補氣增焓對電動客車變頻空調性能的影響

2022-01-12 04:18:38李敬恩許兵兵欒慶坤孫魯魯史長奎張素麗

城市軌道交通研究 2021年12期

李敬恩許兵兵欒慶坤尚鋒孫魯魯史長奎辛偉蘇勇張素麗

(山東朗進科技股份有限公司,266071,青島∥第一作者,工程師)

傳統的燃油或燃氣客車可利用發動機余熱進行冬季采暖，而電力驅動客車只能通過空調或電加熱設備等為車廂內提供熱量。雖然電加熱制熱在整個冬季均可以使用，但是其能效較低，能耗大，嚴重制約了純電動客車的續航里程。而普通熱泵空調在環境溫度低于-5 ℃時的制熱量衰減明顯，存在制熱量不足、壓縮機排氣溫度過高等問題[1]，既影響客車的舒適度，也容易造成空調壓縮機的損壞。目前，客車常規制熱在溫度低于0 ℃或者更低溫度時僅使用PTC(熱敏電阻)電加熱制熱[2]方式，能耗大，能效低，因此研究電動客車超低溫熱泵空調高效制熱技術，降低客車空調制熱能耗，不僅有助于擴大電動客車的續航里程，而且有利于節能環保。

目前，對補氣空調系統原理和試驗性研究較多。文獻[5-6]主要研究帶經濟器的渦旋壓縮機制冷循環。文獻[7-9]對渦旋壓縮機閃發器系統性能進行了熱力循環分析和試驗研究。文獻[4]構建了電動汽車空調準雙級渦旋式壓縮機性能測試試驗臺，研究了閃發器準二級壓縮空調系統相對普通單級壓縮系統在排氣溫度、制冷劑流量和能效比上面的變化。文獻[10]在電動客車熱泵空調系統上研究了準二級壓縮熱泵系統對排氣溫度、制熱量、能效比的影響，以及車內外風量的變化對準二級壓縮熱泵系統的影響。目前針對純電動客車空調尤其是變頻空調領域里研究很少。本文在純電動客車變頻空調上進行了試驗研究，對不同外部環境溫度下補氣對空調系統性能的影響進行了試驗和分析，并對不同壓縮機頻率下補氣對低溫制熱性能的影響進行試驗和分析，為純電動客車熱泵的開發和運行提供參考。

1 試驗裝置及試驗方法

本試驗將某變頻客車空調機組整改為試驗樣機。樣機采用有補氣增焓功能的某品牌臥式渦旋壓縮機；經濟器采用板式換熱器；蒸發器及冷凝器均采用波紋鋁翅片管換熱器；主閥與補氣閥均采用電子膨脹閥，并由手動控制開度；在補氣閥前設置電磁閥，用于控制補氣回路的通斷。在壓縮機吸、排氣口和經濟器的進、出口管路上分別布置熱電偶以測量其溫度，在經濟器出口管、壓縮機排氣管、壓縮機吸氣管上布置壓力測量接口，并連接WK-6889壓力表以檢測壓力。試驗室測量設備經過檢測校準均合格，測量精度如表1所示。試驗樣機的原理圖如圖1所示。

表1 試驗室測量精度

圖1 試驗樣機系統原理圖

試驗樣機在本公司空氣焓差法試驗室中進行各項試驗數據測試，試驗室可以采集環境室內干濕球溫度、空調機組各溫度點和壓力點的數據，以及空調機組制熱量、功率等參數。試驗工況為室內環境干球溫度20 ℃、濕球溫度15 ℃，外部環境溫度分別設定為7 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃。在各個工況下，壓縮機以額定頻率運行時，調整主閥開度使機組性能達到最優(即制熱量最大)，測得空調機組補氣前的性能數據，然后開啟補氣電磁閥并調整主閥與補氣閥開度，測得補氣后的空調機組最優性能數據，并記錄數據。

2 補氣增焓對于空調系統熱力性能的影響

2.1 補氣對空調系統排氣溫度的影響

不同外部環境溫度下補氣前后的排氣溫度對比如圖2所示。

圖2 不同外部環境溫度下補氣前后的排氣溫度對比

補氣前，排氣溫度隨著外部環境溫度的降低先減小再增大；補氣后，排氣溫度隨外部環境溫度的降低單調減小，且減小量越來越少，變化趨于平坦。補氣后的排氣溫度比補氣前的排氣溫度明顯降低：外部環境溫度為7 ℃時排氣溫度降幅最小，為9.4%；外部環境溫度為-20 ℃時排氣溫度降幅最大，為40.0%；而且，外部環境溫度越低，補氣對排氣溫度降低的作用就越大。

一般來說，當外部環境溫度降低時，一方面壓縮機的吸氣溫度降低，相應的排氣溫度趨于最低值；另一方面壓縮機輸氣量減少，使全封閉式渦旋壓縮機的電機冷卻效果變差，排氣溫度趨于升高。隨著外部環境溫度降低，壓縮機輸氣量的影響越來越占主導地位，因此補氣前的壓縮機排氣溫度先降后升。

2.2 補氣對空調系統制熱能力的影響

不同外部環境溫度下，補氣前后的制熱量情況如圖3所示，補氣后的制熱量提升幅度見圖4。

圖3 不同外部環境溫度下補氣前后的制熱量對比

圖4 不同外部環境溫度下補氣對制熱量提升幅度

補氣前后的制熱量均隨著外部環境溫度的降低而逐漸下降；補氣后制熱量比補氣前制熱量明顯提高，且外部環境溫度越低，補氣后制熱量的提升幅度就越大(外部環境溫度為7 ℃時制熱量提升7.9%，外部環境溫度為-20 ℃時制熱量提升26%)。

補氣前后制熱能效比隨環境溫度下降均逐漸降低(見圖5)。如圖6所示，環境溫度越低，則補氣后能效比的相對增幅越大。-20 ℃時，補氣后能效比增幅為14.9%。

圖5 各外部環境溫度下補氣前后能效比

圖6 各外部環境溫度下補氣對制熱能效比提升幅度

2.3 補氣對空調系統壓力的影響

如圖7及圖8所示：補氣前后，空調系統內高壓與低壓的壓力均隨環境溫度降低而減小；與補氣前相比，補氣后高壓壓力略有增大(外部環境溫度為7 ℃時高壓壓力增幅為6%)，補氣后低壓壓力變化始終不明顯。可見，若空調機組不補氣，則低壓壓力已經超出壓縮機安全運行范圍，即使開啟補氣,也無法使其在安全壓力范圍內運行。

圖7 各外部環境溫度下補氣前后低壓壓力對比

圖8 各外部環境溫度下補氣前后高壓壓力對比

3 系統參數調整時補氣空調系統熱力性能的變化特性

3.1 典型工況下補氣閥開度對空調系統參數的影響

本文設定的典型工況為：外部環境溫度為-20 ℃、室內干球溫度為20 ℃、室內濕球溫度為15 ℃，機組壓縮機按額定頻率運行，主閥開度固定為116。由圖9可知：在典型工況下，隨著補氣閥開度的增大，制熱量和能效比先增大后減小，其中制熱量最大增幅為22.0%，能效比最大增幅為12.5%；當補氣閥開度為320時，制熱量與能效比均達最大值；如補氣閥開度超過320并繼續開大，則制熱量和能效比均開始下降。這說明特定主閥開度下，在補氣閥開度增大的過程中制熱量和能效比存在最優值。

圖9 補氣閥開度對制熱量及能效比的影響

在圖10中可以發現：當補氣閥開度增至100時，排氣溫度開始大幅下降;當補氣閥開度為100～340時,排氣溫度變化很小;當補氣閥開度超過340并繼續開大后，排氣溫度下降明顯加快。經分析，當補氣閥開啟過大之后，補氣制冷劑不能完全汽化，使得進入壓縮機補氣口的冷媒帶有微小液滴，從而使排氣溫度快速下降。可見，補氣閥開度存在最優值。