電動汽車熱泵空調(diào)微通道換熱器溫度分布特性

巫江虹, 薛志強, 金 鵬, 李會喜

(1. 華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510641；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院 北京 101300；3. 英格索蘭(中國)投資有限公司 廣東 廣州 510620 )

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電動汽車熱泵空調(diào)微通道換熱器溫度分布特性

巫江虹1, 薛志強1, 金 鵬2, 李會喜3

(1. 華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院,廣東 廣州 510641；2.北京汽車股份有限公司汽車研究院 北京 101300；3. 英格索蘭(中國)投資有限公司 廣東 廣州 510620 )

為了探討微通道換熱器溫度分布特性對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能的影響,對應(yīng)用新型微通道換熱器入口分配器的電動汽車熱泵系統(tǒng)進行性能測試,采用紅外熱成像儀記錄制冷/制熱工況下車外換熱器溫度分布變化情況.采用與換熱器沿程方向垂直的溫度不均勻度χ(溫度標準方差)作為微通道換熱器溫度不均特性的度量.建立制冷制熱工況2個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,預(yù)測在不同運行工況、制冷劑流量、溫度分布特性情況下系統(tǒng)的能效.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重分析結(jié)果表明：對于所設(shè)計的電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng),當(dāng)微通道換熱器被用作冷凝器和蒸發(fā)器時,換熱器表面溫度分布不均對系統(tǒng)性能的影響權(quán)重分別為34.97%和43.90%,改善氣液兩相的分配均勻性比改善氣相的分配均勻性更利于系統(tǒng)性能的提升.

電動汽車；熱泵空調(diào)；微通道換熱器；溫度分布；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

高性能電動汽車熱泵空調(diào)是替代現(xiàn)有電動汽車空調(diào)電加熱采暖的有效途徑之一.

微通道換熱器因為緊湊、輕量、高效的優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于常規(guī)單冷汽車空調(diào)系統(tǒng).但當(dāng)將微通道換熱器應(yīng)用于電動汽車熱泵系統(tǒng),會存在制冷劑流量分配不均、冷凝水排出、結(jié)霜融霜周期減少等[1-2]問題.制冷劑流量分配不均又會導(dǎo)致?lián)Q熱器表面溫度分布不均[3].換熱器表面溫度分布越均勻,表明換熱器利用效率越高,空調(diào)系統(tǒng)性能越好.如何評價和改善換熱器的溫度分布均勻性成了系統(tǒng)能效提升的關(guān)鍵.

換熱器傳熱是制冷劑和空氣相互耦合的結(jié)果,任一流體分布不均都會使部分管段低效從而減低換熱器整體性能.微通道換熱器表面的溫度分布同時受到制冷劑流量分配、風(fēng)側(cè)風(fēng)量分布、微通道換熱器設(shè)計結(jié)構(gòu)等因素影響[4].

當(dāng)微通道換熱器用作蒸發(fā)器時,兩相流制冷劑很難在毫米級的微通道支管中分配均勻.Hwang等[5]研究表明：低動量的氣態(tài)制冷劑容易進入入口附近的扁管,而高動量的制冷劑容易進入離入口更遠的扁管中,出現(xiàn)制冷劑分配不均.Choi等[6]指出制冷劑分配不均和空氣分配不均會導(dǎo)致翅片管蒸發(fā)器容積分別衰減30%和8.7%.合理的微通道換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計可以改善流量分配不均,獲得更均勻的溫度分布,提升換熱效率.Shi等[7]在微通道蒸發(fā)器集流管中插入設(shè)計的帶孔分配板,換熱器換熱量得到有效提升.Kulkarni等[8]指出減小集流管長度方向上的壓降才能有效地減小流量分配不均,進而提出了輻射狀的分流管.對于換熱器溫度不均勻性的定量評定問題,嚴瑞東等[9]研究流程數(shù)對于微通道換熱器溫度分布均勻性和性能的影響,并使用整個換熱器表面的溫度分布方差作為溫度分布不均勻的評價指標.但實際換熱時同一扁管中的制冷劑溫度會沿著流程方向出現(xiàn)遞增/遞減,所以采用整個換熱器表面的溫度分布方差來評價溫度分布不均勻性存在不合理性.

對于同一結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器,當(dāng)風(fēng)側(cè)風(fēng)量分布均勻時,可認為換熱器表面溫度分布反映了制冷劑的分配情況,溫度分布不均成了制冷劑分配不均的直觀表象.因此,本文對微通道換熱器表面的溫度分布進行研究.在前人研究基礎(chǔ)上,提出了沿程溫度分布不均勻度來評價換熱器表面的溫度分布不均情況,并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型考察換熱器溫度分布不均對系統(tǒng)性能的影響.

1 實驗研究

1.1 試驗系統(tǒng)

如圖1所示為所搭建的一套制冷劑為R134a的電動汽車直流變頻渦旋熱泵空調(diào)系統(tǒng).由圖1可以看出,系統(tǒng)主要包括直流變頻渦旋壓縮機、車內(nèi)外微通道換熱器、EVS240熱力膨脹閥、四通閥、截止閥、氣液分離器、儲液干燥器、制冷劑質(zhì)量流量計、安捷倫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、紅外熱成像儀等.室內(nèi)換熱器為設(shè)計的具有承壓和分液功能的微通道換熱器[10].

1.2 測試裝置

圖1 電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)圖Fig.1 Test platform of heat pump in electric vehicle

熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能測試是在10匹空調(diào)器焓差試驗室中進行.室內(nèi)外側(cè)環(huán)境干球溫度和相對濕度的控制精度分別為±0.5 ℃和±5%.系統(tǒng)壓力、溫度、流量測點布置如圖1(a)所示.

空調(diào)系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源供電,壓縮機輸入功率可由直流穩(wěn)壓電源的控制板直接讀取,壓縮機轉(zhuǎn)速由渦旋壓縮機轉(zhuǎn)速控制軟件調(diào)節(jié).溫度、壓力、流量信號由Agilent數(shù)據(jù)采集儀采集(10 s/次).溫度采用J型熱電偶測試(測溫范圍為-200～260 ℃,測試精度±0.1 ℃)；壓力采用JYHR系列壓力傳感器測試(量程0～4 MPa,精度0.2%)；

流量采用RHEONIK科氏力質(zhì)子流量計測量(量程為0.1～3 kg/min,精度等級為0.5級).利用紅外熱像儀連續(xù)拍攝室外側(cè)換熱器表面溫度分布情況.空氣側(cè)進風(fēng)量、進出風(fēng)干濕度由焓差室自帶的采集系統(tǒng)記錄.

如表1所示為熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能測試工況,實驗具體測試工況主要參考GBT21361-2008《汽車用空調(diào)器》[11]以及QC/T657-2000《汽車空調(diào)制冷裝置試驗方法》[12],并結(jié)合焓差室的調(diào)節(jié)能力確定.其中θin,DB和θin,WB分別為室內(nèi)側(cè)干球溫度和濕球溫度,θout,DB和θout,WB分別為室外側(cè)干球溫度和濕球溫度,n為壓縮機轉(zhuǎn)速.

表1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能測試工況

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 表面溫度分布不均勻度計算

圖2 換熱器表面溫度網(wǎng)格劃分Fig.2 Gridding of MCHE’s surface(left/right is for cooling/heating)

越均勻的換熱器表面溫度分布表明換熱器利用效率越高,系統(tǒng)性能也會提升.如何客觀評價和度量換熱器的表面溫度分布特性成為問題的關(guān)鍵.有學(xué)者通過計算換熱器表面整體溫度分布方差評價其溫度分布不均性[9].本文定義了一個綜合溫度不均勻度χ來表示換熱器表面的溫度分布均勻程度.如圖2所示為換熱器表面溫度網(wǎng)格劃分圖.由圖2可以看出，沿著X軸(集流管方向)將換熱器平均分成6等份,沿著Y軸(扁管方向)將換熱器平均分成5等份.利用紅外熱成像儀軟件讀取每個網(wǎng)格內(nèi)的平均溫度,對Y軸每行的平均溫度值(每組6個)分別求標準差,再對5個標準差取平均值即為χ.χ為換熱器溫度分布均勻性表征值,值越小溫度分布越均勻,具體計算如式(1)和(2)所示.

(1)

(2)

式中：θi,j為第i行j列網(wǎng)格內(nèi)的平均溫度,i=1,2…5,j=1,2…6；θi,avg為θi,1、θi,2…Ti,6的平均溫度；χi為第i行溫度分布標準差.

當(dāng)換熱器實際換熱時,制冷劑相變后仍然會在換熱器管道內(nèi)部跟外界環(huán)境進行換熱,由此會導(dǎo)致?lián)Q熱器表面溫度沿著流程方向呈現(xiàn)遞增或者遞減的變化趨勢.假設(shè)制冷劑在各扁管中分配均勻,各扁管的換熱能力相同,則可假定理想情況下微通道換熱器表面溫度分布如圖2制熱工況所示.此時同一水平方向的扁管溫度相同,而扁管沿程由于蒸發(fā)吸熱溫度逐漸遞增.

根據(jù)文獻[9]計算得出換熱器表面整體溫度分布標準差σ=1.414 2,而根據(jù)本文定義的綜合溫度分布均勻系數(shù)χ計算得為0.所假定的溫度分布為最理想的換熱器溫度分布情況,此時換熱器溫度分布是均勻的,換熱效率最好,其表面的溫度分布均勻性指標應(yīng)為0.因此沿換熱器流程方向上的溫度分布不均是其換熱固有特性,不應(yīng)計入換熱器表面溫度不均度量中,使用整個表面的溫度分布方差來度量其溫度分布不均勻程度存在一定的不合理性.使用與沿程方向垂直的溫度不均勻度χ能更好地度量換熱器表面的溫度不均特性.

2.2 制冷/制熱工況換熱器表面溫度動態(tài)分析

2.2.1 制冷工況 如圖3所示為壓縮機轉(zhuǎn)速5 000 r/min,名義制冷工況(室外送風(fēng)1 500 m3/h,室內(nèi)送風(fēng)500 m3/h)下系統(tǒng)運行過程中室外側(cè)換熱器(冷凝器)表面溫度θout.s變化圖.

圖3 制冷工況下室外側(cè)換熱器表面溫度變化圖Fig.3 STM of MCHE under cooling condition

由圖3中可以看出,當(dāng)時間運行t=10 s時,換熱器進口溫度升高至40.5 ℃,氣態(tài)制冷劑由上集流管均勻分配進各扁管,換熱器表面水平方向上的溫度基本保持一致,制冷劑分配均勻.隨著系統(tǒng)的運行,換熱器進口溫度逐漸升高并穩(wěn)定在57.4 ℃,制冷劑流經(jīng)到換熱器的4/5流程時換熱器表面的溫度已經(jīng)接近環(huán)境溫度.由此可以推斷,在制冷工況下,室外側(cè)換熱器偏大,室內(nèi)外換熱器還存在優(yōu)化匹配問題.同一扁管中的溫度,自上而下呈現(xiàn)遞減的趨勢.

如圖4所示為名義制冷工況啟動過程中,計算得出的室外換熱器表面溫度分布不均勻度χ隨時間t的動態(tài)變化圖.對于同一結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器,溫度分布不均主要受制冷劑分配不均、風(fēng)量分布不均2個因素影響.在焓差室中進行性能測試時,由焓差室的風(fēng)道送風(fēng),風(fēng)側(cè)的風(fēng)量分布均勻.因此可以認為溫度分布不均勻性間接反映出了制冷劑的分布不均勻性.由圖4中可以看出，在制冷啟動過程中,各區(qū)域的溫度分布不均勻值都是先增大而后減小至穩(wěn)定值,整體的χ值穩(wěn)定在3.25.表面溫度分布不均值χ4>χ5>χ2>χ3>χ1.制冷劑由氣相向兩相轉(zhuǎn)化所對應(yīng)的Y4區(qū)域,其表面溫度分布不均勻度最大,即制冷劑狀態(tài)分布特性最差；其次是換熱器進口區(qū)域(Y5)和兩相向液相轉(zhuǎn)化區(qū)域(Y2).處于高速流動的制冷劑只有短暫的時間在集流管內(nèi)進行分配后直接進入扁管,雖說是氣態(tài)分配但是各扁管中高溫氣態(tài)制冷劑分配還是存在不均,從而致使χ5值較大,其程度取決于進口集流管的結(jié)構(gòu)設(shè)計；而對于Y2,由于處于兩相向液相轉(zhuǎn)化的過程,溫度分布不均程度也較大；處于兩相換熱過程時(Y3),換熱器表面溫度分布特性較好；制冷劑完全液化后的Y1區(qū)域,溫度已經(jīng)接近環(huán)境溫度,基本不與環(huán)境換熱,其表面溫度分布不均勻度最小.

圖4 標準制冷工況下χ動態(tài)變化圖Fig.4 Variation of χ under start-up of cooling

2.2.2 制熱工況 如圖5所示為壓縮機轉(zhuǎn)速5 000 r/min,名義制熱工況下(室外送風(fēng)1 500m3/h;室內(nèi)送風(fēng)500 m3/h)系統(tǒng)啟動運行過程中室外側(cè)換熱器(蒸發(fā)器)表面溫度變化圖,其中制冷劑從下端流進,上端流出.

圖5 制熱工況下室外側(cè)換熱器表面溫度變化圖Fig.5 STM of MCHE under heating condition

由圖5可以看出,系統(tǒng)啟動運行時間至21 s,換熱器進口處溫度迅速下降,其中以換熱器進口最左側(cè)、中間和最右側(cè)溫度最低,溫度分布呈“山”字形,并可明顯的看出換熱器表面溫度較高和較低區(qū)域的溫度分界線.呈現(xiàn)該種分布特性的原因主要是對于這種垂直進口布置,當(dāng)兩相制冷劑從集流管向上流進扁管時,氣相部分容易進入入口管附近扁管,液相部分則沿著集流管流動,更易進入集流管兩側(cè)后端的扁管中,這與Vist等[13]做的實驗結(jié)果相符.液相制冷劑蒸發(fā)吸熱,導(dǎo)致?lián)Q熱器兩側(cè)部分的扁管溫度較低,而處于中間扁管附近的扁管內(nèi)主要為氣態(tài)制冷劑,所以溫度相對較高.系統(tǒng)運行至448 s,換熱器下端開始結(jié)霜,結(jié)霜之初,換熱器表面溫度上升.當(dāng)t=510 s時,結(jié)霜面積增大.系統(tǒng)運行至t=1 291 s時,換熱器表面結(jié)霜面積達到整個換熱器表面的3/5,嚴重阻礙了換熱器通風(fēng)對流換熱,換熱器出口的溫度也已經(jīng)降至了-8 ℃.

如圖6所示為制熱工況下,計算得出室外換熱器表面溫度分布不均動態(tài)變化圖.由圖6可知，在t=300～750 s之間,換熱器整體χ值保持在一定的波動范圍,此時系統(tǒng)處于相對穩(wěn)態(tài)狀態(tài).而由于制熱工況下,室外側(cè)換熱器表面會結(jié)霜,所以其表面溫度分布不均勻程度會隨著結(jié)霜情況的嚴重程度而變化.

圖6 標準制熱工況下χ動態(tài)變化圖Fig.6 Variation of χ under start-up of heating

前200 s啟動階段,Y1區(qū)溫度分布不均勻性最大,此時此區(qū)域制冷劑狀態(tài)分配特性最差.隨著系統(tǒng)運行時間的增加,“山”字形溫度分界線上移.χ2值增大的速度明顯的快過其他區(qū)域,在t=310～550 s時Y2成為了溫度分布最不均勻的區(qū)域.隨后,Y3區(qū)域的χ3值快速增大并超過其他區(qū)域,在t=550 s之后Y3成為了溫度分布最不均勻的區(qū)域,而此時“山”字形的溫度分界線也逐漸上移到了Y3區(qū)域.所以換熱器表面各區(qū)域段溫度分布不均勻度體現(xiàn)了各區(qū)域段的換熱情況,同時溫度分布不均勻度的變化也反應(yīng)了換熱器表面溫度分界線的移動情況,進一步間接反應(yīng)了結(jié)霜分界線的移動.根據(jù)邱宏等[14]介紹的除霜切入點計算方法和制熱COP變化曲線,系統(tǒng)在1 100 s左右時應(yīng)進行除霜.此時χ3值為6.3,結(jié)霜面積為3/5.因此對于單流程的換熱器,可以通過在3/5面積區(qū)域處設(shè)置一排溫度檢測點,實時采集其溫度變化情況并反饋得出一個溫度分布不均的χ值,當(dāng)超過6.3界限時,可認為結(jié)霜面積達到3/5,系統(tǒng)應(yīng)進行除霜.

圖7 室外側(cè)微通道換熱器表面溫度分布不均和系統(tǒng)性能變化圖Fig.7 Variation of STM and COP under start-up of cooling/heating

2.2.3 溫度分布不均動態(tài)分析 如圖7所示為標準制冷/制熱工況,室外側(cè)換熱器表面溫度分布不均勻度χ及制冷/制熱COP隨時間t的動態(tài)變化圖.根據(jù)TB/T1804-2009《鐵道客車空調(diào)機組》[15]規(guī)定,對于制冷劑為R134a的移動式車輛空調(diào)機組,其性能系數(shù)應(yīng)大于1.9.因此可以將COP=1.9作為空調(diào)系統(tǒng)能效變差的分界線.

由圖7中可以看出,在制冷工況下,室外側(cè)換熱器表面溫度分布不均勻度穩(wěn)定在3左右,系統(tǒng)性能穩(wěn)定.而在制熱工況下,系統(tǒng)的性能受到室外側(cè)換熱器結(jié)霜的影響,結(jié)霜越嚴重,室外側(cè)換熱器溫度分布不均勻程度越差,系統(tǒng)性能也越差.同時由制熱工況下,系統(tǒng)室外側(cè)換熱器表面溫度分布不均勻度及COP動態(tài)變化圖可知,COP為1.9正好對應(yīng)室外側(cè)換熱器溫度分布不均勻度的轉(zhuǎn)折段,其溫度分布不均勻度χ值為5.85.所以綜合分析可認為當(dāng)換熱器溫度分布不均勻度大于5.85時,對系統(tǒng)的性能影響較大,系統(tǒng)的性能衰減較大.

3 換熱器表面溫度特性對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)能效的影響分析

微通道換熱器作為蒸發(fā)器時,制冷劑分配不均現(xiàn)象尤為嚴重,某些通道會出現(xiàn)供液過多或干蒸現(xiàn)象.溫度分布是制冷劑側(cè)和風(fēng)側(cè)耦合傳熱的結(jié)果.微通道換熱器制冷劑分配又受到集流管尺寸、入口位置、扁管數(shù)目及相關(guān)尺寸參數(shù)、扁管插入深度、制冷劑流量、壓差、入口干度等[4]眾多因素影響.由此采用自適應(yīng)且具有一定容錯能力的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來分析衡量換熱器溫度分布均勻性對系統(tǒng)性能的影響.

3.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立

建立了制冷制熱工況下,2個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,預(yù)測在不同運行工況、制冷劑流量、溫度分布特性情況下系統(tǒng)的能效.

建立系統(tǒng)性能預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖8所示.從圖8中可看出，室外側(cè)干球溫度θout,DB,制冷劑流量qm,換熱器綜合溫度分布不均勻度χ為輸入?yún)?shù),制冷/制熱COP為輸出參數(shù).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的傳遞函數(shù)為：S型的雙曲線正切函數(shù)tansig (x)與純線性函數(shù)purelin(x),層數(shù)為3層[16].網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)步長為0.05,訓(xùn)練次數(shù)為50 000,最小均方誤差設(shè)為5×105.通過誤差對比,確定制冷和制熱工況下性能預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的節(jié)點數(shù)都為12.

圖8 性能預(yù)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型Fig.8 BP neural network for performance prediction

3.2 制冷劑分配均勻性對系統(tǒng)性能的影響

分別選取θout,DB=31、35、39、43 ℃時和-5、-3、0、7和9 ℃時,不同壓縮機轉(zhuǎn)速下的實驗數(shù)據(jù)值作為制冷和制熱的分析樣本.選取制冷樣本899組為訓(xùn)練樣本,47組為預(yù)測樣本；制熱樣本1 171組為訓(xùn)練樣本,61組為預(yù)測樣本.依據(jù)2.1所介紹的方法計算得出各樣本表面溫度χ值,并將所有的參數(shù)線性歸一化成[0.1,0.9]之間的無量綱值.如表2所示為制冷工況下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出參數(shù)歸一化示例,以同樣方式線性歸一化制熱工況神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù).之后再依照圖8所示的模型建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

表2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入輸出參數(shù)歸一化(制冷工況)

圖9 系統(tǒng)性能系數(shù)預(yù)測與實驗值對比Fig.9 ANN prediction of COP vs. experimental results

如圖9所示為制冷(制熱)工況系統(tǒng)性能系數(shù)預(yù)測與試驗對比結(jié)果.COPp為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值,COPt為歸一化后的實測值.采用關(guān)聯(lián)系數(shù)R[17]和均方根誤差MSE來表征神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度,經(jīng)計算可得制冷工況下R=0.996 8,MSE=3.819 3×10-4,制熱工況下R=0.970 6,MSE=1.1×10-3,制冷制熱工況下能效系數(shù)的預(yù)測精度都較好.由圖9可知制冷(制熱)工況神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度保持在6%和10%以內(nèi).制熱工況由于受表面結(jié)霜的影響,精度稍差.

根據(jù)文獻[18]介紹的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重計算方法,計算不同工況下θout,DB、qm和χ對電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷或制熱性能系數(shù)的影響權(quán)重W,計算結(jié)果如表3所示.由表3可知無論制冷還是制熱工況,3個因素都較大的影響了系統(tǒng)性能系數(shù),其影響權(quán)重大小為溫度分布不均勻度>環(huán)境溫度>制冷劑流量.由此可知由于制冷劑分配不均造成的溫度分布不均對系統(tǒng)的性能影響最大.當(dāng)微通道換熱器被用作冷凝器和蒸發(fā)器時,其表面溫度分布不均勻?qū)ο到y(tǒng)性能的影響分別為34.97%和43.90%.因此改善制冷劑分配性,可提升其表面溫度分布均勻性,可很大程度上提升系統(tǒng)性能,并且改善氣液兩相的分配均勻性比改善氣相的分配均勻性更利于系統(tǒng)系能的提升.

表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重計算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 在冷凝器(蒸發(fā)器)換熱過程中,由于制冷劑在同一扁管內(nèi)與外界空氣換熱,制冷劑溫度在沿程方向逐漸降低(升高).沿程方向上的溫度變化是換熱器固有換熱特性,因此不應(yīng)將沿程方向上的溫度不均計入換熱器溫度分布不均勻性的度量中.使用換熱器表面整體溫度分布不均作為不均勻特性的度量存在一定的不合理性,采用與沿程方向垂直的溫度不均勻度χ來度量溫度不均特性更為合理.

(2) 對于豎直放置的室外換熱器,用紅外熱成像儀記錄啟動過程其表面的溫度分布情況.在制冷時,在同一扁管中,溫度自上而下呈現(xiàn)遞減趨勢.垂直于扁管方向(Y軸)的不同區(qū)域,其溫度分布不均勻程度不同,χ4>χ5>χ2>χ3>χ1.在制熱時,溫度分布呈“山”字形分布,且隨著結(jié)霜程度的加重,山字分界線上移.換熱器表面各區(qū)域段溫度分布不均勻程度的變化反應(yīng)了其表面溫度分界線的移動情況,也間接反應(yīng)了結(jié)霜分界線的移動情況.

(3) 在建立制冷、制熱工況下,2個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析換熱器溫度分布對系統(tǒng)性能的影響.在制冷和制熱時EER、環(huán)境溫度、制冷劑流量和溫度分布不均勻度對制冷COP和制熱COP的影響權(quán)重分別是34.61%、30.42%、34.97%和30.03%、26%、43.9%.表面溫度分布不均對系統(tǒng)性能系數(shù)影響權(quán)重最大,其次是環(huán)境溫度和制冷劑流量.

(4) 對于同一結(jié)構(gòu)的換熱器,在風(fēng)側(cè)風(fēng)量分布均勻的前提下,換熱器表面溫度分布不均主要由制冷劑的分配不均引起.換熱器溫度分布間接反映了制冷劑的分配均勻性.微通道換熱器被用作冷凝器和蒸發(fā)器時,其表面溫度分布對系統(tǒng)性能的影響權(quán)重分別為34.97%和43.90%.因此改善氣液兩相的分配均勻性比改善氣相的分配均勻性更利于系統(tǒng)性能的提升.

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Temperature maldistribution in micro-channel heat exchanger applied to electrical vehicle’s heat pump air conditioning

WU Jiang-hong1, XUE Zhi-qiang1, JIN Peng2, LI Hui-xi3

(1.CollegeofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China; 2.BeijingAutomotiveResearchInstituteLimitedCompanyBeijing101300,China;3.IngersollRand(China)LimitedCompanyGuangzhou510620,China)

Surface temperature maldistribution(STM) of micro-channel heat exchanger(MCHE) was analyzed and its influence to performance of heat pump air conditioning system (HPACS) for electrical vehicles was discussed. Performance of HPACS which had applied designed inlet distributor was tested. STM of outdoor MCHE under cooling/heating working condition was monitored by infrared radiometer.Temperature unevenness (χ) of areas vertical to the flow direction was adopted to evaluate MCHE’s STM. Two BP neural networks were construted to predict cooling/heating performance under different working condition, refrigerant flow and STM. Influence weights of inputs to output were obtained for BP neural networks. Results show that when MCHEs are used as condenser and evaporator, influence weights of STM to the HPACS’s performance are 34.97% and 43.90% respectively. It is more beneficial to improve refrigerant maldistribution of two-phase flow than gas-phase flow.

electrical vehicle; heat pump; microchannel heat exchanger; temperature maldistribution; BP neural network

2015-08-19.

廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項資金新能源汽車產(chǎn)業(yè)資助項目[粵發(fā)改高技術(shù)(2011)981號文]；環(huán)境保護部環(huán)境保護對外合作中心資助項目(C/III/S/15/008).

巫江虹(1967—),女,教授,博導(dǎo),從事制冷技術(shù)與暖通空調(diào)技術(shù)等研究.ORCID: 0000-0001-5269-6175.E-mail: pmjhwu@scut.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.016

TK 172

A

1008-973X(2016)08-1537-08

浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng