電動汽車熱泵空調冷凝蒸發器的特性實驗研究

(杭州三花研究院有限公司 杭州 310016)

汽車逐漸成為我國經濟發展的支持性產業之一，是提高人民生活品質的重要工具。內燃機汽車廣泛使用的同時也帶來了環境污染和溫室氣體效應，加劇了能源危機。用電動汽車代替燃油汽車正成為汽車行業下一步發展的方向和產業界的共識[1-2]。而當前因為電池續航里程的問題，限制了電動汽車的快速發展。為確保電動車的高效節能，增加續航里程成為電動汽車開發最重要的課題之一[3-4]。同時，傳統燃油汽車冬季取暖是利用發動機廢熱，而電動汽車采用電動機驅動，其廢熱量很少且能量品位較低，無法直接有效利用。汽車熱泵空調系統，因其能量利用效率高(相對PTC直接加熱)，逐漸成為純電動汽車的標配系統[5-6]。電動汽車熱泵系統與傳統汽車空調系統相比，在零部件層級上，室外換熱器的變化最為顯著，成為熱泵系統是否高效運行的關鍵零部件[7-9]。室外換熱器在夏季承擔冷凝器功能，在冬季制熱工況時，又要承擔蒸發器的功能。尤其是在冬季高濕工況下，空氣中水蒸氣遇到低于其露點溫度的蒸發器表面迅速結霜或結露[10-11]。結霜和結露對室外換熱器的蒸發性能影響極為顯著[12-14]，如何有效提升和平衡室外換熱器在制冷和制熱工況下的性能成為純電動汽車熱泵空調重要的研究方向。

由于純電動車熱泵空調系統的應用案例仍十分有限，主要包括LEAF、寶馬i3等[15]，其中關于室外換熱器單體性能實驗，尤其是不同環境工況下，換熱器的冷凝和蒸發性能的差異對比性研究更是鮮有報道。熱泵室外熱交換器性能直接影響整個熱泵性能和成員舒適性，成為整個電動車熱泵空調最重要的核心部件之一[16]。本文利用實驗方法，研究室外換熱器的進出口位置，流程布置形式對其制冷和制熱性能的影響，同時進一步針對高濕、高寒和寒濕等幾種不同環境條件，進行不同結構配置室外換熱器制熱特性的研究。希望本文的研究，能為純電動汽車熱泵空調系統的設計開發及室外換熱器方案選擇提供有益的參考或幫助。

1 研究對象概括

室外換熱器采用微通道結構形式，由微通道扁管和百葉窗翅片組合而成，如圖1所示。

熱泵空調系統的室外換熱器，在結構配置上有水平布置和豎直布置兩種形式。傳統汽車空調中，作為單一功能冷凝器使用時，多采用水平布置，根據實際性能要求采用3流程或4流程以及帶有儲液器功能。而在電動汽車熱泵空調系統中，作為蒸發器功能使用時，考慮制冷劑分配及空氣中水分在換熱器表面結霜、結露及化霜后水在換熱器翅片間排出，微通道扁管采用豎直方式。根據整個熱泵系統實際運行特點，系統原有的在高壓側與冷凝器一體的儲液器，現由在低壓側與壓縮機吸氣相連通的氣液分離器代替，實現制冷劑的存儲。本文所研究的室外換熱器橫排結構和豎排結構如圖2所示。

圖1 微通道換熱器

圖2 兩種不同結構形式換熱器

在相同空間尺寸下，橫排布置方式與豎排布置方式在傳熱面積和重量方面的對比如表1所示。在相同的空間布置尺寸下，橫排布置其集流管的尺寸比豎排小。

2 實驗方法

本文利用專用的汽車空調系統焓差臺進行換熱器單體的冷凝和蒸發性能測試。焓差實驗室主要包括制冷劑測試系統和空氣測試系統及空氣輔助調節系統。焓差臺的系統原理如圖3(a)所示。測試系統中，利用空調柜裝置調節空氣，確保測試室內空氣達到設定溫度和濕度。測試系統利用標準噴嘴組合測試風量和測試換熱器空氣前后焓差獲得空氣側換熱量；制冷劑側主要包括壓縮機、調節閥及輔助加熱和冷卻裝置。換熱器冷熱側的換熱量由單體測試測得，確保空氣和制冷劑側換熱量的熱平衡誤差小于3%。

表1 兩種結構形式換熱器參數

圖3 實驗測試原理

對作為蒸發器在不同低溫環境工況下的結霜或結露實驗，利用專用實驗臺架進行測試。空氣側工況調節與測試，利用標準汽車空調焓差臺提供恒定溫度和濕度。制冷劑側采用熱泵空調專用結霜實驗臺架進行測試，制冷劑側的測試原理如圖3(b)所示。制熱試驗工況時，制冷劑從壓縮機排出，進入室內冷凝器，手動球閥2關閉；經過流量計和電子膨脹閥1節流后，進入室外換熱器，此時電子膨脹閥2關閉，手動球閥1開啟，制冷劑通過室外換熱器吸收環境熱量蒸發后，進入氣液分離器，最后回到壓縮機。化霜工況時，本研究采用三角循環模型，壓縮機排出制冷劑經過手動閥2，進入室外換熱器，利用高溫高壓制冷劑對室外換熱器外側霜進行加熱，最后經電子膨脹閥2節流后直接進入氣液分離器，最后回到壓縮機。

3 實驗結果分析

3.1 兩種不同結構形式的換熱器性能差異

在空調熱泵系統中，室外換熱器在制冷工況下承擔冷凝器功能，在冬季制熱時承擔蒸發器的功能。換熱器單體測試工況：冷凝器工況，進口壓力為1.74 MPa、過熱度為20 ℃；控制冷凝器出口過冷度為10 ℃，空氣進口溫度為35 ℃，測試不同迎面風速下的散熱性能和內外側流阻。蒸發器工況，閥前進口溫度和壓力分別為42.9 ℃和1.6 MPa，控制蒸發器出口壓力為0.182 MPa和3 ℃過熱度，空氣進口溫度為-5 ℃，測試不同迎面風速下蒸發器吸熱量及內外側流阻。

圖4和圖5所示分別為冷凝器工況下和蒸發器工況下的性能對比。由圖4可知，在冷凝工況下，橫排結構的冷凝能力較豎排有明顯提升，在測試風速為2.0～4.5 m/s范圍內，橫排冷凝能力比豎排的提升約10%。同時，橫排結構形式的R134a內部阻力比豎排結構形式也略有增大。由圖5可知，在蒸發器工況下，橫排布置室外換熱器的蒸發性能相對于豎排布置有大幅提升，提升幅度約20%。可能由于制冷劑在集流管內流動方向與扁管及自身重力方向不同，導致制冷劑在豎排布置結構換熱器內各個扁管內流量分配不均。

圖4 冷凝器工況下的性能對比

圖5 蒸發器工況下的性能對比

3.2 不同進出口位置對換熱器性能影響差異

圖6 接口位置

圖7 不同接管位置對冷凝和蒸發性能影響

針對橫排結構形式室外換熱器，在集流管上布置不同接口位置，以測試接口位置對其冷凝工況和蒸發工況下的性能影響。接口位置如圖6所示。在2流程的集流管上開設4個接口。作為冷凝器工況時，制冷劑從接口1和接口2進入，從接口3和接口4流出。作為蒸發器工況時，氣液兩相流制冷劑從接口3和接口4進入，制冷劑吸熱蒸發后從接口1和接口2流出。圖7所示為室外換熱器制冷劑進出口位置對換熱器在不同工況下的性能影響。由圖可知，冷凝器工況下，進出口位置對冷凝能力影響不顯著，其中接口2進接口4出方案，冷凝器散熱性能稍具優勢；在蒸發工況下，從接口4進入，接口2流出方案，具有明顯性能優勢；相對于3進1出方案，蒸發器性能提升約20%。

3.3 結霜工況下的換熱器性能差異

根據換熱器結霜的原理，當換熱器表面溫度低于空氣露點溫度時，濕空氣進入換熱器內部與金屬壁面接觸，開始結霜或結露。當金屬壁面溫度低于空氣露點溫度，但高于0 ℃，此時空氣中水蒸氣在換熱器金屬表面凝結成水珠；當金屬壁面溫度低于空氣露點溫度，低于0 ℃且露點溫度高于0 ℃，此時濕空氣首先凝結成水珠，然后再冷卻成冰；當金屬壁面溫度低于0 ℃，且露點溫度也低于0 ℃，此時濕空氣與金屬壁面接觸，水蒸氣直接凝華成霜。針對霜的形成機理，本文開展了3種不同工況下的結霜性能實驗。3種工況分別為：干濕球溫度-7 ℃/-8 ℃的高寒工況、7 ℃/6 ℃的高濕工況和2 ℃/1 ℃的寒濕工況，如圖8～圖10所示。結霜實驗采用固定壓縮機轉速，控制室內冷凝器的進風溫度為20 ℃，風量為340 m3/h，并將室外換熱器空氣的進口溫度和濕度設定為恒定工況。當壓縮機吸氣口壓力低至0.105 MPa時，壓縮機自動切斷以保護壓縮機。

圖8 -7 ℃/-8 ℃工況下制熱量及出風溫度變化

圖9 7 ℃/6 ℃工況制熱量及出風溫度變化

由圖8和圖9可知，對于-7 ℃/-8 ℃工況和7 ℃/6 ℃工況，系統制熱量和室內側出風溫度等在60 min內無明顯衰減。說明在高濕工況和高寒工況下，汽車熱泵空調可以連續運行100 min，無須進行化霜。同時，對比橫排和豎排結構兩種室外換熱器對熱泵系統的性能影響，橫排布置結構對熱泵制熱性能有明顯提升，出風溫度提高約3 ℃。

對于2 ℃/1 ℃的寒濕工況，對熱泵性能影響最為顯著，工況也最惡劣。此工況下，空氣中水蒸氣含量非常高，露點溫度為-0.4 ℃，當遇到低于露點溫度的金屬表面時，水蒸氣首先凝結成水珠，再迅速結成冰粒粘附在換熱器翅片和扁管表面。由圖10可知，無論是橫排結構布置還是豎排結構布置的室外換熱器，均會造成整個熱泵制熱性能的衰減。且隨著結霜周期的增加，每個制熱循環的時間也越來越短。對于橫排換熱器結構，系統的制熱時間從第1個循環的80 min縮短至第6個循環的20 min；對于豎排結構形式室外換熱器，系統制熱性能的衰減幅度更大，衰減速度更快，制熱時間從第1個循環的50 min縮短至第6個循環的12 min。主要因豎排布置結構形式導致制冷劑分配不均勻，局部低溫結霜嚴重，且在化霜循環內，化霜不徹底，隨著制熱時間增加，局部結霜更加嚴重，且化霜不徹底進一步惡化制冷劑的分配均勻性和制熱性能的衰減。

圖10 2 ℃/1 ℃工況換熱量及室內出風溫度變化

圖11所示為2 ℃/1 ℃工況下橫排和豎排結構布置形式的室外換熱器分別在第1、4、6個制熱循環開始和結束時的結霜實驗對比。由圖11可知，兩種結構換熱器均存在嚴重的結霜現象，且制冷劑分配不均勻導致換熱器表面結霜不均，同時因風扇本身特性導致換熱器表面進風也不均勻，加劇換熱器結霜表面的非均勻性。此外，對比橫排和豎排結構的化霜特性，在第4和第6個制熱循環開始時，豎排換熱器表面殘存著大量冰塊或霜塊，阻礙空氣的流通，大幅降低了換熱器制熱能力；對于橫排結構，盡管在每個制熱周期結束時，換熱器表面存在大量霜或少量冰，但經過化霜程序后，在下一個制熱周期開始時，換熱器表面僅殘存少量的霜或冰，這間接說明橫排布置結構的換熱器有利于汽車熱泵空調系統化霜。

圖11 換熱器表面結霜對比

4 結論

本文針對電動汽車熱泵空調室外換熱器進行蒸發性能和冷凝性能的實驗研究，并對比了兩種不同結構形式微通道換熱器在蒸發器工況下的結霜特性，研究結論如下：

1)對比橫排和豎排布置方式微通道換熱器的性能差異，換熱器作為冷凝器時，二者性能差異不顯著；作為蒸發器時，相同工況下，橫排布置結構形式相比豎排布置性能提升20%。

2)橫排布置結構形式下，微通道換熱器的制冷劑進出口接管位置對冷凝器性能影響不顯著，但對蒸發器性能影響顯著，制冷劑進口接近換熱器底端扁管有利于性能的提高，可提升約20%。

3)結霜工況下，無論橫排還是豎排布置形式，在高寒-7 ℃/-8 ℃和高濕7 ℃/6 ℃工況下，兩種結構換熱器在運行80 min內制熱性能無明顯衰減。

4)對于2 ℃/1 ℃寒濕工況，橫排布置結構形式在結霜和化霜特性上均顯著優于豎排布置結構形式。