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捷豹路虎基于R290应用于汽车热泵系统的性能实验研究

2024-11-18 09:24:00·  来源：qichere其琛热管理  
　


图片背景

提高HAVC系统效率的一种方法是使用制冷剂，比如CFCs、HCFCs。然而，这些制冷剂的泄露会导致臭氧层的消耗，于是这些很快被《蒙特利尔议定书》禁止。于是转向实用的HFC、R134a。然而，人们又发现HFC在释放到大气中时具有很高的全球变暖潜力（GWP），于是又转向使用替代品R1234yf。最近，欧洲化学品管理局（ECHA）表示即将禁止PFAS。对PFAS的禁令将导致逐步淘汰目前在汽车中使用的R1234yf制冷剂。就这样，R290（丙烷）和R744（二氧化碳）等天然制冷剂有了出头之日。对R290及其共混物进行的各种研究表明，其在交流和热泵运行方面均具有优越的性能。由于沸点较低，R290热泵系统制冷剂可以在比R1234yf较低的环境温度下运行。图片

R290制冷剂的一个主要问题是其可燃性。

这就需要设计一种新的间接制冷剂和冷却剂系统，它可以将加热和冷却转移到机舱和动力系统组件，而无需制冷剂进入机舱。

此外，由于A3的可燃性，系统中R290制冷剂的充料质量限制在150g（本研究时），以避免制冷剂气体浓度。

图片实验研究

下图为研究的新型R290热泵系统机构，分制冷剂系统和冷却剂系统。

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R290间接制冷剂系统的实验设置如下图所示。该系统由一个制冷单元组成，它作为一个独立的制冷系统。然后，冷却液被用作工作液，将热负载转移到船舱暖通空调和动力总成组件，并从环境中提取热量，用于热泵的运行。

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制冷剂系统由四个主要部件以及压力-温度（PT）传感器组成。来自PT传感器的数据将有助于确定制冷剂回路中不同位置的制冷剂的状态。

机舱暖通空调使用冷却剂加热，冷却剂从冷凝器吸收热量。水冷凝器膨胀后的制冷剂通过电子膨胀阀膨胀，冷却制冷剂，降低压力。

使用散热器中的冷冷却剂回收来自环境的热量。热冷却剂，在从环境中回收热量后，通过电池冷却器，在那里它与冷制冷剂交换热量。

电池冷却机压缩后的制冷剂蒸汽，压缩机将热制冷剂蒸汽输送到水冷凝器，从而完成循环。制冷剂箱装有一个33cc变速涡旋压缩机。

独立制冷剂单元充满90g的R290制冷剂。通过充电确定试验，确定实现热泵目标所需的制冷剂量。

为了将R290与当前的制冷剂进行比较，在相同的测试矩阵上使用R1234yf对相同的间接系统进行了测试。

该系统配备有压力、温度和流量传感器，以测量整个回路中不同位置的制冷剂和冷却液状态。下表显示了测量结果的准确性。

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下图为热电偶布置示意。

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图片结果

数据表明，间接热泵系统已经实现了所有的测试矩阵车辆目标。制冷剂单元的最大冷凝器加热随环境温度呈线性变化，从0°C时的9.6kW到-20°C时的6.5kW。冷凝器和暖通空调之间的损失被测量为0.4-0.5kW，这量化了系统的间接性质。

对于不同的环境测试案例，热泵系统的COP在1.5左右。在最大性能情况下，在0°C时达到的最大COP为1.97。

R290热泵系统的冷凝器和系统COP的加热能力：在0°C时，最大冷凝器加热容量为9.8kW。此时，系统代码计算的最大值为1.97。在最大性能负荷情况下，冷凝器的加热能力随环境温度呈线性变化。

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R290系统环境温度为-15°C的散热器之间的空气输入和排气温度分布。

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R290和R1234yf的暖通空调供热能力比较。对比表明，在相似的边界条件下，R290的受热能力比R1234yf有所提高。由于R1234yf的沸点低于-15°C，因此它的受热能力数据无法获得。

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R290和R1234yf冷凝器受热能力的比较。该系统的间接性质导致冷凝器和暖通空调之间的400-500W的热量损失。

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R290和R1234yf的压缩机功率比较。对比表明，R290箱的压缩机比R1234yf的功率更大。对于相同的蒸发器和冷凝器温度，R290系统在更高的压力下运行，这反过来又增加了焓，从而增加了压缩机的功率消耗。

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在R290的情况下，加热能力的显著改善并没有直接转化为系统COPs的类似改进。

这可以用下图来解释，它显示了在R290和R1234yf情况下压缩机消耗的功率。在R290的情况下，压缩机功率高于R1234yf。这可能是由于制冷剂系统中使用的压缩机是为R1234yf制冷剂设计和调整的，而它没有针对R290系统进行优化。

R290热泵系统能够在低于-15°C的温度下恢复环境热量，这与R1234yf系统不同，因为其沸点较低。这将有助于减少汽车在低温条件下对替代热源（如电阻性冷却剂或空气加热器）的依赖。

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图片总结

调查表明，两种制冷剂均达到了加热性能目标。实验将间接系统损失量化为0.4-0.5kW。

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损失的大小表明了通过改善制冷剂和冷却剂热交换器之间的传热，在系统COP中的改进范围。通过优化压缩机和油量，还可以增强系统COP。R290制冷剂的系统COP比R1234yf高出约10%，使其成为当前系统的优秀替代品。由于R290的低沸点，它能够在低于-15°C的温度下恢复环境热量，这一事实进一步支持了这一说法。由于热泵比电阻式加热器更有效，在较低的温度下使用带有R290的热泵将减少电池的能耗，并显著提高电动汽车的续航里程。图片

研究的下一步是测试平台上的制冷剂和所有制冷剂和动力系统组件的间接结构和控制逻辑

R290模块化热泵架构

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