電動汽車熱泵空調(diào)室外換熱器的特性實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：電動汽車熱泵用室外換熱器，是一種能夠滿足蒸發(fā)、冷凝兩用的換熱器。隨著制冷劑壓力和溫度的變化，在換熱器工作過程中有相變產(chǎn)生，對其直接進(jìn)行換熱量和流阻的模擬仿真不僅計算量大，而且精度難以保證。故而文章選定了一款迎風(fēng)面積為642mm×526mm，芯體厚度為16mm的室外換熱器，就不同出口位置，不同集液管直徑，不同的內(nèi)置帶孔隔板數(shù)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，研究了不同變量對換熱器換熱量和流阻的影響。對于下進(jìn)上出的室外換熱器，出口位置靠上冷凝工況的換熱量比其他位置提高3.1%，蒸發(fā)工況提高3.8%。集液管直徑變大的實(shí)驗(yàn)芯體在蒸發(fā)模式下?lián)Q熱量提高了15.7% 。實(shí)驗(yàn)芯體帶孔隔板數(shù)量增加換熱量提高3.8%。希望文章能夠?yàn)闊岜孟到y(tǒng)室外換熱器的設(shè)計方案提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：電動汽車 熱泵空調(diào) 室外換熱器 制熱性能 制冷性能

1 緒論

近年來極端天氣頻頻出現(xiàn)，能源危機(jī)和氣候變化已成為人類面臨的重大挑戰(zhàn)。2019年歐盟委員會公布要在2050年實(shí)現(xiàn)“氣候中性”的歐洲愿景；2020年中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”的雙碳目標(biāo)；2021年美國發(fā)布《邁向2050年凈零排放長期戰(zhàn)略》。交通運(yùn)輸領(lǐng)域作為重要的碳排放源，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型是推進(jìn)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的重要舉措[1]。內(nèi)燃機(jī)汽車廣泛使用的同時也帶來了環(huán)境污染和溫室氣體效應(yīng)，加劇了能源危機(jī)。用電動汽車代替燃油汽車正為汽車行業(yè)下一步發(fā)展的方向和產(chǎn)業(yè)界的共識[2]。由于純電動汽車無發(fā)動機(jī)，不能像傳統(tǒng)燃油車那樣，利用發(fā)動機(jī)高溫冷卻液作為客艙加熱的熱源。為了實(shí)現(xiàn)冬季采暖，電動汽車必須采用新的采暖方式，目前主要應(yīng)用的有電加熱（PTC）和熱泵系統(tǒng)兩種加熱方式。由于熱泵系統(tǒng)的能效比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PTC，所以其在節(jié)約能源和增加續(xù)航里程方面具有很大的優(yōu)勢[3]。而室外換熱器是熱泵系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件之一，它能夠在以下工況內(nèi)連續(xù)運(yùn)行或間歇運(yùn)行：

2 研究對象

本論文中研究的室外換熱器，芯體迎風(fēng)面積為642mm×526mm（長×寬），芯體厚度為16mm。此室外換熱器采用了百葉窗翅片、微通道散熱管和集液管組合而成，如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)原理

室外換熱器的性能實(shí)驗(yàn)在汽車空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行，制冷劑選用R134a。實(shí)驗(yàn)樣件按照要求安裝在實(shí)驗(yàn)臺上，輸入實(shí)驗(yàn)工況給定的制冷劑側(cè)的參數(shù)和空氣測的參數(shù)。在焓差實(shí)驗(yàn)室中按照設(shè)定工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況運(yùn)行穩(wěn)定后，繼續(xù)運(yùn)行半小時后采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

制冷劑的熱力性質(zhì)參數(shù)通過調(diào)用 NISF 計算軟件得到。制冷劑側(cè)換熱能力為

Qcr=Fr·（hci-hco）/3.6

式中：

Qcr為換熱量，單位W；

Fr為制冷劑流量，單位kJ/h，通過流量計測量；

hci為室外換熱器入口比焓，kJ/kg單位；

hco為冷凝器出口比焓，單位kJ/kg［4］。

本文中涉及到的換熱量均為制冷劑側(cè)換熱量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 三種不同出口位置對換熱量性能的影響

此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的室外換熱器，芯體迎風(fēng)面積為642mm×526mm（長×寬），芯體厚度為16mm。兩流程設(shè)計，第一流程25根散熱管，第二流程38根散熱管（本論文接下來的提到的室外換熱器，其芯體迎風(fēng)面積，厚度，流程分布均不變，后面不在贅述，統(tǒng)一用實(shí)驗(yàn)芯體替代）。在研究不同出口位置的實(shí)驗(yàn)測試中，為了避免其他變量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，做了如下設(shè)置：

第一：制冷劑均為R134a，且走向不變均為下進(jìn)上出；

第二：進(jìn)口位置始終保持不變，在第一流程中間偏下的位置；

第三：進(jìn)口壓板和出口壓板的管口尺寸相同；

第四：室外換熱器的芯體部分為同一個，每次實(shí)驗(yàn)把需要的出口和制冷劑管路接通，封住其出口。如測試出口1時，出口1和制冷劑管路接通，出口2和出口3用悶頭堵住，無制冷劑流通。

三個不同的出口位置，依次在第二流程的上，中，下位置，如下圖2所示：

4.1.1 冷凝工況的測試結(jié)果和分析

在炎熱的夏天，外界空氣溫度較高的時候，室外換熱器承擔(dān)了冷凝器的功能。通過吸收室外空氣的熱量，將高溫高壓的氣態(tài)制冷劑冷卻凝結(jié)成低溫高壓的液態(tài)制冷劑。從而達(dá)到給乘客艙降溫的目的。選用如表1所示的工況為室外換熱器的冷凝工況。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖4為實(shí)驗(yàn)過程中處于穩(wěn)態(tài)之后拍攝的室外換熱器表面溫度紅外熱成像圖。顏色從紅色到藍(lán)色，溫度逐漸降低。從圖4可以看出三種狀態(tài)的第一流程和第二流程的初期溫度分布基本一致，不受出口位置的影響。高溫的制冷劑氣態(tài)進(jìn)入室外換熱器后迅速降溫從而成為氣液兩相的混合物。出口1的第二流程中段和末段深藍(lán)色的過冷區(qū)域面積比出口2和出口3大，換熱效果較好。

具體差異比較如圖5所示。

為了直觀的表示出不同出口位置在冷凝工況測試下的差異，選用出口1為基準(zhǔn)，出口2和出口3的換熱量，流阻和風(fēng)阻分別和出口1做比較，詳見表2。由表2可知，出口1的換熱量最高，出口2的制冷劑阻力最低，3個出口位置的風(fēng)阻基本一致。

4.1.2 蒸發(fā)工況的測試結(jié)果和分析

電動汽車熱泵系統(tǒng)冬季采暖時，室外換熱器作為蒸發(fā)器來使用。液態(tài)低溫的制冷劑進(jìn)入室外換熱器，依靠從外界空氣中吸收的熱量，達(dá)到氣化蒸發(fā)的效果。表3為室外換熱器的蒸發(fā)工況。

圖6為實(shí)驗(yàn)過程中處于穩(wěn)態(tài)之后拍攝的室外換熱器表面溫度紅外熱成像圖。顏色從藍(lán)色到紅色，溫度逐漸增加。由于蒸發(fā)器的出口是氣態(tài)的制冷劑，而氣態(tài)的密度比液態(tài)的小，出口位置較高的出口1，制冷劑經(jīng)歷了完整的狀態(tài)變化過程從氣液兩相到過熱蒸汽之后順利排出，但是出口位置較低的出口3，有很大一部分制冷劑一直處于氣液兩相的混合狀態(tài)沒有達(dá)到規(guī)定的過熱度就流出芯體，不再參與換熱。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比詳見圖7。

為了直觀的表示出不同出口位置蒸發(fā)工況的差異，選用出口1為基準(zhǔn)，出口2和出口3的換熱量，流阻和風(fēng)阻分別和出口1做比較，詳見表4。由表4可知，出口1的換熱量最高，制冷劑阻力最低，3個出口位置的風(fēng)阻基本一致。

4.2 不同集液管尺寸對性能的影響

當(dāng)室外換熱器作為蒸發(fā)器使用時，內(nèi)部的液態(tài)制冷劑存儲的多將更利于換熱。因此本實(shí)驗(yàn)通過改變集液管的管徑實(shí)現(xiàn)改變制冷劑在室外換熱器中的存儲量。從而來對比蒸發(fā)模式下的換熱性能。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)芯體所用的散熱管和散熱帶相同，進(jìn)出口位置和管口尺寸相同，集液管外徑尺寸分別為?22mm和?28mm。

實(shí)驗(yàn)工況選用表3。從圖8的熱成像可以看出，集液管的外徑越大流量分布和溫度分布約均價，換熱效果越好。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比詳見圖9。

為了直觀的表示出不同集液管直徑性能對比的差異，以集液管直徑?22mm為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，由表5可知直徑?28mm的直徑?22mm的實(shí)驗(yàn)芯體在蒸發(fā)模式下?lián)Q熱量提高了15.7%，制冷劑阻力提高了18.2%，風(fēng)阻變化不明顯。雖然集液管直徑?28mm的換熱量有明顯提升，但是考慮到集液管直徑越大室外換熱器的外邊界尺寸越大，重量越大，沒用成本優(yōu)勢，因此不推薦使用。

4.3 帶孔隔板對性能的影響

室外換熱器一般用的是傳統(tǒng)燃油車?yán)淠鞯脑O(shè)計，在直接作為蒸發(fā)器使用的時候換熱量收到限制。本文實(shí)驗(yàn)通過增加帶孔隔板以改變流量分配從而提高換熱量。在實(shí)驗(yàn)芯體的回流側(cè)增加帶孔隔板，實(shí)驗(yàn)芯體一：包含一個帶孔隔板，帶孔隔板位置在回流測的第37根和38根散熱管之間。實(shí)驗(yàn)芯體二：包含兩個帶孔隔板，兩個帶孔隔板分別在回流側(cè)的第25根和26根散熱管之間，第48根和49根散熱管之間。兩個實(shí)驗(yàn)芯體示意如圖10所示。用表3的實(shí)驗(yàn)工況做測試。

為了直觀的表示出不同帶孔隔板數(shù)量性能對比的差異，以實(shí)驗(yàn)芯體一（包含1個帶孔隔板）為基準(zhǔn)進(jìn)行比較，由表6可知，實(shí)驗(yàn)芯體二（包含2個帶孔隔板）比實(shí)驗(yàn)芯體一的換熱量增加了3.8%，流阻增加了8.1%。風(fēng)阻降低了3.7%。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)芯體，迎風(fēng)面積為642mm×526mm

（長×寬），芯體厚度為16mm，兩流程設(shè)計，第一流程25根散熱管，第二流程38根散熱管的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，總結(jié)如下：

第一：進(jìn)口位置相同時，不同出口位置對換熱器和阻力的影響。

出口1（在第二流程上部）不論在冷凝工況還是蒸發(fā)工況下，換熱量都高于出口2（在第二流程中部）和出口3（在第二流程下部），而且蒸發(fā)工況下出口1的流阻最小。雖然出口1在冷凝工況測試中流阻高于出口2，但是換熱量依然有3.1%的提升。因此推薦在布置室外換熱器出口布置在第二流程上部。

第二：不同集液管直徑對換熱量的影響。

在蒸發(fā)模式下集液管直徑?28mm的實(shí)驗(yàn)芯體，其換熱量比直徑?22mm的實(shí)驗(yàn)芯體提高了15.7%，雖然換熱量有了很明顯的提升，但是考慮到集液管直徑增大室外換熱器的外邊界尺寸就會增大，同時重量增加，沒用成本優(yōu)勢，不推薦使用。

第三：不同帶孔隔板數(shù)量對換熱量的影響。

2個帶孔隔板的實(shí)驗(yàn)芯體比1個帶孔隔板的實(shí)驗(yàn)芯體在表3蒸發(fā)工況下的換熱量增加了3.8%。因此可以考慮通過增加帶孔隔板數(shù)量來提高蒸發(fā)工況的換熱量。帶孔隔板數(shù)量增加的同時也會帶來室外換熱器材料成本增加，加工工時的增加，和制造時防錯成本的增加。

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