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

符號(hào)說(shuō)明：

ρ——密度，kg/m3；

m——制冷劑質(zhì)量，kg；

d——直徑，m；

L——長(zhǎng)度，m；

下 標(biāo)

total——總量；

comp——壓縮機(jī)；

hpt——高壓管；

lpt——低壓管；

cond——制冷循環(huán)中的冷凝器；

evp——制冷循環(huán)中的蒸發(fā)器；

evpin——蒸發(fā)器的進(jìn)口；

evpout——蒸發(fā)器的出口；

suct——吸入的制冷劑；

disc——排放的制冷劑；

gas——制冷劑氣相部分；

sep——?dú)庖悍蛛x器；

txv——熱力膨脹閥；

exv——電子膨脹閥；

liq——制冷劑液相部分；

two-phase——制冷劑的兩相段；

int-gas——冷凝器入口氣體段；

sub-liq——冷凝器中過(guò)冷液體部分；

sph-gas——蒸發(fā)器中過(guò)熱氣體部分。

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)作為一種替代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)的選擇，受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。電動(dòng)汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)采用電池作為動(dòng)力源，其能耗占據(jù)電池總?cè)萘康?0%左右，使得空調(diào)系統(tǒng)性能對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程有直接的影響，這為電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。目前在電動(dòng)汽車(chē)采暖方面主要采用電加熱供暖，即利用PTC電加熱器將電能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)熱量交換為低溫空氣供熱，雖然PTC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制熱效果好，但其耗電量較大，進(jìn)而影響到電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。另一方面，熱泵系統(tǒng)可以從環(huán)境吸取熱量并傳遞到室內(nèi)環(huán)境，在家用空調(diào)中已得到普遍應(yīng)用，其最大特點(diǎn)是能耗較低，若將熱泵系統(tǒng)應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)供熱，其在節(jié)約能源和延長(zhǎng)續(xù)航里程上的優(yōu)勢(shì)將被突顯出來(lái)，熱泵系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用也得到了越來(lái)越多的關(guān)注[1]。

電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，其性能受到許多因素的影響，如室內(nèi)室外的環(huán)境工況，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和排量，換熱器的性能參數(shù)，制冷劑的物理性質(zhì)和制冷劑的充注量等。其中，制冷劑的充注量對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)性能有著很大影響[2]。趙家威等[3]針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的二級(jí)壓縮噴射熱泵空調(diào)，研究了該系統(tǒng)在不同的制熱工況下的充注量需求，結(jié)果表明：在制熱模式下，隨著環(huán)境溫度的降低，制冷劑的充注量逐漸增加；劉杰等[4]對(duì)新型換熱器汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行充注量試驗(yàn)，結(jié)果表明：制冷劑充注量在一個(gè)比較低的水平時(shí)，系統(tǒng)COP仍保持相對(duì)較高的水平。周光輝等[5]對(duì)于制冷劑為R407C的客車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行充注量試驗(yàn)，結(jié)果表明：制冷劑的充注量過(guò)少時(shí)，壓縮機(jī)的吸氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致過(guò)熱度過(guò)大，壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高；而充注量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致排氣壓力過(guò)高，甚至破壞系統(tǒng)。因此，合適的制冷劑充注量對(duì)熱泵系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

本文針對(duì)某小型電動(dòng)汽車(chē)，通過(guò)試驗(yàn)方法來(lái)確定其熱泵空調(diào)系統(tǒng)的最佳充注量。通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，分析制冷劑充注量對(duì)過(guò)冷度、過(guò)熱度的影響，同時(shí)考慮空調(diào)箱出風(fēng)溫度、制冷量、制熱量等系統(tǒng)性能參數(shù)的變化趨勢(shì)，綜合判定該系統(tǒng)的最佳充注量，為電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1示出電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理。如圖所示，該系統(tǒng)由壓縮機(jī)、室內(nèi)蒸發(fā)器HEX1、室內(nèi)冷凝器HEX2、室外換熱器HEX3以及膨脹閥等組成，通過(guò)兩個(gè)電磁閥的通斷來(lái)切換制冷和制熱模式。制冷循環(huán)過(guò)程為：制冷劑氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，通過(guò)電磁閥1（此時(shí)電磁閥2處于關(guān)閉狀態(tài)）進(jìn)入室外換熱器HEX3中冷凝，冷凝過(guò)程向環(huán)境中散熱，后經(jīng)帶有截止功能的熱力膨脹閥節(jié)流后，進(jìn)入空調(diào)箱內(nèi)的蒸發(fā)器HEX1中蒸發(fā)，蒸發(fā)過(guò)程從車(chē)內(nèi)吸收熱量，低溫低壓的制冷劑氣體進(jìn)入氣液分離器后回到壓縮機(jī)。制熱循環(huán)過(guò)程為：制冷劑氣體經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入空調(diào)箱內(nèi)的冷凝器HEX2中冷凝，冷凝過(guò)程向車(chē)內(nèi)散熱，后經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后，進(jìn)入室外換熱器HEX3中蒸發(fā)，蒸發(fā)過(guò)程從環(huán)境中吸收熱量，低溫低壓的制冷劑氣體通過(guò)電磁閥2（此時(shí)電磁閥1和帶截止功能的熱力膨脹閥均處于關(guān)閉狀態(tài)）進(jìn)入氣液分離器后回到壓縮機(jī)[6]。

圖1 熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理

該熱泵系統(tǒng)壓縮機(jī)選用車(chē)用電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 電動(dòng)渦旋式壓縮機(jī)參數(shù)

室內(nèi)蒸發(fā)器HEX1、冷凝器HEX2和室外換熱器HEX3均選用單排四流程微通道換熱器，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）分別為：136 mm×194 mm×32 mm，202 mm×195 mm×40 mm，372 mm×322 mm×20 mm；2個(gè)膨脹閥分別為壓力型電子膨脹閥和帶截止功能的H型熱力膨脹閥；電磁閥均為直流12 V驅(qū)動(dòng)常閉型；此外，制冷劑量采用電子稱(chēng)精確測(cè)量，精度為 ±1 g。

整套系統(tǒng)搭建在一個(gè)多功能人工環(huán)境試驗(yàn)室中。該試驗(yàn)室由2套可分別控制的完全獨(dú)立的測(cè)試室組成，能夠控制環(huán)境室的溫度和濕度，并且有可控制風(fēng)量的送風(fēng)管路。采用R134a作為制冷劑，管路均采用鋁管連接，并用保溫材料對(duì)鋁管進(jìn)行包裹。圖2示出試驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)示意，在壓縮機(jī)、室內(nèi)冷凝器、蒸發(fā)器和室外換熱器的進(jìn)出口共8個(gè)點(diǎn)分別布置了壓力傳感器和溫度傳感器，同時(shí)在空調(diào)箱不同模式下的進(jìn)出風(fēng)口分別布置溫度熱電偶，通過(guò)安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)[7]。

圖2 試驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)示意

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)分別在制冷和制熱工況下進(jìn)行充注量試驗(yàn)，制冷劑以400 g起開(kāi)始充注，分別為450，500，550，600，650，700，750，800 g。在確定制冷工況下的最佳充注量范圍后，將系統(tǒng)內(nèi)制冷劑全部排空，而后進(jìn)行制熱工況試驗(yàn)。綜合分析制冷劑充注量對(duì)系統(tǒng)各性能參數(shù)的影響，從而確定最佳充注量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 充注量對(duì)壓縮機(jī)排氣特性的影響

圖3，4分別示出壓縮機(jī)的排氣溫度和排氣壓力隨制冷劑充注量的變化趨勢(shì)。如圖所示，無(wú)論系統(tǒng)處于制冷模式還是制熱模式，隨著系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量的不斷增加，壓縮機(jī)的排氣溫度均逐漸降低，排氣壓力均逐漸增加。原因在于，當(dāng)制冷劑充注量很少時(shí)，蒸發(fā)器的出口過(guò)熱度較大，導(dǎo)致壓縮機(jī)吸氣溫度很高，而經(jīng)過(guò)壓縮后，壓縮機(jī)排氣溫度必然也很高。隨著系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量的不斷增加，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度不斷降低，吸氣溫度不斷降低，而壓縮機(jī)的壓比在運(yùn)行過(guò)程中變化不大，所以排氣溫度也逐漸降低。不同的是，在制熱模式下，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min升至4 000 r/min時(shí)，壓縮機(jī)排氣溫度上升近25 ℃，而在制冷模式下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)排氣溫度的影響相對(duì)較小，排氣溫度始終維持在一個(gè)較高的水平。

圖3 排氣溫度隨制冷劑充注量的變化

圖4 排氣壓力隨制冷劑充注量的變化

2.2 充注量對(duì)空調(diào)箱出風(fēng)溫度的影響

圖5示出空調(diào)箱出風(fēng)溫度隨制冷劑充注量的變化趨勢(shì)。如圖所示，空調(diào)箱在制冷吹面模式下的出風(fēng)溫度隨制冷劑充注量的增加而降低，當(dāng)制冷劑充注量為750 g時(shí)，出風(fēng)溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)出風(fēng)溫度最低可達(dá)15 ℃，可以滿(mǎn)足夏季乘員艙內(nèi)的舒適性需求。空調(diào)箱在制熱吹腳模式下的出風(fēng)溫度隨著制冷劑充注量的增加而增加，當(dāng)制冷劑充注量為650 g時(shí)，出風(fēng)溫度趨于穩(wěn)定，此時(shí)出風(fēng)溫度最高可達(dá)23 ℃，可以滿(mǎn)足冬季乘員艙的舒適性需求[8-9]。

圖5 空調(diào)箱出風(fēng)溫度隨制冷劑充注量的變化

2.3 充注量對(duì)系統(tǒng)內(nèi)換熱量及COP的影響

圖6示出系統(tǒng)制冷量和制熱量隨制冷劑充注量的變化趨勢(shì)。

圖6 換熱量隨制冷劑充注量的變化

在制冷模式下，隨著系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量的不斷增加，系統(tǒng)的制冷量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，逐步充至750 g時(shí)，制冷量近乎達(dá)到最大值，制冷量最高可達(dá)2.63 kW，可以滿(mǎn)足夏季車(chē)內(nèi)負(fù)荷需求。再繼續(xù)充注時(shí)，制冷量上升緩慢或略有下降。原因在于，當(dāng)充注量較小時(shí)，通過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量很小，蒸發(fā)器的有效換熱面積不能得到充分利用，從而蒸發(fā)器出口過(guò)熱度很大，導(dǎo)致制冷量過(guò)低。而隨著制冷劑充注量的不斷增加，通過(guò)蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量不斷增加，即蒸發(fā)器的有效換熱面積不斷增加，從而制冷量不斷增加。但當(dāng)制冷量達(dá)到峰值以前，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量在傳熱中占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著制冷劑的不斷增加，蒸發(fā)溫度不斷上升，導(dǎo)致傳熱溫差不斷減小，此時(shí)傳熱溫差在傳熱中占據(jù)主導(dǎo)地位，抑制了制冷量的進(jìn)一步上升，這就是制冷量出現(xiàn)峰值后上升緩慢或略有下降的原因[10]。

圖7示出能效比COP隨制冷劑充注量的變化趨勢(shì)。如圖所示，隨著制冷劑充注量的增加，能效比COP在充注量為750 g時(shí)達(dá)到峰值，最高可達(dá)3.29。再繼續(xù)充注制冷劑時(shí)，COP基本維持穩(wěn)定或略有下降。這是由于，隨著制冷劑充注量的不斷增加，壓縮機(jī)的吸排氣壓力均略有上升，壓比變化不大，因此壓縮機(jī)功率變化不大，所以COP的變化趨勢(shì)與制冷量變化趨勢(shì)基本一致[11]。

圖7 COP隨制冷劑充注量的變化

同理，在制熱模式下，隨著系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量的不斷增加，系統(tǒng)的制熱量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，逐步充至650 g時(shí)，制熱量近乎達(dá)到最大值，制熱量最高可達(dá)3.19 kW，可以滿(mǎn)足冬季車(chē)內(nèi)負(fù)荷需求。再繼續(xù)充注時(shí)，制熱量上升緩慢或略有下降，原因也是蒸發(fā)器內(nèi)傳熱溫差過(guò)小對(duì)制熱量的增加起到了抑制作用。

同時(shí)，能效比COP也與制熱量變化趨勢(shì)基本一致，隨制冷劑充注量的增加而增加，在充注量650 g時(shí)達(dá)到峰值，最高可達(dá)3.34。再繼續(xù)充注制冷劑時(shí)，COP基本維持穩(wěn)定或略有下降。

2.4 充注量對(duì)過(guò)冷度、過(guò)熱度的影響

冷凝器出口過(guò)冷度和蒸發(fā)器出口過(guò)熱度是判斷汽車(chē)空調(diào)熱泵系統(tǒng)內(nèi)制冷劑充注量是否合適的最重要指標(biāo)[12]，圖8示出過(guò)冷度和過(guò)熱度隨制冷劑充注量的變化趨勢(shì)。如圖所示，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑很少時(shí)，冷凝器出口過(guò)冷度很小，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度很大，這對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的性能不利。隨著制冷劑充注量的不斷增加，過(guò)冷度逐漸增加，過(guò)熱度逐漸降低。在制冷模式下，充注量在700～750 g范圍內(nèi)時(shí)，過(guò)冷度和過(guò)熱度曲線(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)并于充注量750 g時(shí)相交；而在制熱模式下，充注量在650～700 g范圍內(nèi)時(shí)，過(guò)冷度和過(guò)熱度曲線(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)并與充注量650 g時(shí)相交。這是由于，在此充注量范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量已經(jīng)趨于飽和，蒸發(fā)器的有效換熱面積已經(jīng)得到充分利用，系統(tǒng)內(nèi)制冷/制熱量及能耗比COP已經(jīng)趨于穩(wěn)定[13]。因此，我們選取過(guò)冷度和過(guò)熱度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的交點(diǎn)為系統(tǒng)的最佳充注量[14]，即該熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制冷和制熱模式下的最佳充注量分別為750，650 g。

圖8 過(guò)冷度、過(guò)熱度隨制冷劑充注量的變化

3 充注量計(jì)算驗(yàn)證

3.1 內(nèi)容積計(jì)算法

制冷劑的充注量通常采用內(nèi)容積計(jì)算法，即總的充注量可以通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)不同管路的充注量求和進(jìn)行計(jì)算[15]，可分為壓縮機(jī)、高壓管、低壓管、冷凝器和蒸發(fā)器，其計(jì)算公式詳見(jiàn)表3，內(nèi)容積計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。充注量的計(jì)算難點(diǎn)主要在于換熱器內(nèi)兩相區(qū)制冷劑量的確定，其關(guān)鍵是兩相區(qū)內(nèi)空泡系數(shù)的正確計(jì)算[16]。

表3 制冷劑充注量計(jì)算方法

表4 臺(tái)架管路內(nèi)容積計(jì)算結(jié)果

空泡系數(shù)是兩相混合物在任一流動(dòng)截面內(nèi)氣相所占的總面積份額，是氣液兩相流流動(dòng)特性中的基本參數(shù)之一。在對(duì)兩相流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行研究的過(guò)程中，一些學(xué)者提出了許多具有一定實(shí)用價(jià)值的空泡系數(shù)模型，本文選用Tandon和Hughmark 2種模型進(jìn)行計(jì)算[17-18]，其中，Hughmark模型需要經(jīng)過(guò)多次迭代。它假設(shè)了一個(gè)氣泡流態(tài)，該流態(tài)中氣泡沿通道呈徑向梯度分布，這更接近換熱器兩相區(qū)中制冷劑的變化過(guò)程[19]。

3.2 充注量計(jì)算結(jié)果

圖9示出充注量模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。如圖所示，兩種空泡系數(shù)模型的制冷劑充注量的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差在7%以?xún)?nèi)。在制冷和制熱兩種模式下，Hughmark模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)得到的最佳充注量更接近，誤差更小，因?yàn)镠ughmark模型的計(jì)算方法中使用了迭代法。對(duì)于充注量計(jì)算結(jié)果而言，制冷模式下與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，而在制熱模式下與試驗(yàn)結(jié)果誤差相對(duì)較大。

圖9 試驗(yàn)值與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

但是由于熱泵系統(tǒng)只能有一組最佳充注量，故選取2種模式下制冷劑充注量的交叉范圍，即該熱泵空調(diào)系統(tǒng)的最佳充注量為700 g[20-28]。在此最佳充注量下，空調(diào)箱出風(fēng)溫度在制冷和制熱模式下分別衰減6.1%和4.9%，制冷量、制熱量分別衰減6.7%和1.8%，COP分別衰減13.7%和3.3%。這表明，在此充注量下，系統(tǒng)在夏天工況和冬天工況下仍有良好的性能表現(xiàn)。綜上所述，該小型電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的最佳充注量為700 g。

4 結(jié)論

（1）隨著制冷劑充注量的增加，壓縮機(jī)的排氣溫度逐漸降低，排氣壓力逐漸升高；冷凝器出口過(guò)冷度逐漸增加，蒸發(fā)器出口過(guò)熱度逐漸降低；當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)制冷劑量在最佳充注量附近時(shí)，過(guò)冷、過(guò)熱度曲線(xiàn)會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷制熱能力達(dá)到最大值。

（2）隨著制冷劑充注量的增加，系統(tǒng)內(nèi)制冷量、制熱量及COP均逐漸增加后趨于平穩(wěn)。在制冷模式下，制冷量最高可達(dá)2.63 kW，COP可達(dá)3.1；在制熱模式下，制熱量最高可達(dá)3.22 kW，COP可達(dá)3.3。

（3）系統(tǒng)在制冷模式和制熱模式下的最佳充注量不同。其中，制冷模式的最佳充注量為750 g，制熱模式的最佳充注量為650 g，且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差在7%以?xún)?nèi)。但由于熱泵系統(tǒng)只能有一個(gè)充注量，即最佳充注量定為700 g。