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电动汽车热泵空调系统室外换热器结霜特性实验研究
2020-08-09 23:20:56· 来源：上海理工大学能源与动力工程学院 作者：包佳倩 苏林 刘明康 方奕栋 李康
摘要：针对电动汽车热泵空调系统在冬季运行时室外换热器易结霜而影响系统制热性能的问题，本文设计搭建实验系统并进行研究，分析了多流程微通道换热器的结霜特性
摘要：针对电动汽车热泵空调系统在冬季运行时室外换热器易结霜而影响系统制热性能的问题，本文设计搭建实验系统并进行研究，分析了多流程微通道换热器的结霜特性。实验结果表明:室外换热器表面霜层生长和表面温度下降两个因素之间为联动关系，各流道霜层分布呈不均匀状态，换热器内两相制冷剂密度不同且受重力影响，导致产生气液相分离和在流道内分布不均的状况。另外，室外换热器表面霜覆盖率的增长会导致室外换热器制冷剂侧的温度、压缩机吸排气压力、制热量等降低，引起导致压缩机单位功耗增加，以环境温度为0 ℃的数据为例，当霜覆盖率达77．4%时，吸气压力、排气压力和制热量的降幅分别为33．4%、12．1%和25．8%，单位功耗增幅为32．0%，导致系统运行的稳定性降低，使制热量无法满足乘员舱制热需求。
能源危机和气候变暖成为亟待解决的全球问题，使电动汽车替代燃油车成为主流趋势，这对汽车空调提出了更高的要求[1]。电动汽车的电机余热无法满足冬季供热需求，采用正温度系数热敏电阻(PTC，positive temperature coefficient)加热成为常用的解决方案，但因消耗更多的电池动力而导致续航里程大幅削减，低温环境下削减量甚至达50%以上[2-4]。研发更高效的汽车空气调节系统成为学术界和产业界的共同方向，热泵系统由于COP 大于1 成为可行的替代方案。S．Bellocchi 等[5]研究表明，不同的环境温度下用热泵替代PTC 可节约17%～52%的能耗。但热泵系统的应用也存在一些问题，在制热模式下运行时，室外换热器作为蒸发器，扁管中的制冷剂温度低于0 ℃，又因铝的热阻较小，热传导后，扁管表面温度降至水蒸气的露点和冰点温度以下而结霜。
国内外很多学者研究了热泵型电动汽车空调系统结霜问题。在结霜机理方面，李景善等[8-9]对空气源热泵室外换热器表面霜层生长特性及系统动态性能进行了实验研究，结果表明:系统性能恶化是室外换热器表面温度下降、霜层厚度的增加和空气流阻增加导致风量降低这3 个因素之间循环作用的结果，而且迎面风速对平均霜密度有重要影响。还有学者研究了换热器类型对结霜的影响及换热器内制冷剂流动分布对系统性能的影响。Xu Bo 等[10]研究了水平和竖直扁管型两种微通道换热器的循环结霜和除霜的性能和机理，发现对于水平扁管型微通道换热器，其循环结霜和除霜过程所积存在翅片间的水会加快结霜速率并提前触发除霜动作，而竖直扁管型微通道换热器则具有更好的排水能力，参数稳定性较好。L．Feng 等[11]建立了一套热泵系统模型，包括压缩机、储液罐、微通道换热器等部件的理论模型，仿真结果表明该模型在其他工况下与实验结果的一致性较好，但在制热模式下存在功耗和制热量高于实验值的问题，这主要是由实测时室外换热器中制冷剂流动分布不均匀导致。为缓解结霜问题，J．S．Byun 等[12]设计了一种从压缩机排气管引一条支路通向室外换热器进口的热泵系统来减缓室外换热器表面霜层的生长和扩散，发现在支路制冷剂流量占总流量20%时性能最佳，但在此过程中，室外换热器中制冷剂流量的增加会导致热泵运行的瞬态波动。在制热模式运行时室外换热器表面霜层生长分布特性及结霜对系统主要参数的影响。
1 实验装置和方法
1.1 实验装置
上述研究主要集中于空气源热泵系统的结霜机理、换热器类型或系统设计对结霜速率的影响，而汽车空调系统的室外换热器流道设计对结霜的影响以及结霜对系统的影响研究较少，因此本文设计并搭建了某款电动汽车热泵空调系统的实验台架，研究系统
实验在汽车空调焓差室中进行，热泵系统所充注制冷剂为R134a。实验装置和测试系统如图1所示。焓差室由内外侧两个环境室构成，通过独立安装的空气处理装置控制环境室内空气的温度、湿度和风量维持在设定值。受焓差室能力限制，外环境室的相对湿度无法达到实验所需的值，故本实验中采用独立加湿器辅助加湿。
热泵系统由压缩机、室外换热器、室内冷凝器、室内蒸发器、电子膨胀阀、热力膨胀阀、储液罐等组成，其中电子膨胀阀和热力膨胀阀均带有截止功能，系统通过电磁阀切换制热和制冷模式，本实验所用制热模式的相关组件参数如表1所示。图1 中黑色细线表示无制冷剂流动，制热模式下室内蒸发器不起作用，内环境室风道的室内蒸发器侧模式风门关闭、室内冷凝器侧模式风门开启，电磁阀1 关闭、电磁阀2 开启。
图1 实验装置及测试系统(制热模式)
Fig.1 Experimental device and test system(in heating mode)
压缩机、室外换热器、室内冷凝器的制冷剂侧进出口布置有Pt100 铂电阻和压力传感器来测量制冷剂的温度和压力，采用科氏质量流量计测量制冷剂质量流量，采用功率计测量压缩机功耗。为测量制热运行时室外换热器表面各区域的温度变化和分布情况，在迎风面距扁管端面2 mm 处布置了12 个K 型热电偶，具体位置如图2所示。从左至右标记为第一至第四流程，每个流程靠近中轴的上中下3 个位置分别布置3 个温度测点。测量精度见表2，实验中所有数据由自编软件读取并储存，取样时间间隔设置为6 s。
表1 热泵系统参数
Tab.1 Specifications of heat pump system
图2 室外换热器结构及测点布置
Fig.2 Structure of outdoor heat exchanger and layout of measuring points
表2 主要参数测量精度
Tab.2 Main measured parameters and the precision
另外，经手持温湿度测量仪的测试，实验中室外换热器迎风表面相对湿度能维持在80%～85%，相对湿度误差的来源为:因独立加湿器产生的误差5%，以及手持温湿度计的仪器误差±3%。采用R．J．Moffat[13]提出的误差传递方法进行分析，上述两个误差分量相互独立，故按均匀分布考虑，相对湿度的总体误差为5．8%。
1.2 实验方法
此热泵系统制冷剂充注量为650 g。Qu Xiaohua等[14]研究表明，蒸发器易在高湿、非极低环境温度、高换热量和低风速下结霜。因此选取如表3所示的实验工况，其中由于室外侧采用独立加湿器辅助加湿，故虽为全新风工况，但室内侧的相对湿度不同于室外侧，与实车运行时有所区别。实验中每隔5 min拍照记录结霜现象。
表3 实验工况
Tab.3 Test conditions
为定性分析室外换热器表面霜层覆盖率对热泵系统性能和各相关参数的影响，用ImageJ 软件(版本1．52a)对实验中所拍摄的室外换热器结霜过程图片进行处理。ImageJ 是一款科学图像分析工具，除可计算选定区域内分析对象的几何特征外，还可进行图片的区域和像素统计，实现数据的可视化[15]。ImageJ通过阈值法将原始图片转换成灰度模式，进而转化成二值图像。阈值法可对不同属性的像素进行划分，引入一个二值图像函数f(x，y)，若像素点灰度值高于设定的灰度阈值T，则记为最大灰度值Tmax，否则，记为最小灰度值Tmin[10，16]。函数如下:
此处理方法能使霜层有效地独立于背景，但灰度阈值的选择对于霜覆盖率的计算有较重要的影响。由于本实验采取定性分析法，故通过对一组实验的结霜过程图片进行预处理，最终选定一个合适的灰度阈值，并应用于所有图片的处理。
2 实验结果及分析
2.1 霜层生长模式及霜量表征
图3所示为此热泵系统在制热模式下运行时，外环境温度为0 ℃和3 ℃时，室外换热器表面的霜层生长照片，集液管水平放置，制冷剂上进上出。另外，为凸显霜层生长与换热器流程分布的关系，在其中两张照片上框示出了换热器的4 个流程，箭头方向为制冷剂流向。由于环境温度0、3、5 ℃下室外换热器处进风均为高湿度，故环境温度越低霜层生长越快，最终的霜覆盖率也越高，但是霜层生长模式呈现相同的规律。
图3 室外换热器表面霜层生长照片
Fig.3 Photos of frost growth on surface of outdoor heat exchanger
第一流程霜层均匀分布，因液态制冷剂占比较高、流程扁管数较少，且扁管和集液管内流阻所产生的压降最低、整体流速最高，气态和液态制冷剂不易分离。进入第二流程时，右半流道先结霜，因为在下方集液管中气液分层，气态制冷剂密度较小，更易上升进入垂直扁管，所以气态制冷剂主要集中在左半流道，使得该区域几乎没有制冷剂蒸发吸热，直观表现为前期表面无霜层生长。进入第三流程时，左半流道先结霜，这是由于气态制冷剂与液态制冷剂相比有更高的流速，液态制冷剂在重力的作用下更易进入靠近入口的扁管，使得气液分离[17]。进入第四流程时的现象和原因与第二流程相同，但无霜层生长的区域面积率更大，因为第四流程扁管数更多，且此时为制冷剂在室外换热器中蒸发吸热的最后阶段，气态制冷剂占比较液态制冷剂高。另外，在制热运行后期，换热器表面原来无霜层生长部分也均逐渐由外边缘至内部覆盖霜层。原因是由于扁管的导热作用使得冷量逐渐由结霜区域向未结霜区域传递，同时霜层覆盖区域翅片空隙被堵，制冷剂在换热器中换热不足，导致液态制冷剂占比提高而结霜区域扩大。J．Benouali等[18]对四流程的竖直扁管型微通道换热器中制冷剂的流动分布进行了实验研究，制冷剂同样为上进上出，据红外热像图显示的两相制冷剂分布与本实验的现象及解释具有一致性。
图4所示为环境温度0 ℃下室外换热器迎风表面12 个测点的温度变化趋势，系统运行5 min 时各测点温度已低于0 ℃。测点1～9 的温度从10 min 开始进入快速下降阶段，直至25 min 后趋势减缓，此过程中各测点所在区域的霜层从较薄状态逐渐长至较厚状态。而测点10～12 的温度在起始35 min 内基本维持在-2 ℃，从35 min 才开始快速下降且速率大于测点1～9，直至40 min 时所在流道被薄霜覆盖，此后降温速度放缓、霜层增厚。上述现象反映了室外换热器表面霜层生长和表面温度下降两个因素之间的联动关系，即表面温度下降为霜层生长提供条件，而霜层的生长又加剧了表面温度的下降。
图4 环境温度0 ℃时室外换热器迎风表面测点温度随时间变化
Fig.4 Variations of temperature at measured points on windward surface of outdoor heat exchanger in ambient temperature of 0 ℃with time
换热器表面温度分布反映了扁管内制冷剂温度分布。以20 min 时各点温度为例，对各流程3 个温度点取平均值，第一流程至第四流程的平均温度值分别为-12．7、-8．8、-11．7、-2．3 ℃，最大温度差值达10．4 ℃，因为流动过程中气态和液态制冷剂分离，且气态制冷剂处于过热态，温度高于蒸发温度。这表明室外换热器存在两相制冷剂流动分布不均的问题，且由于气态制冷剂与空气之间的传热温差小、传热效率低，气态制冷剂所在区域的面积未得到充分利用，使得换热器的换热能力降低。
图5所示为各温度下霜覆盖率随系统运行时长的变化趋势。霜覆盖率定义为霜层覆盖面积和室外换热器面积的比值，其值由ImageJ 处理得出。
图5 霜覆盖率变化
Fig.5 Change of frost coverage rate
由图5 可知，霜覆盖率均呈增长状态，环境温度越低则霜生长速度越快。系统在0 ℃、3 ℃环境温度下定时运转50 min，前者霜覆盖率已接近100%，而后者不足80%，5 ℃环境温度下尚不足50%，霜分布特征及对系统参数的影响还不明显，故持续运转至130 min。若以环境温度3 ℃下77．4%的霜覆盖率为基准，各温度下霜覆盖率达到该程度的时长分别为25、50、100 min，此后将对比各环境温度下系统从启动到运行至以上时长的部分参数变化趋势。
2.2 结霜对室外换热器制冷剂侧参数的影响
图6所示为室外换热器制冷剂侧进出口温度随时间的变化趋势。由图6 可知，各环境温度下进出口温度均呈下降趋势，且环境温度越低则下降速率越快。进出口温度呈下降趋势是因霜层的生长引起空气侧对流换热表面传热系数和导热系数降低，使得流经换热器的制冷剂吸热量减少，蒸发温度降低，即制冷剂侧进出口温度降低。而环境温度越低下降速率越快，则是因环境温度越低，蒸发温度越低，故换热器表面的温度越低、霜层越易于生长，而霜层生长又促进了蒸发温度的进一步降低。
图6 室外换热器制冷剂侧进出口温度变化
Fig.6 Change of inlet and outlet temperature of outdoor heat exchanger in refrigerant side
另外，环境温度3 ℃和5 ℃下制冷剂侧的温度较为接近，而环境温度0 ℃和3 ℃下的则相差较大。以各环境温度下的初始状态点的进口处制冷剂温度进行对比，环境温度3 ℃时比5 ℃时低1．5 ℃，而环境温度0 ℃时比3 ℃低4．3 ℃，环境温度下降1 ℃引起的制冷剂侧温度下降量分别为0．75 ℃和1．43 ℃。可知，环境温度影响室外换热器制冷剂侧的温度，且环境温度越低，同等环境温度下降量引起的制冷剂侧温度下降量越大。
2.3 结霜对压缩机参数及制热量的影响
图7所示为压缩机的吸排气压力随时间的变化趋势。由图7 可知，各环境温度下压缩机吸排气压力均呈下降趋势。环境温度0、3、5 ℃下初始状态的吸气压力分别为0．13、0．18、0．19 MPa，至霜覆盖率达77．4%时的下降量均为0．06 MPa，降幅分别为33．4%、24．0%、24．7%，而排气压力降幅为12．1%、12．0%、13．0%。
图7 压缩机吸、排气压力变化
Fig.7 Change of suction and discharge pressure of compressor
吸气压力降低是因其受室外换热器出口处制冷剂压力的影响，而室外换热器出口处制冷剂压力又随霜覆盖率的提高而降低。排气压力降低是因压缩机定转速运转而能力有限导致，其值降低意味着系统的冷凝温度降低，同时，由于压缩机吸气密度降低，制冷剂质量流量也呈降低趋势。
图8所示为制热量及压缩机单位功耗随时间的变化趋势，环境温度0、3、5 ℃下，制热量在起始阶段均呈平稳或略微增长趋势，而后均呈下降趋势，降幅分别为25．8%、20．7%、20．5%；环境温度对制热量有较大影响，以过程中各环境温度对应的最大制热量为例，分别为2．4、3．1、3．3 kW。压缩机单位功耗则呈增长趋势，涨幅分别为32．0%、28．5%、20．9%，因室外换热器结霜过程中压比增长，压缩机运行偏离高效状态，这里采用单位功耗表征压缩机的运转效率是为了排除制冷剂质量流量降低对功耗的影响。综上所述，室外换热器结霜会导致系统能效降低，制热量无法满足制热负荷要求。
图8 制热量及压缩机单位功耗变化
Fig.8 Change of heating capacity and unit power consumption of compressor
3 结论
本文搭建了热泵型电动汽车空调系统实验台，研究了热泵系统在制热模式运行时，室外换热器的霜层生长分布特性及结霜对系统重要参数的影响，得出结论如下:
1)在实验所测试的工况下，环境温度越低霜层生长越快，最终的霜覆盖率也越高，但霜层生长模式呈现相同的规律，即各流道霜层分布呈不均匀状态，原因为其内两相制冷剂密度不同且受重力影响，导致产生气液相分离、在流道内分布不均的状况。
2)室外换热器结霜会导致室外换热器制冷剂侧温度降低，其表面霜层生长和表面温度下降两个因素之间为联动关系，即表面温度下降为霜层生长提供条件，而霜层的生长又加剧了表面温度的下降。
3)室外换热器结霜会导致压缩机的吸排气压力和系统制热量降低，从而导致压缩机单位功耗增长。在本实验工况下，当霜覆盖率达77．4%时，环境温度0、3、5 ℃下的吸排气压力降幅分别为33．4%和12．1%、24．0%和12．0%、24．7%和13．0%，制热量降幅分别为25．8%、20．7%、20．5%，而压缩机单位功耗增幅分别为32．0%、28．5%、20．9%，即环境温度越低，系统各参数及性能受结霜影响越大。其中，吸气压力的大幅降低会极大影响系统运行的稳定性。
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