電子膨脹閥用于電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

穆文杰，蘇林，李康，方奕棟，余軍，楊忠誠(chéng)

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 制冷與低溫工程研究所）

0 引言

近年來(lái)，全球電動(dòng)汽車保有量逐漸增加，汽車電動(dòng)化被認(rèn)為是促進(jìn)能源多樣性和緩解全球變暖與污染的有效途徑。然而，由于續(xù)駛里程的原因，電動(dòng)汽車零部件的能耗一直備受關(guān)注，其中空調(diào)系統(tǒng)作為能耗最大的部件，其性能對(duì)整車?yán)m(xù)駛里程有著顯著的影響[1]。熱泵空調(diào)系統(tǒng)是降低電動(dòng)汽車能耗的一種有效途徑，它不僅能夠提升車輛續(xù)航能力，還可以提供制冷和制熱能力，維持乘員艙舒適度，包括溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速等[2]。

電子膨脹閥(Electronic expansion valve,EXV)被認(rèn)為是熱力膨脹閥(Thermal expansion valve,TXV)的替代品，在空調(diào)系統(tǒng)中采用EXV 可以優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，節(jié)能效果顯著[3-4]。EXV 最大的優(yōu)點(diǎn)在于它可以通過(guò)PID 調(diào)節(jié)器精確控制閥開(kāi)度的大小，更好地處理瞬態(tài)過(guò)程，使壓力和過(guò)熱度振蕩最小化[5]。Rabelo N[6]等研究發(fā)現(xiàn)，合適的閥開(kāi)度有助于調(diào)節(jié)冷媒的質(zhì)量流量，控制系統(tǒng)過(guò)熱度，降低系統(tǒng)壓比和壓縮機(jī)排氣溫度，減小換熱器焓差；華若秋[7]等實(shí)驗(yàn)研究了0 ℃時(shí)EXV 開(kāi)度變化對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：冷凝壓力、過(guò)冷度、制熱量和熱泵出風(fēng)溫度隨EXV 開(kāi)度的增加而減小，而系統(tǒng)COP 先增大后減??；虞中旸[8]等探討了不同EXV 開(kāi)度下的過(guò)熱度振蕩機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：EXV 開(kāi)度較小時(shí)，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度振幅在1 K 內(nèi)，隨著開(kāi)度增大，振幅變大為3 K；何俊[9]等對(duì)改變EXV 開(kāi)度的VRF(Variable refrigerant flow)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了壓縮機(jī)的不完全濕壓縮循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：較低壓縮機(jī)頻率下的EXV開(kāi)度可調(diào)范圍較??；Zou[10]等分析了R1234yf 熱泵系統(tǒng)中EXV 開(kāi)度和工況對(duì)熱泵供熱性能的影響。結(jié)果表明：EXV 開(kāi)度對(duì)冷凝工況影響較大，對(duì)蒸發(fā)工況和壓縮機(jī)進(jìn)口工況影響較小，增大EXV 開(kāi)度有利于提高加熱性能；藕俊彥[11]等基于R417A 噴氣增焓空氣源熱泵系統(tǒng)，研究指出改變EXV 的開(kāi)度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)循環(huán)補(bǔ)氣量和系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)，并且得到了使系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)下的最佳閥開(kāi)度。

本文通過(guò)制熱實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外環(huán)境溫度下，EXV 開(kāi)度對(duì)熱泵系統(tǒng)中壓縮機(jī)吸排氣特性、室內(nèi)空調(diào)箱出風(fēng)溫度等參數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

為模擬實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境，整個(gè)熱泵系統(tǒng)搭建在新能源汽車空調(diào)綜合評(píng)估焓差室中。該焓差室由室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)兩個(gè)相互獨(dú)立的環(huán)境控制室組成，主要包含有環(huán)境控制系統(tǒng)、室內(nèi)外風(fēng)洞和出風(fēng)混合箱等，可同時(shí)模擬車內(nèi)和車外環(huán)境。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Experimental equipment and testing system

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)部件規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

表1 熱泵系統(tǒng)部件規(guī)格Tab.1 Component specifications

熱泵系統(tǒng)采用三換熱器形式[12]，組成部件有壓縮機(jī)、室外換熱器、室內(nèi)蒸發(fā)器、室內(nèi)冷凝器、電子膨脹閥、熱力膨脹閥、氣液分離器、質(zhì)量流量計(jì)等。其中，電子膨脹閥裝有電子式驅(qū)動(dòng)裝置，全開(kāi)至全閉過(guò)程只需0.6 s，開(kāi)度調(diào)節(jié)快、精度高。實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量參數(shù)及精度范圍如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量參數(shù)及精度Tab.2 Measured parameters and the precision

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)試工況

實(shí)驗(yàn)中所有操作步驟均可通過(guò)控制軟件和控制柜面板遙控完成。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先運(yùn)行軟件，設(shè)定好實(shí)驗(yàn)所需環(huán)境工況，具體測(cè)試工況如表3 所示。待環(huán)境工況達(dá)到設(shè)定值，將初始?jí)嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 000 r/min，然后調(diào)節(jié)EXV 開(kāi)度為100%（全開(kāi)），室外環(huán)境溫度控制為10 ℃。觀察軟件數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，壓縮機(jī)排氣溫度波動(dòng)范圍在±0.5 ℃之內(nèi)，系統(tǒng)高低壓保持恒定5 min 以上時(shí)，記錄壓縮機(jī)吸排氣壓力、溫度，空調(diào)箱出風(fēng)溫度等數(shù)據(jù)。

表3 測(cè)試工況Tab.3 Test conditions

本文系統(tǒng)制熱量按室內(nèi)冷凝器制冷劑側(cè)換熱量計(jì)算，壓縮機(jī)功耗由功率計(jì)測(cè)得。制熱量和性能系數(shù)COP 計(jì)算公式如下：

式中：Q——系統(tǒng)制熱量，kW；qm——制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；hin——冷凝器側(cè)進(jìn)口焓值，kJ/kg；hout——冷凝器側(cè)出口焓值，kJ/kg；W——壓縮機(jī)功耗，kW。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓縮機(jī)吸排氣壓力

圖2 和圖3 分別為不同工況下壓縮機(jī)吸排氣壓力隨EXV 開(kāi)度的變化趨勢(shì)。如圖所示，隨著系統(tǒng)中EXV 開(kāi)度的不斷增大，壓縮機(jī)吸氣壓力均緩慢上升，排氣壓力均先上升后降低。這是因?yàn)镋XV 開(kāi)度越大，流入壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量越大[13]，導(dǎo)致吸氣口吸氣量增加，故吸氣壓力升高。排氣壓力先升后降是因?yàn)镋XV開(kāi)度較小時(shí)，冷凝壓力升高，排氣壓力受到吸氣壓力和冷凝壓力的共同影響。因此隨著EXV 開(kāi)度的增大，排氣壓力會(huì)先升高。且壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高，壓縮效率越高，壓比也越高[14]，導(dǎo)致排氣壓力增幅也越大；但當(dāng)EXV 開(kāi)度開(kāi)啟到一定程度時(shí)，冷凝壓力隨EXV 開(kāi)度的增大而減小，此時(shí)排氣壓力受到冷凝壓力的影響大于吸氣壓力對(duì)它的影響，所以排氣壓力降低。

圖2 2 000 r/min 下壓縮機(jī)吸排氣壓力變化Fig.2 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 2 000 r/min

圖3 3 000 r/min 下壓縮機(jī)吸排氣壓力變化Fig.3 Variation of suction and exhaust pressure of compressor at 3 000 r/min

另外，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)吸氣壓力影響較小，對(duì)排氣壓力影響較大。不同轉(zhuǎn)速下，吸氣壓力峰值均出現(xiàn)在EXV 開(kāi)度100%處，分別為0.42 MPa和0.41 MPa，而排氣壓力峰值則隨轉(zhuǎn)速有所變化。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時(shí)，排氣壓力峰值為0.69 MPa，其對(duì)應(yīng)的EXV 開(kāi)度為40%；轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，排氣壓力峰值為1.01 MP，其對(duì)應(yīng)的EXV 開(kāi)度為60%。

2.2 壓縮機(jī)吸排氣溫度

圖4、圖5 分別為不同工況下壓縮機(jī)吸排氣溫度隨EXV 開(kāi)度的變化趨勢(shì)。如圖4、圖5 所示，兩種壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，吸氣溫度在所有EXV 開(kāi)度下的波動(dòng)范圍都很小，而排氣溫度隨著EXV 開(kāi)度的增大而不斷降低。造成這種現(xiàn)象的原因是，吸氣溫度波動(dòng)受室外環(huán)境換熱條件的制約，排氣溫度則受蒸發(fā)器出口過(guò)熱度影響較大[15]。

圖4 2 000 r/min 下壓縮機(jī)吸排氣溫度變化Fig.4 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 2 000 r/min

圖5 3 000 r/min 下壓縮機(jī)吸排氣溫度變化Fig.5 Variation of suction and exhaust temperature of compressor at 3 000 r/min

隨著EXV 開(kāi)度的不斷增大，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑流量不斷增加，室外側(cè)蒸發(fā)器出口過(guò)熱度不斷下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣中可能存在少量液體，使得壓縮機(jī)的排氣溫度下降明顯[16]。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外環(huán)境溫度對(duì)排氣溫度影響較大。與2 000 r/min 相比，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，各工況點(diǎn)排氣溫度同比上升12%～33%，且EXV開(kāi)度越小，上升幅度越大；轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，溫度每下降5 ℃，同一EXV 開(kāi)度下的排氣溫度下降3～9 ℃，且EXV 開(kāi)度越大，下降幅度越大。轉(zhuǎn)速2 000 r/min、室外溫度10 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)EXV開(kāi)度至20%，排氣溫度峰值為85 ℃左右；而在相同室外溫度和EXV 開(kāi)度下，轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的排氣溫度峰值高達(dá)114 ℃，即使降低室外溫度到-5 ℃，排氣溫度也有100 ℃左右?？梢钥闯?，當(dāng)壓縮機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，不宜將EXV 開(kāi)度設(shè)置過(guò)小。

2.3 空調(diào)箱出風(fēng)溫度

電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，空調(diào)箱出風(fēng)溫度被認(rèn)為是最能反映系統(tǒng)制熱能力的參數(shù)。圖6 為熱泵空調(diào)系統(tǒng)在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)，空調(diào)箱出風(fēng)溫度隨EXV 開(kāi)度的變化趨勢(shì)。

由圖6（a）可知，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，調(diào)節(jié)EXV 開(kāi)度，出風(fēng)溫度變化不明顯，各室外溫度下最高出風(fēng)溫度對(duì)應(yīng)的EXV 開(kāi)度為40%。由圖6（b）可知，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min 時(shí)，各室外溫度下空調(diào)箱出風(fēng)溫度隨EXV 開(kāi)度的增加而上升，但當(dāng)EXV 開(kāi)度上升至60%后，出風(fēng)溫度趨于穩(wěn)定，最大值為35.8 ℃。分析可知，EXV開(kāi)度越大，系統(tǒng)中制冷劑質(zhì)量流量增加，冷凝器會(huì)在制冷劑流量增加后放出更多熱量，進(jìn)而空氣側(cè)也相應(yīng)得到更多的熱量，所以出風(fēng)溫度逐漸增加。繼續(xù)加大EXV 開(kāi)度，流量雖有所增加，但受冷凝器換熱能力限制，出風(fēng)溫度變化不大。

圖6 空調(diào)系統(tǒng)出風(fēng)溫度變化Fig.6 Variation of air outlet temperature in HVAC

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低室外環(huán)境溫度下提升轉(zhuǎn)速至3 000r/min 并調(diào)整EXV 至最佳開(kāi)度，空調(diào)箱出風(fēng)溫度上升2～6℃。由此可見(jiàn)，在低溫高轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)EXV 開(kāi)度可以獲得更高的出風(fēng)溫度，更好地滿足乘員艙舒適性。

2.4 系統(tǒng)制熱量及COP

熱泵空調(diào)系統(tǒng)中，制熱量和能效比是非常重要的性能指標(biāo)。圖7 和圖8 所示為不同工況下系統(tǒng)制熱量和COP 隨EXV 開(kāi)度的變化情況。轉(zhuǎn)速2 000 r/min 和3 000 r/min 的最佳EXV 開(kāi)度分別為40%和60%。隨著轉(zhuǎn)速的提高，系統(tǒng)制熱量增加，COP 卻降低，原因在于，高轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)等熵效率和容積效率降低，功耗增加，其增加的幅度超過(guò)了制熱量的增加，從而導(dǎo)致COP降低。系統(tǒng)COP 隨著EXV 開(kāi)度的增加而逐漸增大，一旦超過(guò)工況最佳EXV 開(kāi)度，COP 便開(kāi)始下降，此現(xiàn)象在轉(zhuǎn)速3 000 r/min 時(shí)尤其明顯。原因在于，EXV 開(kāi)度在最佳開(kāi)度以上時(shí)，制熱量穩(wěn)定，壓縮機(jī)功耗持續(xù)增大，所以COP 下降。

圖7 不同工況下系統(tǒng)制熱量變化Fig.7 System heat production changes under different working conditions

圖8 不同工況下系統(tǒng)COP 變化Fig.8 COP changes under different working conditions

壓縮機(jī)以3 000 r/min 轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)EXV至最佳開(kāi)度60%，制熱量在室外溫度10 ℃時(shí)達(dá)最大值2 868 W，相比-5 ℃的1 721 W，增長(zhǎng)了40%。COP 也從2.4 上升到3.1，增幅為20%。

綜上可知，在低轉(zhuǎn)速和低溫工況下運(yùn)行熱泵空調(diào)，其性能會(huì)出現(xiàn)衰減，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外溫度越高，系統(tǒng)制熱量和COP 越大。EXV 開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)性能影響較大，其影響隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸增強(qiáng)，且不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下系統(tǒng)最佳EXV 開(kāi)度存在差異。

3 結(jié)論

搭建了電動(dòng)汽車R134a 熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，研究在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外環(huán)境溫度下EXV 開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和室外環(huán)境溫度一定時(shí)，隨著EXV開(kāi)度的增加，壓縮機(jī)吸氣壓力緩慢上升，吸氣溫度幾乎不變；而排氣壓力先增加后減小，排氣溫度顯著降低。

（2）不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，EXV 開(kāi)度存在最優(yōu)值，使空調(diào)箱出風(fēng)溫度和COP 最優(yōu)，此時(shí)EXV最佳開(kāi)度與室外溫度無(wú)關(guān)。且轉(zhuǎn)速2 000 r/min 和3 000 r/min 時(shí)的最佳閥開(kāi)度分別為40%和60%。

（3）在較高的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和較高的室外環(huán)境溫度下調(diào)節(jié)EXV 開(kāi)度至最佳開(kāi)度，熱泵系統(tǒng)性能發(fā)揮更好。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，室外環(huán)境溫度為10 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)EXV 開(kāi)度為60%，空調(diào)箱最高出風(fēng)溫度為35.8 ℃，制熱量最高為2.9 kW，COP 為3.1。