電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)性能實驗研究

杜曉錄 郭憲民 張丹丹

(天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134)

在低碳環(huán)保、節(jié)能減排理念及國家政策的大力支持下，新能源汽車發(fā)展迅速，已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流趨勢。電動汽車(electric vehicles，EVs)因使用電能提供動力，相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車(internal combustion engine vehicles，ICEVs)，不需消耗化石燃料，故不存在環(huán)境污染，因而發(fā)展前景較好[1]。對于EVs而言，空調(diào)系統(tǒng)作為保證乘員舒宜性的主要子系統(tǒng)，消耗的電能約占整車能耗的33%[2]，極大的減少了里程數(shù)，所以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗成為提升EVs里程數(shù)的關(guān)鍵方法[3]。因此，提出一種既能保證車內(nèi)人員安全舒適，又能降低能耗的高效電動汽車空調(diào)系統(tǒng)是極為必要的[4-5]。

軒小波等[6]在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中使用兩個內(nèi)部換熱器串聯(lián)形成三換熱器的空調(diào)系統(tǒng)，實驗證明，三換熱器系統(tǒng)比傳統(tǒng)兩換熱器系統(tǒng)的COP可提高18.2%。Zhang Dong等[7]分析了使用經(jīng)濟器的蒸氣噴射(economized vapor injection，EVI)制冷系統(tǒng)性能，表明經(jīng)濟器可有效提高低溫下空調(diào)系統(tǒng)的性能。Wang Jijin等[8]通過理論計算與實驗研究對比分析了閃蒸罐蒸氣噴射(flash tank vapor injection，F(xiàn)TVI)制冷系統(tǒng)以及經(jīng)濟器蒸氣噴射制冷系統(tǒng)的性能，得出FTVI系統(tǒng)性能更優(yōu)的結(jié)論。為了進一步提高電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能，任學銘等[9]提出電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的單蒸發(fā)器和雙蒸發(fā)器兩種除濕方案，實驗表明雙蒸發(fā)器除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能和出風溫度均高于單蒸發(fā)器除濕空調(diào)系統(tǒng)。Zhang Yun等[10]提出一種二次回路空調(diào)系統(tǒng)，可避免制冷劑與車內(nèi)人員的直接接觸，同時加入熱回收設計，實驗表明該系統(tǒng)COP比無熱回收設計的系統(tǒng)可提高9.29%。提高空調(diào)系統(tǒng)性能的另一種方法是使用制冷劑引射技術(shù)[11-12]，將引射器應用于空調(diào)系統(tǒng)，可有效提高蒸發(fā)器比焓差，減少壓縮機功耗，Wang Xiao等[13]在FTVI系統(tǒng)的基礎上引入引射器，提出一種新型噴射器補氣循環(huán)(ejector vapor injection cycle，EVIC)，仿真結(jié)果表明，與FTVI系統(tǒng)相比，采用R22、R290和R32三種制冷劑的EVIC系統(tǒng)COP分別提高了8.4%、10.2%、8.2%。李浩等[14]通過引入引射器可使電動汽車空調(diào)系統(tǒng)COP提高1.65%～12.60%，能夠有效減少系統(tǒng)能耗從而增加汽車的行駛里程。豐田普銳斯車型設計將蒸發(fā)器和引射器作為一體換熱器來提高系統(tǒng)制冷性能[15-16]。總體而言，目前引射器增效空調(diào)系統(tǒng)多用于住宅和商用，在電動汽車空調(diào)系統(tǒng)中應用引射器的研究較少。

為了進一步提高電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，本文將引射器引入傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，在蒸發(fā)溫度相同的情況下，使用引射器提高系統(tǒng)吸氣壓力，減少壓縮機功耗，與此同時，換熱器形成梯級蒸發(fā)，增大傳熱溫差，提高傳熱效率。張丹丹[17]通過模擬研究表明，無論是制冷性能還是熱泵性能，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的性能始終優(yōu)于傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能。本文實驗研究在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的性能，并與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)進行制冷性能對比分析。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)包括電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境室系統(tǒng)及測控系統(tǒng)。電動汽車引射制冷系統(tǒng)如圖1所示，將室內(nèi)、外側(cè)換熱器設計為前后排分離形式，形成梯級蒸發(fā)，增大了傳熱溫差，在室內(nèi)側(cè)前后排換熱器之間加入引射器，提高吸氣壓力，提升系統(tǒng)性能。制冷工況下截止閥1開啟，截止閥2關(guān)閉，從壓縮機出來的制冷劑流向室外側(cè)并聯(lián)的前、后排換熱器進行冷凝換熱，再通過電子膨脹閥節(jié)流降壓后的制冷劑被分為兩路，一路進入引射器引射口作為主引射流，另一路進入室內(nèi)后排換熱器，吸熱蒸發(fā)后的氣態(tài)制冷劑被主引射流卷吸，混合擴壓后在室內(nèi)前排換熱器吸熱蒸發(fā)，最后流回壓縮機吸氣口。將截止閥1關(guān)閉，截止閥2開啟，可切換為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流降壓后的制冷劑直接進入室內(nèi)后排、前排換熱器吸熱蒸發(fā)，最后流回壓縮機吸氣口。系統(tǒng)的車內(nèi)、外側(cè)部分分別置于焓差法空調(diào)性能實驗室的室內(nèi)、外側(cè)環(huán)境室內(nèi)，兩個環(huán)境室內(nèi)分別有一套壓縮冷凝機組及空氣處理機組。通過水冷式制冷系統(tǒng)、電加熱管以及電加濕器等實現(xiàn)對環(huán)境室溫、濕度的調(diào)節(jié)，以提供實驗所需的工況條件。

壓縮機選用27 cm3排量的某型號渦旋電動壓縮機，制冷劑為R134a；換熱器均采用百葉窗翅片微通道換熱器，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 百葉窗翅片微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

環(huán)境室系統(tǒng)空氣側(cè)干/濕球溫度采用Pt100Ω鉑電阻測量，精度為±0.1 ℃；相對濕度采用HMP230測量，精度為2%。實驗系統(tǒng)溫度、壓力及質(zhì)量流量測點布置如圖1所示。采用T型熱電偶測量制冷劑溫度，精度為±0.1 ℃；空氣采用EE230型溫濕度傳感器測量溫濕度，精度為±0.1 ℃；壓力傳感器精度為±0.1%FS(即在量程范圍內(nèi)，所有測點的誤差不超過±0.1%)，同時換熱器兩側(cè)制冷劑壓降采用差壓變送器測量，精度為0.1%FS；采用質(zhì)量流量計測量制冷劑質(zhì)量流量，精度為0.1%FS；采用數(shù)字功率計測量系統(tǒng)的功耗，精度為0.1% FS。實驗數(shù)據(jù)使用GP10數(shù)據(jù)采集儀進行采集。

圖1 電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)

2 實驗結(jié)果及分析

在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下，對帶引射器的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能進行實驗研究，并與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能進行對比分析。圖中橫坐標的蒸發(fā)溫度均指后排蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度。

2.1 蒸發(fā)溫度對電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

為了研究蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響，控制實驗系統(tǒng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，冷凝溫度為50 ℃，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，后排蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度變化范圍為-5～5 ℃，對比不同蒸發(fā)溫度下的引射空調(diào)系統(tǒng)性能。

圖2所示分別為蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響。由圖2(a)和圖2(b)可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)的制冷量和COP均逐漸增加，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能是一致的。同時，隨著蒸發(fā)溫度的升高，后排蒸發(fā)器換熱量逐漸減小，前排蒸發(fā)器換熱量逐漸增大，這是因為當蒸發(fā)溫度升高時，通過后排蒸發(fā)器的質(zhì)量流量減小(如圖2(c)所示)，即引射器的引射比逐漸減小，導致后排蒸發(fā)器制冷量逐漸減小。由圖2(a)還可知，后排換熱器的換熱量僅占系統(tǒng)制冷量的10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可以通過調(diào)整毛細管長度及改善引射器的引射比來增大流過后排蒸發(fā)器的工質(zhì)流量，從而提高換熱量，進一步改善系統(tǒng)COP。

圖2 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

2.2 冷凝溫度對電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

為了研究冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響，控制實驗系統(tǒng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，蒸發(fā)溫度為-1 ℃，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，對比不同冷凝溫度下的引射空調(diào)系統(tǒng)性能。

圖3所示為冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響。由圖3可知，隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)的制冷量和COP均減小，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能是一致的。由圖3(a)可知，隨著冷凝溫度的逐漸升高，后排蒸發(fā)器換熱量逐漸增大，而前排蒸發(fā)器換熱量逐漸減小，這是因為當冷凝溫度升高時，通過后排蒸發(fā)器的質(zhì)量流量增大，如圖3(c)所示，即引射器的引射比逐漸增大，導致后排蒸發(fā)器制冷量逐漸增大，而通過系統(tǒng)的總質(zhì)量流量隨著冷凝溫度的升高逐漸減小，所以前排蒸發(fā)器制冷量隨之減小。

圖3 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響

2.3 引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)性能對比

為了對比電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能，控制實驗系統(tǒng)壓縮機轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，過冷度為5 ℃，過熱度為5 ℃，蒸發(fā)溫度變化范圍為-5～5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，分別對比不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下兩個系統(tǒng)的性能。

圖4所示為不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)性能的對比。由圖4可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP均增大。在研究工況范圍內(nèi)，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP始終高于傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量及COP提高的幅度略有增大。在蒸發(fā)溫度為-5～5 ℃范圍內(nèi)，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)制冷量相比于傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)提高約12.98%～14.57%，而COP提高約14.9%～15.31%。

圖4 不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)性能對比

圖5所示為不同冷凝溫度下系統(tǒng)性能的對比。由圖5可知，隨著冷凝溫度的升高，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP均減小，且在研究工況范圍內(nèi)，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP始終高于傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)。隨著冷凝溫度的升高，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的改善幅度減小。在冷凝溫度為45～55 ℃范圍內(nèi)，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)制冷量比傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)高約11.10%～14.08%，而COP比傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)高約13.09%～16.61%。

圖5 不同冷凝溫度下系統(tǒng)性能對比

3 結(jié)論

本文將傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)車內(nèi)換熱器采用前、后排分離形式，在前、后排換熱器之間加入引射器以提高前排換熱器內(nèi)蒸發(fā)壓力，形成梯級蒸發(fā)，提高壓縮機的吸氣壓力，以提高系統(tǒng)性能。實驗研究了在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能，并與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能進行了對比，得到如下結(jié)論：

1)隨著蒸發(fā)溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)總質(zhì)量流量、總制冷量及COP均隨之增大，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的性能變化一致。當蒸發(fā)溫度從-5 ℃升至5 ℃時，系統(tǒng)引射比減小約38.11%，制冷量增大約28.86%，COP增大約18.21%；當冷凝溫度從45 ℃升至55 ℃時，系統(tǒng)引射比增大約59.65%、制冷量減小約41.47%、COP減小約40.28%。且由實驗可知，系統(tǒng)制冷量中后排換熱量僅占10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可通過調(diào)節(jié)毛細管長度及改善引射器引射比來增大后排蒸發(fā)器的工質(zhì)流量，以進一步改善系統(tǒng)COP。

2)對比電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)性能，在不同蒸發(fā)溫度及冷凝溫度工況下，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)電動汽車空調(diào)系統(tǒng)，且隨著蒸發(fā)溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)性能改善幅度逐漸增大。在實驗工況范圍內(nèi)，電動汽車引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量提高約11.10%～14.57%，COP提高約13.09%～16.61%。