某电动汽车热泵空调系统制冷剂充注量试验研究

2020-06-24

流体机械 2020年5期

关键词：制冷量蒸发器制冷剂

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

符号说明：

ρ——密度，kg/m3；

m——制冷剂质量，kg；

d——直径，m；

L——长度，m；

下标

total——总量；

comp——压缩机；

hpt——高压管；

lpt——低压管；

cond——制冷循环中的冷凝器；

evp——制冷循环中的蒸发器；

evpin——蒸发器的进口；

evpout——蒸发器的出口；

suct——吸入的制冷剂；

disc——排放的制冷剂；

gas——制冷剂气相部分；

sep——气液分离器；

txv——热力膨胀阀；

exv——电子膨胀阀；

liq——制冷剂液相部分；

two-phase——制冷剂的两相段；

int-gas——冷凝器入口气体段；

sub-liq——冷凝器中过冷液体部分；

sph-gas——蒸发器中过热气体部分。

0 引言

电动汽车作为一种替代传统发动机汽车的选择，受到社会各界的广泛关注。电动汽车的空调系统采用电池作为动力源，其能耗占据电池总容量的20%左右，使得空调系统性能对于电动汽车续航里程有直接的影响，这为电动汽车带来了新的挑战。目前在电动汽车采暖方面主要采用电加热供暖，即利用PTC电加热器将电能转化为热能，再通过热量交换为低温空气供热，虽然PTC结构简单且制热效果好，但其耗电量较大，进而影响到电动汽车的续航里程。另一方面，热泵系统可以从环境吸取热量并传递到室内环境，在家用空调中已得到普遍应用，其最大特点是能耗较低，若将热泵系统应用到电动汽车供热，其在节约能源和延长续航里程上的优势将被突显出来，热泵系统在电动汽车上的应用也得到了越来越多的关注[1]。

电动汽车热泵空调系统在运行过程中，其性能受到许多因素的影响，如室内室外的环境工况，压缩机的转速和排量，换热器的性能参数，制冷剂的物理性质和制冷剂的充注量等。其中，制冷剂的充注量对热泵空调系统性能有着很大影响[2]。赵家威等[3]针对电动汽车的二级压缩喷射热泵空调，研究了该系统在不同的制热工况下的充注量需求，结果表明：在制热模式下，随着环境温度的降低，制冷剂的充注量逐渐增加；刘杰等[4]对新型换热器汽车空调系统进行充注量试验，结果表明：制冷剂充注量在一个比较低的水平时，系统COP仍保持相对较高的水平。周光辉等[5]对于制冷剂为R407C的客车空调系统进行充注量试验，结果表明：制冷剂的充注量过少时，压缩机的吸气温度过高，导致过热度过大，压缩机排气温度过高；而充注量过多则会导致排气压力过高，甚至破坏系统。因此，合适的制冷剂充注量对热泵系统高效稳定运行具有重要的意义。

本文针对某小型电动汽车，通过试验方法来确定其热泵空调系统的最佳充注量。通过搭建试验台架，分析制冷剂充注量对过冷度、过热度的影响，同时考虑空调箱出风温度、制冷量、制热量等系统性能参数的变化趋势，综合判定该系统的最佳充注量，为电动汽车热泵空调系统的设计提供参考。

1 试验装置和方法

1.1 试验装置

图1示出电动汽车热泵空调系统原理。如图所示，该系统由压缩机、室内蒸发器HEX1、室内冷凝器HEX2、室外换热器HEX3以及膨胀阀等组成，通过两个电磁阀的通断来切换制冷和制热模式。制冷循环过程为：制冷剂气体经压缩机压缩后，通过电磁阀1（此时电磁阀2处于关闭状态）进入室外换热器HEX3中冷凝，冷凝过程向环境中散热，后经带有截止功能的热力膨胀阀节流后，进入空调箱内的蒸发器HEX1中蒸发，蒸发过程从车内吸收热量，低温低压的制冷剂气体进入气液分离器后回到压缩机。制热循环过程为：制冷剂气体经压缩机压缩后，进入空调箱内的冷凝器HEX2中冷凝，冷凝过程向车内散热，后经电子膨胀阀节流后，进入室外换热器HEX3中蒸发，蒸发过程从环境中吸收热量，低温低压的制冷剂气体通过电磁阀2（此时电磁阀1和带截止功能的热力膨胀阀均处于关闭状态）进入气液分离器后回到压缩机[6]。

图1 热泵空调系统原理

该热泵系统压缩机选用车用电动涡旋式压缩机，具体参数详见表1。

表1 电动涡旋式压缩机参数

室内蒸发器HEX1、冷凝器HEX2和室外换热器HEX3均选用单排四流程微通道换热器，外形尺寸（长×宽×高）分别为：136 mm×194 mm×32 mm，202 mm×195 mm×40 mm，372 mm×322 mm×20 mm；2个膨胀阀分别为压力型电子膨胀阀和带截止功能的H型热力膨胀阀；电磁阀均为直流12 V驱动常闭型；此外，制冷剂量采用电子称精确测量，精度为 ±1 g。

整套系统搭建在一个多功能人工环境试验室中。该试验室由2套可分别控制的完全独立的测试室组成，能够控制环境室的温度和湿度，并且有可控制风量的送风管路。采用R134a作为制冷剂，管路均采用铝管连接，并用保温材料对铝管进行包裹。图2示出试验装置与测试系统示意，在压缩机、室内冷凝器、蒸发器和室外换热器的进出口共8个点分别布置了压力传感器和温度传感器，同时在空调箱不同模式下的进出风口分别布置温度热电偶，通过安捷伦数据采集仪采集数据[7]。

图2 试验装置与测试系统示意

1.2 试验方法

试验工况参数见表2。

表2 试验工况

本试验分别在制冷和制热工况下进行充注量试验，制冷剂以400 g起开始充注，分别为450，500，550，600，650，700，750，800 g。在确定制冷工况下的最佳充注量范围后，将系统内制冷剂全部排空，而后进行制热工况试验。综合分析制冷剂充注量对系统各性能参数的影响，从而确定最佳充注量。

2 试验结果与分析

2.1 充注量对压缩机排气特性的影响

图3，4分别示出压缩机的排气温度和排气压力随制冷剂充注量的变化趋势。如图所示，无论系统处于制冷模式还是制热模式，随着系统内制冷剂充注量的不断增加，压缩机的排气温度均逐渐降低，排气压力均逐渐增加。原因在于，当制冷剂充注量很少时，蒸发器的出口过热度较大，导致压缩机吸气温度很高，而经过压缩后，压缩机排气温度必然也很高。随着系统内制冷剂充注量的不断增加，蒸发器出口过热度不断降低，吸气温度不断降低，而压缩机的压比在运行过程中变化不大，所以排气温度也逐渐降低。不同的是，在制热模式下，当压缩机转速从3 000 r/min升至4 000 r/min时，压缩机排气温度上升近25 ℃，而在制冷模式下，压缩机转速对排气温度的影响相对较小，排气温度始终维持在一个较高的水平。

图3 排气温度随制冷剂充注量的变化

图4 排气压力随制冷剂充注量的变化

2.2 充注量对空调箱出风温度的影响

图5示出空调箱出风温度随制冷剂充注量的变化趋势。如图所示，空调箱在制冷吹面模式下的出风温度随制冷剂充注量的增加而降低，当制冷剂充注量为750 g时，出风温度趋于稳定，此时出风温度最低可达15 ℃，可以满足夏季乘员舱内的舒适性需求。空调箱在制热吹脚模式下的出风温度随着制冷剂充注量的增加而增加，当制冷剂充注量为650 g时，出风温度趋于稳定，此时出风温度最高可达23 ℃，可以满足冬季乘员舱的舒适性需求[8-9]。

图5 空调箱出风温度随制冷剂充注量的变化

2.3 充注量对系统内换热量及COP的影响

图6示出系统制冷量和制热量随制冷剂充注量的变化趋势。

图6 换热量随制冷剂充注量的变化

在制冷模式下，随着系统内制冷剂充注量的不断增加，系统的制冷量也呈现增加的趋势，逐步充至750 g时，制冷量近乎达到最大值，制冷量最高可达2.63 kW，可以满足夏季车内负荷需求。再继续充注时，制冷量上升缓慢或略有下降。原因在于，当充注量较小时，通过蒸发器的制冷剂质量流量很小，蒸发器的有效换热面积不能得到充分利用，从而蒸发器出口过热度很大，导致制冷量过低。而随着制冷剂充注量的不断增加，通过蒸发器的制冷剂质量流量不断增加，即蒸发器的有效换热面积不断增加，从而制冷量不断增加。但当制冷量达到峰值以前，蒸发器内制冷剂的质量流量在传热中占据主导地位，随着制冷剂的不断增加，蒸发温度不断上升，导致传热温差不断减小，此时传热温差在传热中占据主导地位，抑制了制冷量的进一步上升，这就是制冷量出现峰值后上升缓慢或略有下降的原因[10]。

图7示出能效比COP随制冷剂充注量的变化趋势。如图所示，随着制冷剂充注量的增加，能效比COP在充注量为750 g时达到峰值，最高可达3.29。再继续充注制冷剂时，COP基本维持稳定或略有下降。这是由于，随着制冷剂充注量的不断增加，压缩机的吸排气压力均略有上升，压比变化不大，因此压缩机功率变化不大，所以COP的变化趋势与制冷量变化趋势基本一致[11]。

图7 COP随制冷剂充注量的变化

同理，在制热模式下，随着系统内制冷剂充注量的不断增加，系统的制热量也呈现增加的趋势，逐步充至650 g时，制热量近乎达到最大值，制热量最高可达3.19 kW，可以满足冬季车内负荷需求。再继续充注时，制热量上升缓慢或略有下降，原因也是蒸发器内传热温差过小对制热量的增加起到了抑制作用。

同时，能效比COP也与制热量变化趋势基本一致，随制冷剂充注量的增加而增加，在充注量650 g时达到峰值，最高可达3.34。再继续充注制冷剂时，COP基本维持稳定或略有下降。

2.4 充注量对过冷度、过热度的影响

冷凝器出口过冷度和蒸发器出口过热度是判断汽车空调热泵系统内制冷剂充注量是否合适的最重要指标[12]，图8示出过冷度和过热度随制冷剂充注量的变化趋势。如图所示，当系统内制冷剂很少时，冷凝器出口过冷度很小，蒸发器出口过热度很大，这对系统运行时的性能不利。随着制冷剂充注量的不断增加，过冷度逐渐增加，过热度逐渐降低。在制冷模式下，充注量在700～750 g范围内时，过冷度和过热度曲线相对平稳并于充注量750 g时相交；而在制热模式下，充注量在650～700 g范围内时，过冷度和过热度曲线相对平稳并与充注量650 g时相交。这是由于，在此充注量范围内，系统内制冷剂量已经趋于饱和，蒸发器的有效换热面积已经得到充分利用，系统内制冷/制热量及能耗比COP已经趋于稳定[13]。因此，我们选取过冷度和过热度相对稳定时的交点为系统的最佳充注量[14]，即该热泵空调系统在制冷和制热模式下的最佳充注量分别为750，650 g。

图8 过冷度、过热度随制冷剂充注量的变化

3 充注量计算验证

3.1 内容积计算法

制冷剂的充注量通常采用内容积计算法，即总的充注量可以通过系统内不同管路的充注量求和进行计算[15]，可分为压缩机、高压管、低压管、冷凝器和蒸发器，其计算公式详见表3，内容积计算结果详见表4。充注量的计算难点主要在于换热器内两相区制冷剂量的确定，其关键是两相区内空泡系数的正确计算[16]。

表3 制冷剂充注量计算方法

表4 台架管路内容积计算结果

空泡系数是两相混合物在任一流动截面内气相所占的总面积份额，是气液两相流流动特性中的基本参数之一。在对两相流动问题进行研究的过程中，一些学者提出了许多具有一定实用价值的空泡系数模型，本文选用Tandon和Hughmark 2种模型进行计算[17-18]，其中，Hughmark模型需要经过多次迭代。它假设了一个气泡流态，该流态中气泡沿通道呈径向梯度分布，这更接近换热器两相区中制冷剂的变化过程[19]。

3.2 充注量计算结果

图9示出充注量模型计算结果与试验结果对比。如图所示，两种空泡系数模型的制冷剂充注量的计算结果与试验结果吻合较好，误差在7%以内。在制冷和制热两种模式下，Hughmark模型的计算结果与试验得到的最佳充注量更接近，误差更小，因为Hughmark模型的计算方法中使用了迭代法。对于充注量计算结果而言，制冷模式下与试验结果误差较小，而在制热模式下与试验结果误差相对较大。

图9 试验值与计算结果对比

但是由于热泵系统只能有一组最佳充注量，故选取2种模式下制冷剂充注量的交叉范围，即该热泵空调系统的最佳充注量为700 g[20-28]。在此最佳充注量下，空调箱出风温度在制冷和制热模式下分别衰减6.1%和4.9%，制冷量、制热量分别衰减6.7%和1.8%，COP分别衰减13.7%和3.3%。这表明，在此充注量下，系统在夏天工况和冬天工况下仍有良好的性能表现。综上所述，该小型电动汽车热泵空调系统的最佳充注量为700 g。