冷凝器流程數(shù)和放置形式對熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響

張超波，蘇 林，劉旭陽，谷曉陽

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

熱泵空調(diào)系統(tǒng)是電動汽車耗能最大的輔助子系統(tǒng)，開啟該系統(tǒng)會極大地減小電動汽車續(xù)航里程[1-3]。為改善空調(diào)系統(tǒng)能耗，電動汽車需要換熱性能更好的換熱器。微通道換熱器因在微尺度下，表面作用增強，面體比增大[4],相較傳統(tǒng)換熱器擁有更強的換熱能力。因此體積小、換熱效率高的微通道換熱器迅速取代了傳統(tǒng)換熱器，被廣泛應(yīng)用在電動汽車上。

近年來，微通道換熱器日益受到各方關(guān)注。有學(xué)者針對平行流微通道換熱器進行了研究。張萍等[5]針對微通道平行流冷凝器，分析了迎面風速、進風溫度及制冷劑流量對冷凝器換熱性能和壓降的影響。謝翌等[6]研究了車用平行流微通道冷凝器的流程扁管布置，提出了一種平行流冷凝器流程扁管數(shù)分配的優(yōu)化設(shè)計方法。楊潤澤等[7]建立了車用多元平行流冷凝器仿真模型，發(fā)現(xiàn)車用平行流冷凝器的流程數(shù)不宜過多。趙宇等[8]對2組不同流程結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器進行了性能分析，發(fā)現(xiàn)二流程設(shè)計比四流程設(shè)計具有更好的傳熱與壓降特性。唐偉偉[9]對采用平行流換熱器的汽車空調(diào)系統(tǒng)性能和充注量進行了仿真研究，觀察了不同充注量對系統(tǒng)性能和制冷劑分布的影響。另有學(xué)者對微通道換熱器的溫度分布進行了研究。巫江虹等[10]研究了電動汽車熱泵空調(diào)微通道換熱器的溫度分布特性，采用紅外熱成像儀記錄了車外換熱器溫度分布變化情況，發(fā)現(xiàn)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。唐啟天等[11]對室外側(cè)換熱器在不同充注量和轉(zhuǎn)速下的表面溫度分布均勻性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)充注量適中時，在不同轉(zhuǎn)速下制冷性能和換熱器溫度分布均勻性同時達到最優(yōu)。胡莎莎等[12]對3個不同流程布置的微通道冷凝器進行了系統(tǒng)制冷實驗并記錄了冷凝器表面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)隨流程數(shù)增加，冷凝器換熱量和壓降增大，且二流程冷凝器溫度分布均勻性好于其他情形。

各方學(xué)者已對微通道換熱器進行了大量研究，但是，對電動汽車豎直流微通道換熱器研究相對較少，缺少豎直流微通道換熱器放置形式及流程數(shù)對系統(tǒng)性能影響的研究。本研究中的放置形式指冷凝器安裝方向，并分為正置和倒置2種情況。正置指制冷劑從冷凝器上部進入，倒置則相反。

針對搭載不同流程數(shù)和放置形式的微通道冷凝器的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，課題組通過實驗研究了系統(tǒng)制冷性能和冷凝器表面溫度分布特性。一方面，利用新能源汽車空調(diào)基礎(chǔ)綜合評估實驗室，探究冷凝器在不同流程數(shù)和放置形勢下對熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能的影響；另一方面，利用紅外熱像儀觀察并分析微通道冷凝器的溫度分布，探究不同流程數(shù)和放置形式的微通道冷凝器換熱特性。

1 實驗裝置及測試方法

1.1 實驗裝置

實驗在新能源汽車空調(diào)基礎(chǔ)綜合評估實驗室中進行，實驗室由室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)2部分構(gòu)成。通過各自獨立的環(huán)境控制系統(tǒng)來控制室內(nèi)外的送風溫度、風量和相對濕度等實驗參數(shù)。圖1為實驗原理及測試系統(tǒng)圖。如圖所示，該實驗測試系統(tǒng)主要由電動渦旋式壓縮機、微通道冷凝器、微通道蒸發(fā)器、儲液罐、氣液分離器、質(zhì)量流量計、電磁閥和電子膨脹閥等組成。來自蒸發(fā)器的低壓制冷劑氣體被渦旋式壓縮機壓縮成高溫高壓的制冷劑氣體后進入冷凝器。冷凝后的制冷劑液體依次流過儲液罐和質(zhì)量流量計，在電子膨脹閥處被節(jié)流降壓，以兩相態(tài)的形式流入蒸發(fā)器。制冷劑蒸發(fā)吸熱后流入氣液分離器，然后進入壓縮機吸氣口，最終形成一個完整循環(huán)。在整個循環(huán)中，儲液罐和氣液分離器起到分離制冷劑氣液兩相的作用。此外，該實驗系統(tǒng)還利用紅外熱像儀對冷凝器的溫度分布進行了觀測。

圖1 實驗原理及測試系統(tǒng)

本實驗所使用的渦旋式壓縮機排量為27 mL/r，輸入電壓為144 V。蒸發(fā)器采用豎直流雙排4流程微通道換熱器，其長×寬×厚為200 mm×200 mm×48 mm，扁管數(shù)為50，流程布置為12-13-12-12。氣液分離器與儲液罐容積分別為700和900 mL。質(zhì)量流量計測量范圍為0～300 kg/h。壓縮機的功率用輸入電壓和電流的乘積表示。電子膨脹閥和電磁閥均為12 V直流驅(qū)動，其中電子膨脹閥容量為3.517 kW。紅外熱像儀測溫范圍為-40～150 ℃，精度為讀數(shù)的±2%。

該系統(tǒng)共有6個溫度和壓力測點，分別在壓縮機、室內(nèi)蒸發(fā)器和室外冷凝器的進出口。同時，在環(huán)境控制系統(tǒng)中，每個風洞內(nèi)部還安裝有溫度和相對濕度傳感器。該實驗系統(tǒng)實驗設(shè)備主要參數(shù)測量精度如表1所示。

表1 主要參數(shù)測量精度

圖2為冷凝器樣件流程示意圖，圖中展示了2個幾何尺寸相同的樣件的流程布置及制冷劑走向。表2為2個樣件具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，2樣件除流程布置不同，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。在本實驗中，2個冷凝器樣件和蒸發(fā)器均采用豎直流微通道的結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計綜合考慮了制冷劑在換熱器中各位置分布的均勻性以及冷凝水的排離便利性[13]。

圖2 冷凝器流程示意圖

表2 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 實驗方法與測試工況

本實驗中制冷劑采用R134a，通過充注量試驗，確定實驗系統(tǒng)最佳充注量為1.7 kg。為研究在不同轉(zhuǎn)速下冷凝器的流程數(shù)及放置形式對整個熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能影響，實驗首先將二流程冷凝器樣件正向放置，依次測試渦旋壓縮機轉(zhuǎn)速在2 000，3 000和4 000 r/min下熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能；然后，改變二流程冷凝器樣件的放置形式，重新測試不同轉(zhuǎn)速下空調(diào)系統(tǒng)性能參數(shù)。三流程冷凝器樣件的測試方法與二流程冷凝器樣件測試方法相同。最后，綜合采集到的實驗數(shù)據(jù)和紅外熱像儀拍攝到的冷凝器溫度分布照片，對該空調(diào)系統(tǒng)性能進行分析。參考國家相關(guān)汽車測試標準以及空調(diào)行業(yè)測試標準[14-15]，本次實驗測試工況如表3所示。

表3 實驗測試工況

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 流程數(shù)及放置形式對系統(tǒng)性能的影響

圖3表示空調(diào)系統(tǒng)制冷量隨壓縮機轉(zhuǎn)速變化情況。從圖3可以看出，在相同溫度、相同迎風面積情況下，冷凝器的不同流程和放置形式均會對該系統(tǒng)制冷量產(chǎn)生影響。一方面，二流程倒置的制冷量高于其他布置形式，在不同轉(zhuǎn)速下，二流程倒置的制冷量較二流程正置高2.57%～5.52%，較三流程倒置高1.72%～4.59%。壓縮機轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時二流程倒置制冷量高達3.37 kW。這是因為倒置強化制冷劑擾動，會增強換熱。另一方面，4種情況下的微通道冷凝器系統(tǒng)制冷量均隨壓縮機轉(zhuǎn)速的升高而增加，但制冷量的增幅均呈減緩趨勢。造成這種情況的原因為制冷量受換熱器換熱能力、迎面風速和制冷劑等因素的制約。

圖3 制冷量隨轉(zhuǎn)速變化情況

圖4為系統(tǒng)能效比REE隨轉(zhuǎn)速變化情況。由圖4可知，二流程倒置工況下系統(tǒng)的REE最高；不同轉(zhuǎn)速下，二流程倒置工況下系統(tǒng)的REE較二流程正置高0.98%～2.87%，較三流程倒置高10.68%～11.36%。各系統(tǒng)的REE均隨壓縮機轉(zhuǎn)速的升高而降低，降幅隨轉(zhuǎn)速增加而趨緩。這是因壓縮機轉(zhuǎn)速提高，壓比增大，壓縮機中的功耗增加。雖然壓縮機轉(zhuǎn)速提高，制冷劑流量增加，制冷量上升，但制冷量的增幅不及壓縮機功耗的增幅，導(dǎo)致壓縮機轉(zhuǎn)速上升，系統(tǒng)REE值下降。

圖4 系統(tǒng)REE隨轉(zhuǎn)速變化情況

空調(diào)箱出風溫度隨轉(zhuǎn)速變化如圖5所示。首先，隨壓縮機轉(zhuǎn)速增加，蒸發(fā)器出風溫度降幅趨緩。這是因為，受壓縮機性能、換熱器結(jié)構(gòu)和循環(huán)風量等影響，出風溫度不可能一直降低，壓縮機轉(zhuǎn)速越高，下降趨勢會趨于平緩。此外，二流程倒置形式在所有轉(zhuǎn)速中較其他方案出風溫度更低，在4 000 r/min時，出風溫度為14.84 ℃。

圖5 出風溫度隨轉(zhuǎn)速變化情況

圖6為壓縮機轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時，不同方案下的系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)壓焓圖。由圖6可知，一方面，二流程方案較三流程方案有更低的冷凝壓力和更小的壓比，且倒置形式冷凝壓力稍高于正置。二流程正置、倒置的冷凝壓力比三流程正置、倒置的冷凝壓力分別低155.69和158.08 kPa，壓比分別低0.37和0.38。另一方面，二流程有較小的壓縮機進出口比功。二流程正置、倒置與三流程正置、倒置相比，壓縮機進出口比功分別低7.59和7.44 kJ/kg。

圖6 不同方案下系統(tǒng)p-h圖

綜上，通過對系統(tǒng)制冷量、REE、出風溫度及系統(tǒng)熱力學(xué)循環(huán)的分析，采用二流程微通道冷凝器的熱泵空調(diào)系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于三流程，且冷凝器采用倒置形式時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)擁有更好的制冷性能。

2.2 流程數(shù)及放置形式對溫度分布的影響

圖7為2微通道冷凝器在35 ℃，壓縮機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，不同布置形式下的冷凝器表面溫度分布。

樣件Ⅰ和樣件Ⅱ分別為二流程和三流程冷凝器。由圖7(a)和7(b)可知，二流程冷凝器倒置相較正置，第1流程制冷劑進口兩側(cè)扁管溫度較低，第2流程上部溫度較高，下部溫度較低。造成這種差異的原因是：一是受換熱器結(jié)構(gòu)及流動特性影響，第1流程中間相較兩側(cè)流阻較小，高溫制冷劑優(yōu)先從中間通過；二是制冷劑受重力因素影響，二流程倒置制冷劑在第2流程氣液分離，導(dǎo)致第2流程上部充斥高溫制冷劑氣體。二流程倒置雖比正置溫度分布均勻性差，但換熱面積更大，迎風面積相同情況下?lián)Q熱量更多，有更高的換熱效率。由圖7(c)和7(d)可知，三流程冷凝器溫度分布規(guī)律與二流程冷凝器類似，但其均勻性不如二流程。原因即為三流程冷凝器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，流阻較二流程更大，影響制冷劑均勻流動。微通道冷凝器流程數(shù)越多，冷凝器的溫度分布均勻性越差[16]。

圖7 冷凝器樣件Ⅰ和Ⅱ表面溫度分布

為比較不同情形下冷凝器高溫區(qū)面積占比，課題組對溫度分布圖像進行了二值化處理。因Otsu閾值算法穩(wěn)定性好、成功率高、速度快[17]，且處理換熱器溫度分布圖像效果好，故采用Otsu閾值算法處理冷凝器溫度分布圖像。微通道冷凝器溫度分布圖像經(jīng)裁剪和二值化處理后，效果如圖8所示。由圖8可知，二值化圖像較好地還原了冷凝器溫度分布細節(jié)。

圖8 冷凝器樣件Ⅰ和Ⅱ溫度分布圖像二值化處理

由于二值化圖像中白色像素分布與冷凝器高溫區(qū)域分布一致，故用白色像素占比代表高溫區(qū)域占比。經(jīng)統(tǒng)計，4幅二值化圖像均為558×224像素；圖8(a)、8(b)、8(c)和8(d)白色像素點數(shù)分別為1.468×105，1.227×105，1.142×105和1.026×105。各二值化圖像高溫區(qū)域占比數(shù)據(jù)見表4。表4為壓縮機轉(zhuǎn)速在4 000 r/min時，各流程數(shù)和放置形式下的空調(diào)系統(tǒng)整體性能數(shù)據(jù)。由表4可知，二流程倒置高溫區(qū)域占比達62.1%，較二流程正置、三流程倒置高溫區(qū)域占比分別高9.1%和10.1%。另外，二流程倒置時系統(tǒng)性能最好，其制冷量高達3.37 kW，REE高達2.17，出風溫度最低為14.84 ℃。

表4 4 000 r/min時熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷性能

綜合來看，冷凝器的流程數(shù)和布置形式會對熱泵空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能產(chǎn)生影響，選用倒置形式的二流程換熱器作為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)冷凝器，相較其他3種方案，對系統(tǒng)制冷性能提升較為有利。

3 結(jié)論

針對采用豎直流微通道冷凝器的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，課題組在給定工況和樣件情況下，重點研究了不同流程數(shù)和放置形式的冷凝器對系統(tǒng)制冷性能的影響，同時利用紅外熱像儀觀察并分析了微通道冷凝器的表面溫度分布，得出以下結(jié)論：

1)二流程倒置工況下的系統(tǒng)制冷量、REE以及出風溫度在不同轉(zhuǎn)速下均優(yōu)于其他布置形式。壓縮機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，二流程倒置工況下的系統(tǒng)制冷量達3.37 kW，REE為2.17，出風溫度為14.84 ℃。

2)二流程布置方案較三流程有較低的冷凝壓力，較低的壓比及較小的壓縮機進出口比功。二流程正置、倒置與三流程正置、倒置相比，冷凝壓力分別低155.69和158.08 kPa；壓比分別低0.37和0.38；壓縮機進出口比功分別低7.59和7.44 kJ/kg。

3)二流程溫度分布均勻性好于三流程，二流程倒置時的高溫區(qū)面積占比最大。壓縮機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，二流程倒置時的高溫區(qū)面積占比達62.1%，較二流程正置、三流程倒置高溫區(qū)域面積占比分別高9.1%和10.1%。