基于電場除霜的新能源汽車熱泵空調技術

解雅雯，陳冠霖

（無錫職業技術學院，江蘇 無錫 214121）

前言

純電動汽車由于克服了燃油車依賴燃料的問題，節約了能源，環保，噪聲小，故代表著未來汽車的發展趨勢。空調作為純電動汽車大功率用電部件，其工作性能直接影響著電動車的續航里程與舒適性。相比于傳統的PTC 加熱系統，熱泵加熱技術在制熱效率和經濟上有著明顯的優勢[1]，是目前研究的主流。但是空氣源熱泵室外換熱器表面結霜導致機組運行效果差，表面形成的霜層增加了空氣流動的阻力，導致空氣流量的減小，另一方面霜層的存在增大了室外熱交換器導熱熱阻，從而使機體的性能系數被大大降低。空氣源熱泵的結霜問題成為了制約其發展的瓶頸。因此，如何有效的延緩空氣源熱泵結霜以及高效除霜成為了空氣源熱泵發展的重要問題。

1 熱泵空調的工作原理

制冷模式：四通閥不通電時，電動機帶動壓縮機工作，壓縮機吸入低溫低壓的氣態制冷劑，并將它壓縮為高溫高壓的氣態制冷劑，隨后進入過濾器，過濾器濾去制冷劑中水分及各種雜質后，制冷劑通過四通閥進入車室外換熱器，將熱量散發出去，同時車室外側風扇吸入的室外空氣流經室外換熱器，帶走制冷劑放出的大量熱量，使高溫高壓氣態制冷劑凝結為高溫高壓液態制冷劑，經過膨脹閥降溫降壓后流入車室內換熱器，蒸發吸收車內熱量，同時室內側風扇讓室內空氣不斷進入室內換熱器散熱片間進行熱交換，并將散熱后變冷的氣體送入車內，制冷劑經室內換熱器換熱后變為低溫低壓氣態制冷劑通過四通閥、氣液分離器回到壓縮機內，接著下一個工作循環，至始至終，完成了制冷循環。

圖1 熱泵空調工作原理圖

制熱模式：四通閥通電時，低溫低壓的氣態制冷劑被壓縮機吸入，轉化為高溫高壓的氣態制冷劑，隨后進入過濾器，濾去水分和雜質，通過換向四通閥改變制冷劑的流動方向后，進入車室內換熱器，向車室內空氣釋放熱量，供乘客取暖，其后轉化為低溫高壓的液態制冷劑，經過膨脹閥降壓后轉化為低溫低壓的氣液混合態制冷劑，最后經車室外換熱器從室外吸熱變成低溫低壓氣態制冷劑并通過四通閥、氣液分離器后進入壓縮機內，接著下一個工作循環，至始至終，從而完成了制熱循環。

2 結霜機理

交換器在冬季運行時，當空氣氣溫低于0℃時且低于露點溫度時，就在其表面結霜。結霜會使車外交換器表面空氣流動阻力增大，風量減小，換熱器換熱溫度增高，壓縮機吸排溫差增大，制冷劑流量降低，導致功耗增大，供熱能力明顯下降。甚至，會損壞相關機件。

霜層是由冰的冰晶和結晶之間的空氣組成的多孔性松散物質，霜層的形成過程實際上就是熱質傳遞的過程，與其形成的初始狀態，時間和霜層各個階段的結構是密切相關的。

由于霜層的結構不同，大致可以將霜層形成的階段分為以下三個階段，霜層晶體形成階段、霜層生長階段和霜層的充分發展階段。

當空氣接觸到低于0℃并低于其露點溫度時，熱換器的冷壁面上就會由空氣中的水分形成互相相隔的結晶胚胎。水蒸氣凝結成霜柱，形成霜柱沿壁面不斷均勻分布新的針狀或柱狀的霜晶體出來。這個階段霜層高度增長快，而霜的密度不大，稱為霜層晶體形成階段。

當柱狀晶體的頂部開始分枝時，由于枝狀結晶的相互作用發展形成網狀的霜層，霜層表面趨向平坦。這個階段霜層高度增長緩慢但密度增加較快，稱為霜層生長階段。

當霜層表面幾乎成為平面后，霜層的結構不變但厚度增加，霜層增厚而形狀基本不變的這個階段，稱為霜層充分發展階段。

對霜層結構的研究，國內外學者提出了不同的霜層模型，包括有霜的多孔模型，平板結霜模型，翅片管換熱器結霜模型，冰柱模型，多孔-冰柱混合模型，緊湊式換熱器結霜模型等，但每種模型都有其各自的特征和局限性。

3 電場除霜技術

由于水是極性分子，而結霜又是一種水分子的遷移過程，因此可以推斷，外加電場必然會對結霜產生一定的影響[2]。第一個報道直流電場對霜層生長影響的是Schaefer[3]，發現霜晶在壁面上以胡須狀聚集并快速生長。Tudor[4]通過實驗研究了直流電場作用下霜層的生長特性，與數值模擬的結果進行了對比，注意到了兩種現象：連續施加電場時，有非常細長的針狀霜晶形成；當突然撤去電場時，霜晶會從冷板上脫落。Mishra 指出，在高壓電場的作用下，霜晶會受到電極的吸引力而被拉向電極的一側，此時的霜晶變得又長又細，易碎，通常會在自身重力作用下折斷。Babakin 等人利用外加均勻電場來實現抑霜，實驗證明：在結霜初期，高壓靜電場的存在使霜層變為針柱狀，當風速達到一定值時，這些霜晶就會被折斷并吹走，從而達到了抑制結霜的效果；為了對電場條件下晶的生長進行更深入的理論與數值分析，Zhang[5-6]等研究了直流電場對豎直冷板上霜晶初始形態的影響。結果發現，電場能夠改變冷壁面上水珠的大小，電場越強，水珠越小。通過對裸線電極、絕緣線電極、板狀電極以及網狀電極對紫銅板上的霜層生長進行系統全面的研究發現，電場能夠改變冷壁面上水珠的大小、霜晶的形態以及結霜質量，板狀電極和網狀電極電場能加速霜晶的生長，其生長速度明顯高于無電場和線電極電場時霜晶的生長速度，并在一定的電場強度下觀察到了細長的針狀霜晶。另外，通過對冰的電場特性分析，提出了電場影響霜層生長的機理，建立了靜電場作用下霜層生長的二維非穩態傳熱傳質模型，該模型較為完善地反應了電場作用下結雷過程中霜層生長的物理過程[7]。

式中，E--電場強度；

P--電極化強度；

ρve--電場作用下霜層內水蒸氣的密度；

λe--霜層有效導熱系數；

Cpf--霜層定壓比熱；

ρf--霜層密度。

利用該模型，初步提出該模型可以應用于新能源汽車熱泵空調的除霜技術上，從而為新能源汽車熱泵空調除霜提供一種新的解決思路。可以改善新能源汽車空調的工作環境，提高熱源利用效率，延長純電動汽車的行駛里程。

4 結論與展望

熱泵空調具有高效節能，不污染環境，使用方便等優點，是未來的發展方向。但在現階段的實際運行效果來看，在寒冷季節制熱運行時，由于車外熱交換器結霜導致運行可靠性下降，效果并不是太明顯。研究和解決熱泵空調的可靠性和穩定性關鍵在于除霜和抑霜，改善其制熱性能是提高運行可靠性的關鍵問題。對其除霜和抑霜技術的深入研究和積極實踐，必會將其市場潛力發揮出來。