工質(zhì)種類(lèi)及充注量對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)影響的試驗(yàn)研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發(fā)展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

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工質(zhì)種類(lèi)及充注量對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)影響的試驗(yàn)研究

陳凱勝，王智興，魏名山，彭發(fā)展 Chen Kaisheng，Wang Zhixing，Wei Mingshan，Peng Fazhan

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081）

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)，搭建了熱泵空調(diào)試驗(yàn)臺(tái)架，采取控制變量法，研究R134A充注量以及工質(zhì)種類(lèi)對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響。結(jié)果表明，工質(zhì)充注量較大時(shí)，壓縮機(jī)出口溫度及壓力、蒸發(fā)器進(jìn)口壓力較大，系統(tǒng)功耗較大，同時(shí)制熱量較大；工質(zhì)充注量較小時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)吸熱過(guò)少，制熱量不足。環(huán)境溫度低至-10℃及-15℃時(shí)，R134A、R407C以及R410A 3種工質(zhì)中R407C制熱性能綜合效果最好。

電動(dòng)汽車(chē)；熱泵空調(diào)；制熱性能；工質(zhì)充注量；工質(zhì)種類(lèi)

0 引 言

試驗(yàn)研究了R134A充注量對(duì)于一臺(tái)電動(dòng)車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能的影響，同時(shí)對(duì)比研究了R134A、R407C以及R410A 3種工質(zhì)對(duì)于系統(tǒng)制熱性能的影響。

1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括渦旋式電動(dòng)壓縮機(jī)、車(chē)室內(nèi)換熱器、車(chē)室外換熱器、四通換向閥、節(jié)流管、儲(chǔ)液罐、風(fēng)扇等部件，各個(gè)部件通過(guò)由保溫材料包裹的銅管連接，模擬車(chē)室的空間與某一型號(hào)的電動(dòng)車(chē)內(nèi)部空間相當(dāng)，同時(shí)用保溫材料覆蓋車(chē)室壁面，對(duì)車(chē)室進(jìn)行保溫。在系統(tǒng)的各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)（壓縮機(jī)進(jìn)、出口，冷凝器進(jìn)、出口，蒸發(fā)器進(jìn)、出口）安裝壓力及溫度傳感器，同時(shí)采用電壓及電流傳感器采集壓縮機(jī)的電壓及電流，用以計(jì)算壓縮機(jī)功耗。利用Simulink搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄各節(jié)點(diǎn)的壓力及溫度隨時(shí)間的變化。壓縮機(jī)及換熱器的主要參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)試驗(yàn)平臺(tái)[8]

表1 渦旋壓縮機(jī)的主要參數(shù)

表2 換熱器主要參數(shù)

系統(tǒng)制熱時(shí)，壓縮機(jī)做功將低溫低壓的氣態(tài)工質(zhì)壓縮成高溫高壓氣體，氣體工質(zhì)通過(guò)四通換向閥進(jìn)入車(chē)室內(nèi)換熱器，對(duì)車(chē)室內(nèi)散熱，等壓冷凝為中溫高壓液體進(jìn)入膨脹閥，節(jié)流降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪簹庖夯旌衔?，進(jìn)入車(chē)室外換熱器從環(huán)境中吸熱，工質(zhì)吸熱之后再次進(jìn)入壓縮機(jī)，完成一次循環(huán)。當(dāng)系統(tǒng)制冷時(shí)，壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣態(tài)工質(zhì)先流經(jīng)車(chē)室外換熱器，再經(jīng)節(jié)流后流入車(chē)室內(nèi)換熱器，與制熱過(guò)程相反。

試驗(yàn)使用R134A、R410A、R407C 3種工質(zhì)，物理性質(zhì)見(jiàn)表3。這3種工質(zhì)是現(xiàn)在最常用的空調(diào)制冷劑，其中R134A在汽車(chē)空調(diào)中應(yīng)用最為廣泛，試驗(yàn)研究充注量及3種不同工質(zhì)在低溫環(huán)境下對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)制熱性能的影響。

表3 各工質(zhì)物理性質(zhì)

2 理論分析

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱時(shí)，是將熱能從低溫?zé)嵩矗ㄍ饨绛h(huán)境）輸送到高溫?zé)嵩矗ㄜ?chē)室），其制熱系數(shù)一般大于1。理想制熱過(guò)程的溫熵圖（-）和壓焓圖（lg-）分別如圖2中（a）、（b）所示。圖2（a）中橫坐標(biāo)為熵值，縱坐標(biāo)為溫度，圖2（b）中橫坐標(biāo)為焓值，縱坐標(biāo)lg為絕對(duì)壓力的對(duì)數(shù)值。在圖2（a）和（b）中，1—2表示理想狀態(tài)下工質(zhì)在壓縮機(jī)內(nèi)絕熱壓縮，2—3表示工質(zhì)在車(chē)室內(nèi)換熱器內(nèi)等壓冷凝放熱，3—4表示工質(zhì)通過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓，4—1表示工質(zhì)在車(chē)室外換熱器內(nèi)等壓蒸發(fā)吸熱。工質(zhì)經(jīng)過(guò)4個(gè)基本過(guò)程，從外界環(huán)境即低溫?zé)嵩次鼰?，將熱量泵送到?chē)室內(nèi)。

圖2 熱泵空調(diào)理論循環(huán)

式中，c為單位質(zhì)量下工質(zhì)的制熱量，kJ/kg；2為圖2（a）和（b）中點(diǎn)2的焓值kJ/kg；3為圖2（a）和（b）中點(diǎn)3的焓值kJ/kg。

式中，為單位質(zhì)量工質(zhì)下壓縮機(jī)功耗kJ/kg；1為圖2（a）和（b）中點(diǎn)1的焓值，kJ/kg。

因此電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)在制熱情況下系統(tǒng)的值為

利用式（3）計(jì)算系統(tǒng)的值比實(shí)際制熱量和壓縮機(jī)功耗量的比值大，因?yàn)槭剑?）沒(méi)有考慮壓縮機(jī)損失，所以值會(huì)比實(shí)際情況大，但利用式（3）計(jì)算值更加方便。

4 試驗(yàn)過(guò)程

利用北京理工大學(xué)電動(dòng)車(chē)輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境艙系統(tǒng)模擬環(huán)境溫度以及濕度等環(huán)境參數(shù)，該環(huán)境艙系統(tǒng)能模擬環(huán)境溫度從-40℃到130℃。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)車(chē)室溫度達(dá)到預(yù)定值或者系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)，空調(diào)壓縮機(jī)停止工作，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各點(diǎn)的溫度及壓力。

表4 研究充注量的試驗(yàn)工況

試驗(yàn)使用專(zhuān)用工質(zhì)加注電子秤控制工質(zhì)充注量的多少（電子秤分辨率為5g，精度±0.05%），以此研究工質(zhì)充注量對(duì)熱泵空調(diào)制熱性能的影響。對(duì)充注量的研究以R134A為例進(jìn)行，表4為研究充注量的試驗(yàn)工況。除此之外，在適宜充注量情況下，將R134A、R410A及R407C 3種工質(zhì)的制熱能力進(jìn)行對(duì)比。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 工質(zhì)充注量對(duì)系統(tǒng)制熱性能的影響

以制熱工況下車(chē)室內(nèi)溫度能否達(dá)到18℃作為衡量空調(diào)系統(tǒng)制熱能力的參考標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示為-5℃時(shí)車(chē)室內(nèi)溫度隨空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的變化情況。在環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，充注量600 g和670 g均能使室內(nèi)溫度上升為18℃，且670 g時(shí)車(chē)室內(nèi)溫度上升最快，而充注量400 g時(shí)室內(nèi)溫度不能達(dá)到要求。結(jié)果表明工質(zhì)的充注量越多，制熱量越大。原因?yàn)槌渥⒘吭蕉啵到y(tǒng)內(nèi)的質(zhì)量流量越大，單位時(shí)間內(nèi)工質(zhì)通過(guò)室內(nèi)換熱器的換熱量增多，制熱量增大。從車(chē)室內(nèi)溫度上升程度判斷，充注量為400 g時(shí)，由于系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量過(guò)少，工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)吸熱和在冷凝器內(nèi)放熱均不足，導(dǎo)致系統(tǒng)制熱量不足。

圖3 車(chē)室溫升曲線（環(huán)境溫度-5℃）

如圖4所示，環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，充注量為670 g時(shí)，壓縮機(jī)功耗遠(yuǎn)大于其他充注量。充注量為400 g時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)壓縮機(jī)平均功耗為859 W，與充注量為600 g時(shí)功耗基本相同，但制熱量明顯較小，故充注量為600 g時(shí)制熱效率較高。

還進(jìn)行了環(huán)境溫度為-10℃及-15℃時(shí)的熱泵空調(diào)制熱試驗(yàn)，充注量為670 g時(shí)，車(chē)室內(nèi)溫度同樣能上升到18℃，但壓縮機(jī)功耗較高；在其他充注量情況下，車(chē)室內(nèi)溫度不能滿足要求。說(shuō)明在環(huán)境溫度為-10℃或-15℃時(shí)，僅改變充注量并不能滿足系統(tǒng)高效制熱的要求，可通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)來(lái)提升系統(tǒng)制熱性能。

圖4 壓縮機(jī)功耗曲線（環(huán)境溫度-5℃）

5.2 充注量對(duì)系統(tǒng)壓力及溫度的影響

由圖5可知，在環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，充注量為670 g時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力急劇上升，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，系統(tǒng)運(yùn)行至1 300 s時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力高達(dá)1.935 MPa，接近壓縮機(jī)所允許的最大壓力2 MPa，易發(fā)生危險(xiǎn)。由于工質(zhì)充注量過(guò)量時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力會(huì)急劇上升，可以判斷出，670 g時(shí)系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的充注量過(guò)量。同時(shí)可以看出，充注量為600 g時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力隨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間緩慢增加，充注量為400 g時(shí)壓縮機(jī)出口壓力較低且基本保持穩(wěn)定。

圖5 壓縮機(jī)出口壓力（環(huán)境溫度-5℃）

從圖6可知，在環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，壓縮機(jī)出口溫度隨著充注量的增大而增大，充注量越大，壓縮機(jī)出口溫度上升越快。充注量為600 g及670 g時(shí)壓縮機(jī)出口溫度均能達(dá)到70℃左右，但充注量為400 g時(shí)壓縮機(jī)出口溫度較低，導(dǎo)致制熱量不足。

由圖7可知，在環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，充注量為600 g及670 g時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度先降低后緩慢升高，隨時(shí)間增加，其值基本保持不變；充注量為400 g即充注量不足時(shí)，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度先上升后下降直至平穩(wěn)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)蒸發(fā)器進(jìn)口溫度高于充注量為600 g和670 g時(shí)，甚至高于環(huán)境溫度，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)從外界吸熱有限，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)制熱量不足。

圖6 壓縮機(jī)出口溫度（環(huán)境溫度-5℃）

圖7 蒸發(fā)器進(jìn)口溫度（環(huán)境溫度-15℃）

由圖8可知，在環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，充注量為670 g時(shí)，蒸發(fā)器壓力最高，原因?yàn)閴嚎s機(jī)出口壓力較高，節(jié)流降壓之后壓力仍較高；充注量為400 g時(shí)，從壓縮機(jī)出口壓力看，節(jié)流降壓幅度很小，從而導(dǎo)致蒸發(fā)器進(jìn)口溫度過(guò)高，工質(zhì)吸熱較少；充注量為600 g時(shí)，蒸發(fā)器工質(zhì)的進(jìn)口壓力低于其他充注量，說(shuō)明節(jié)流降壓效果明顯，蒸發(fā)器能從外界環(huán)境中正常吸熱。

圖8 蒸發(fā)器進(jìn)口壓力（環(huán)境溫度-15℃）

5.3 不同工質(zhì)對(duì)熱泵空調(diào)制熱性能的影響

由圖9可知，環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，R407C及R410A為工質(zhì)時(shí)，車(chē)室內(nèi)溫度能上升到18℃，而R134A不能滿足要求。由圖10可知，在環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，僅工質(zhì)R410A滿足制熱要求，但工質(zhì)R407C接近制熱要求。

圖9 不同工質(zhì)下車(chē)室內(nèi)平均溫度（環(huán)境溫度-10℃）

圖10 不同工質(zhì)下車(chē)室內(nèi)平均溫度（環(huán)境溫度-15℃）

由圖11可知，R410A作為工質(zhì)時(shí)壓縮機(jī)功耗高于R407C，在環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，R410A高于R407C壓縮機(jī)功耗12.7%，并且在環(huán)境溫度為-10℃時(shí)，R407C作為工質(zhì)時(shí)，車(chē)室內(nèi)溫度上升較快；在環(huán)境溫度為-15℃時(shí)，R410A工質(zhì)的壓縮機(jī)功耗高于R407C壓縮機(jī)功耗28.2%，并且R407C在環(huán)境溫度為-15℃時(shí)車(chē)室內(nèi)溫度可以上升到16℃，滿足要求。故在環(huán)境溫度為-10℃及-15℃時(shí)，在壓縮機(jī)及冷凝器等系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，工質(zhì)R407C對(duì)熱泵系統(tǒng)的制熱情況最有利。同時(shí)應(yīng)注意R407C及R410A作為工質(zhì)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力較高，避免出現(xiàn)壓力過(guò)高的情況。

圖11 3種工質(zhì)壓縮機(jī)功耗

6 結(jié) 論

1）工質(zhì)充注量對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)的制熱性能具有重要的影響，在環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，充注量為600 g和670 g均能滿足要求，但充注量為670 g時(shí)充注過(guò)量，在相同的系統(tǒng)參數(shù)情況下，以R134A作為工質(zhì)時(shí)，最優(yōu)充注量為600 g。

2）壓縮機(jī)出口壓力及溫度隨充注量的增加而增大，充注量過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)出口壓力過(guò)大，造成危險(xiǎn)。工質(zhì)充注量過(guò)小，節(jié)流降壓幅度很小，會(huì)導(dǎo)致工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱較少，制熱效率很低；工質(zhì)充注量過(guò)大，工質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)口溫度較低，但壓力偏高，不利于工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱；充注量適量時(shí)，工質(zhì)在蒸發(fā)器中正常吸熱。

3）R134A、R410A及R407C 3種工質(zhì)，在環(huán)境溫度為-10℃和-15℃時(shí)，在系統(tǒng)參數(shù)相同的情況下，R410A及R407C制熱性能較好，但R407C功耗低。故在環(huán)境溫度為-10℃或-15℃的低溫工況下，R407C的制熱性能最優(yōu)。

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2017-10-18

U463.85+1

A

1002-4581（2018）01-0017-06

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.01.005