二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷與制冷性能研究

二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷與制冷性能研究

1電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的應(yīng)用技術(shù)電力和污染已成為當(dāng)今社會(huì)必須解決的問題。交通領(lǐng)域的能耗在能源結(jié)構(gòu)中占比很大,其能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展成為全球熱點(diǎn)。新能源汽車近些年發(fā)展迅猛,相關(guān)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展引起了人們的廣泛關(guān)注電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的性能受諸多因素影響,除環(huán)境工況、系統(tǒng)零部件性能、制冷劑種類等固有因素外,實(shí)際使用時(shí)制冷劑充注量也是不可忽視的因素?zé)岜每照{(diào)在電動(dòng)汽車上的典型應(yīng)用方式有兩種,一種是用兩個(gè)換熱器,并使用四通閥切換制冷和制熱模式,另一種是用三個(gè)換熱器,并使用兩個(gè)三通閥或旁通閥切換工作模式。二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)使用板式換熱器等作為內(nèi)部換熱器,最小程度改動(dòng)傳統(tǒng)通風(fēng)加熱模塊,考慮可靠性的同時(shí)兼顧成本2實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)分析本實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)三換熱器的二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng),系統(tǒng)原理圖如圖1所示,系統(tǒng)內(nèi)充注R134a制冷劑。系統(tǒng)分兩部分:室外控制單元和空調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)的組成包括:六個(gè)三通接頭、四個(gè)電磁閥、兩個(gè)截止閥、兩個(gè)熱力膨脹閥、兩個(gè)風(fēng)機(jī)、室外換熱器、空調(diào)蒸發(fā)器、熱泵-芯體、內(nèi)部換熱器、壓縮機(jī)、油分離器、冷卻液泵和冷卻液水箱等。對壓縮機(jī)和換熱器布置了多個(gè)溫度、壓力測點(diǎn)。壓縮機(jī)的吸氣和排氣分別定義為點(diǎn)1和點(diǎn)2,室外換熱器的出入口定義為點(diǎn)3和點(diǎn)4,其他測量點(diǎn)布置在管道的不同位置。制冷劑和空氣的測溫精度為±0.2℃,制冷劑和冷卻液流量由兩臺(tái)流量計(jì)測得,測量精度為±0.2%,壓力傳感器測量精度為±0.5%。制冷模式下,壓縮制冷劑先進(jìn)入室外換熱器,然后由熱力膨脹閥1節(jié)流,由空調(diào)蒸發(fā)器提供冷量。制熱模式有制冷劑回路和冷卻液回路,高溫高壓下的制冷劑氣體通過內(nèi)部換熱器將熱量傳遞給冷卻液,加熱后的冷卻液進(jìn)入熱泵-芯體,提供乘員艙所需熱量。系統(tǒng)中一些關(guān)鍵零部件的規(guī)格參數(shù)如表1所示,實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。實(shí)驗(yàn)前對系統(tǒng)進(jìn)行保壓,系統(tǒng)初始制冷劑充注量為400g。實(shí)驗(yàn)在不同的制冷劑充注量及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下進(jìn)行,在各工況條件下,記錄系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中,通過監(jiān)測排氣壓力和溫度來判斷系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),制冷劑充注量每次增加25g。3結(jié)果與分析3.1不同充注量時(shí)排氣和排氣壓力的變化圖2是吸氣、排氣溫度隨充注量的變化。制冷模式下,相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)吸氣溫度隨充注量的增加而降低,最終維持在11～14℃之間,排氣溫度隨充注量的增加而降低;不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)排氣溫度變化的幅度不同,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1300r/min時(shí),充注量從800g增到1125g,壓縮機(jī)的排氣溫度從69℃降到50℃。制熱模式下,不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)的吸氣溫度變化趨勢基本相同,充注量超過600g后,吸氣溫度略有增加,而排氣溫度隨充注量的增加先降低、后升高,2500r/min時(shí)充注量增加到675g后,排氣溫度開始升高,其它轉(zhuǎn)速下的充注量增加到700g后排氣溫度有所升高。圖3是吸氣、排氣壓力隨充注量的變化。制冷模式下,相同充注量時(shí)吸氣壓力隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低,排氣壓力隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而升高;而在相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下,充注量對吸氣和排氣壓力的影響較小。制熱模式下,相同充注量時(shí)吸氣和排氣壓力隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢相同,轉(zhuǎn)速越高,吸氣壓力越低;而排氣壓力越高,充注量對排氣壓力的影響越大。相同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí),在700g充注量后排氣壓力急劇增加,對系統(tǒng)性能來說,在系統(tǒng)循環(huán)其它條件不變前提下,排氣壓力高,則制熱量提升明顯,即使此時(shí)壓縮機(jī)的壓比增大,等熵效率和容積效率降低,但系統(tǒng)制熱性能的能效比提高。3.2壓縮機(jī)耗功和壓縮機(jī)圖4是壓縮機(jī)耗功和3.3不同充注量時(shí)對比不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下、不同充注量對應(yīng)的制冷制熱模式中過冷度和過熱度的趨勢如圖5所示。通常取過熱度和過冷度相對穩(wěn)定的充注量區(qū)間段作為臨界充注量。過冷度和過熱度的穩(wěn)定,提高壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性,換熱器換熱能力得到保證,系統(tǒng)的制冷和制熱性能較好,對于整個(gè)系統(tǒng)十分有益。過冷度和過熱度在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下隨充注量的變化趨勢基本一致。制冷模式和制熱模式下,系統(tǒng)的過冷度隨著充注量的增加而增加,過熱度隨著充注量的增加而降低,此時(shí)系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)流量增加,換熱器中的換熱量都有所提高,冷凝器出口的過冷度有所增加,蒸發(fā)器出口的過熱度反而有所降低。制冷模式下,在充注量達(dá)到1000g之前,過冷度不隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速改變而變化,充注量達(dá)到1000g后,系統(tǒng)的過冷度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加。制冷模式下,相同充注量對應(yīng)的過熱度隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大。制熱模式下,壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速改變,過熱度和過冷度基本保持不變。制冷模式而言,臨界充注量區(qū)間為1000～1100g,而制熱模式的臨界充注量區(qū)間為650～700g,在臨界充注量范圍內(nèi),過熱度和過冷度較為穩(wěn)定,保證壓縮機(jī)吸氣和排氣溫度不過高的情形下,換熱器的換熱能力得到保證,系統(tǒng)性能良好。4充注量對系統(tǒng)性能的影響本文通過電動(dòng)汽車二次回路熱泵空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了制冷劑充注量的實(shí)驗(yàn)研究。在設(shè)定工況下,研究了不同充注量、不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)性能的影響,得出以下結(jié)論:制冷模式下,制冷劑充注量對系統(tǒng)性能影響不大。制熱模式下,充注量對系統(tǒng)性能影響較大,隨著制冷劑充注量的增加,壓縮機(jī)的排氣溫度先降后升,當(dāng)充注量超過一定值后,排氣壓力迅速上升。制冷模式下,相同轉(zhuǎn)速時(shí)充注量增加,耗功基本不變,對制冷