未来的纯电动汽车空调的研究提供了严谨的研究基础。在以上实验研究的基础上，本文得出以下结论：

（1）跨临界CO2电动汽车空调在高环境湿度下制热运行150min，换热器表面逐渐结霜，空调性能下降，连续两次结霜完成时制热量分别减少22.6%和15.6%。系统的吸气压力和排气压力均先增大后减小，随着霜层逐渐加厚，压力变化逐渐平稳。

（2）跨临界CO2电动汽车空调系统的两次连续结霜—化霜实验中，第一次结霜速度比第二次快，第二次的化霜时间也只有第一次的28.5%。

（3）跨临界CO2电动汽车空调系统的分别经过两次长达150min的结霜后，逆循环化霜时长分别为420s和120s，化霜效果很好。逆循环化霜将成为电动汽车空调最合理有效的化霜方式之一。

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