楊忠誠， 蘇 林， 方奕棟， 李 康， 穆文杰， 劉旭陽

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

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的不斷加劇，汽車行業(yè)采取節(jié)能環(huán)保措施勢在必行，其中純電動汽車作為汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新途徑而備受關(guān)注。汽車空調(diào)作為其不可缺少的子系統(tǒng)不僅保障了乘員艙的熱舒適性，而且未來有可能整合電池與電子器件的熱管理功能[1-2]。目前，針對冬季低溫采暖，電動汽車更傾向于采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)。相比于電動汽車之前采用的PTC冬季采暖，熱泵空調(diào)系統(tǒng)可以降低能耗，顯著降低空調(diào)系統(tǒng)對電動汽車?yán)m(xù)航里程的消極影響[4-5]。熱泵空調(diào)系統(tǒng)也存在一些問題，特別是在低溫、高濕的環(huán)境下，當(dāng)系統(tǒng)處于制熱模式時，熱泵空調(diào)系統(tǒng)的室外換熱器容易結(jié)霜。室外換熱器結(jié)霜造成風(fēng)道堵塞，以致于通風(fēng)阻力增大，使得外部換熱器的整體熱阻增大，從而導(dǎo)致霜的累積和增厚，嚴(yán)重影響汽車空調(diào)系統(tǒng)的工作性能和可靠性[6-7]。

針對熱泵空調(diào)系統(tǒng)冬季運(yùn)行時的室外換熱器的結(jié)霜和除霜問題，國內(nèi)外很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。劉斌等[8]發(fā)現(xiàn)換熱器表面溫度對霜層厚度有一定影響，結(jié)霜速率則與空氣相對濕度有關(guān)。Xu Bo等[9]對比了水平和豎直扁管型兩種微通道換熱器的循環(huán)結(jié)霜性能，發(fā)現(xiàn)豎直扁管型微通道換熱器具有更好的排水能力，參數(shù)穩(wěn)定性較好。Wang Feng等[10]研究了表面濕潤性對翅片管換熱器除霜性能的影響，結(jié)果表明超疏水換熱器除霜性能最好，親水換熱器次之。Padhmanabhan等[11]比較了翅片式換熱器與微通道換熱器在除霜過程中的性能差異，發(fā)現(xiàn)翅片換熱器的除霜時間約為微通道換熱器的2倍，但微通道的結(jié)霜率明顯高于翅片換熱器。董軍啟等[12]研究了橫排和豎排兩種布置結(jié)構(gòu)形式的微通道換熱器分別在2和1 ℃的寒濕工況下的循環(huán)結(jié)霜和除霜的性能和機(jī)理，發(fā)現(xiàn)橫排布置結(jié)構(gòu)形式在結(jié)霜和除霜特性上均顯著優(yōu)于豎排布置結(jié)構(gòu)形式。Qu等[13-14]研究了多管換熱器的除霜性能，結(jié)果表明上層管的除霜時間快于下層管，其除霜效率可達(dá)34.5%。

以上研究主要集中在換熱器的類型和結(jié)構(gòu)以及環(huán)境溫濕度對換熱器的結(jié)霜和除霜特性的影響。因蒸發(fā)器迎面風(fēng)速會影響蒸發(fā)器表面的對流換熱，從而影響室外換熱器的結(jié)霜和除霜。陳軼光[15]通過數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)霜量與蒸發(fā)器迎面風(fēng)速不呈正相關(guān)的線性增長,而是呈現(xiàn)開口向上的凹形。現(xiàn)階段蒸發(fā)器迎面風(fēng)速對室外換熱器除霜特性的影響尚不明確，因此課題組設(shè)計(jì)并搭建了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺架，研究了在同等結(jié)霜工況下，蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)機(jī)送風(fēng)風(fēng)速對系統(tǒng)除霜特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為模擬汽車行駛環(huán)境，整個系統(tǒng)搭建在焓差室中。焓差室由室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)2部分構(gòu)成，通過獨(dú)立的環(huán)境控制系統(tǒng)來控制2側(cè)房間的溫濕度，達(dá)到模擬車內(nèi)和車外環(huán)境的效果。整個實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)測試示意圖如圖1所示，通過室內(nèi)外環(huán)境控制系統(tǒng)中的冷凍機(jī)組、電加熱器和電加濕器控制室內(nèi)側(cè)/室外側(cè)的溫度和濕度，同時由兩側(cè)風(fēng)洞裝置控制風(fēng)量大小。

圖1 空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Experimental diagram of air source heat pump system

實(shí)驗(yàn)采用的電動汽車熱泵系統(tǒng)為3換熱器系統(tǒng)，制冷劑為R134a。系統(tǒng)包括電動渦旋壓縮機(jī)(容量為34 ml,電壓320 V)、室外換熱器(630 mm×360 mm×20 mm，豎排3流程)、室內(nèi)蒸發(fā)器(250 mm×247 mm×48 mm，豎排4流程)，室內(nèi)冷凝器(200 mm×180 mm×30 mm，豎排4流程)、電子膨脹閥(功率50 W，直流電壓24 V)、氣液分離器、質(zhì)量流量計(jì)和閥等部件。系統(tǒng)通過閥的通斷來實(shí)現(xiàn)制冷和制熱模式的切換。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行制熱模式時，閥2和4開啟，閥1和3關(guān)閉，此時從壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑通過室內(nèi)冷凝器向HVAC總成內(nèi)的空氣散熱，制冷劑之后依次通過電子膨脹閥、蒸發(fā)器和氣液分離器回到壓縮機(jī)。系統(tǒng)室外換熱器除霜則通過逆循環(huán)實(shí)現(xiàn)，即關(guān)閉閥2和4，開啟閥1和3，高溫高壓的制冷劑從壓縮機(jī)排出后經(jīng)過室外換熱器，釋放熱量實(shí)現(xiàn)霜層融化,制冷劑再依次經(jīng)過熱力膨脹閥、室內(nèi)蒸發(fā)器和氣液分離器回到壓縮機(jī)。

為測量制冷劑的溫度和壓力，在壓縮機(jī)、室外蒸發(fā)器、室內(nèi)冷凝器、室內(nèi)蒸發(fā)器的進(jìn)出口分別布置溫度和壓力傳感器，均通過安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集數(shù)據(jù)。溫度傳感器為四線制PT100鉑電阻；壓力傳感器為NS-P系列顯型壓力傳感器測量，量程為0～4 MPa；空調(diào)箱出風(fēng)溫度可通過出風(fēng)混合箱測得。實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量精度如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺測量裝置精度

1.2 實(shí)驗(yàn)工況和方法

蒸發(fā)器容易在高濕度、非極低環(huán)境溫度、低風(fēng)速和高換熱量工況下結(jié)霜[16]，系統(tǒng)采用全新風(fēng)模式，室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)溫濕度均保持一致，空氣干球溫度取2 ℃，空氣相對濕度取85%。蒸發(fā)器迎面風(fēng)速由通過風(fēng)速標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的室外風(fēng)機(jī)的風(fēng)量來控制。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過定時拍照的方式記錄室外換熱器的結(jié)霜和除霜情況。在結(jié)霜過程中，每隔1 min拍照一次，在除霜過程中，每隔2 s拍照一次。為研究蒸發(fā)器迎面風(fēng)速對除霜過程的影響，需要確保結(jié)霜量相同，故蒸發(fā)器迎面風(fēng)速1.5 m/s作為統(tǒng)一結(jié)霜風(fēng)速。當(dāng)換熱器表面完全結(jié)霜后，系統(tǒng)切換成逆循環(huán)制冷模式來實(shí)現(xiàn)除霜，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為4 000 r/min，同時調(diào)節(jié)蒸發(fā)器迎面風(fēng)速的大小，依次分析迎面風(fēng)速為0.8，1.3，1.5，1.8和2.3 m/s時對除霜的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 結(jié)霜

實(shí)驗(yàn)開始前將室外側(cè)空氣的相對濕度設(shè)定為50%，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，通過室外側(cè)的環(huán)境控制系統(tǒng)，將室外側(cè)空氣的相對濕度增加至85%，熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器開始結(jié)霜，觀察結(jié)霜情況。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后開啟電加濕器，8 min后，蒸發(fā)器表面開始出現(xiàn)結(jié)霜跡象，29 min后結(jié)霜完畢。結(jié)霜過程中蒸發(fā)器表面變化如圖2所示。霜層分布呈現(xiàn)間隔式，第Ⅱ流程出現(xiàn)左半流道未結(jié)霜的現(xiàn)象。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)霜變化圖Figure 2 Frost formation diagram of evaporator

蒸發(fā)器的流程分布和制冷劑流向如圖3所示。制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流之后，進(jìn)入蒸發(fā)器，當(dāng)蒸發(fā)器表面溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度與水的冰點(diǎn)溫度時，空氣中的飽和或過飽和水蒸氣就會在蒸發(fā)器表面凝結(jié)成核，凝結(jié)液滴會進(jìn)一步凍結(jié)。隨后周圍空氣中的水蒸氣不斷在凍結(jié)的液滴上凝華結(jié)霜，霜將整個表面覆蓋。第Ⅰ流程的換熱器扁管中，制冷劑因重力作用從上往下流入底部集液管，此流程的扁管中液態(tài)和氣態(tài)制冷劑均勻分布，因此霜層分布較為均勻；制冷劑進(jìn)入第Ⅱ流程時，氣態(tài)制冷劑密度較小，易從集液管進(jìn)入扁管，并集中在第Ⅱ流程左半部分扁管，導(dǎo)致這部分制冷劑未發(fā)生蒸發(fā)吸熱[17]，所以出現(xiàn)右半部分扁管結(jié)霜，左半部分扁管未結(jié)霜的現(xiàn)象；制冷劑進(jìn)入第Ⅲ流程后，同樣因重力作用自上而下流動，因氣態(tài)制冷劑流速較快，聚集在換熱器第Ⅲ流程右部，液態(tài)制冷劑很難到達(dá)該位置進(jìn)行換熱，導(dǎo)致?lián)Q熱器第Ⅲ流程的右下角部分扁管未結(jié)霜[18]。

圖3 蒸發(fā)器模型Figure 3 Model of evaporator

2.2 除霜

結(jié)霜完成后，關(guān)閉壓縮機(jī)，關(guān)閉閥2和閥4，打開閥1和閥3，將系統(tǒng)切換到制冷模式，通過逆循環(huán)達(dá)到除霜的目的。在除霜過程中2 s拍照一次記錄蒸發(fā)器表面霜層變化過程。設(shè)定蒸發(fā)器迎面風(fēng)速為1.5 m/s，除霜過程中的蒸發(fā)器表面變化如圖4所示。隨著時間的推移，蒸發(fā)器的第Ⅲ流程表面的霜層首先融化，60 s后第Ⅲ流程的霜全部融化，直到380 s，第Ⅰ流程的霜層才全部融化。

圖4 室外換熱器除霜變化Figure 4 Defrosting change of outdoor heat exchanger

由圖5得知，在制冷模式下，壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑從換熱器的第Ⅲ流程下方的集液管進(jìn)入換熱器的扁管，第Ⅲ流程的扁管因最先與制冷劑發(fā)生換熱，所以第Ⅲ流程的扁管除霜最快。制冷劑依次經(jīng)過3個流程的換熱器扁管換熱后，制冷劑溫度逐漸降低，第Ⅰ流程的扁管除霜時間較長。

圖5 除霜時蒸發(fā)器里制冷劑流向Figure 5 Refrigerant flow in evaporator during defrosting

2.3 迎面風(fēng)速對除霜特性的影響

2.3.1 迎面風(fēng)速對除霜時間的影響

在相同的結(jié)霜工況下，改變蒸發(fā)器迎面風(fēng)速，比較所需除霜時間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)得出除霜時間與蒸發(fā)器迎面風(fēng)速關(guān)系如圖6所示。由圖可知，增大蒸發(fā)器迎面風(fēng)速，除霜時間縮短。說明高風(fēng)速增大了空氣與室外換熱器表面的對流換熱量，除霜效率提高。

圖6 除霜時間和蒸發(fā)器迎面風(fēng)速關(guān)系Figure 6 Relationship between defrosting time and evaporator head wind speed

2.3.2 迎面風(fēng)速對壓縮機(jī)特性的影響

除霜過程中壓縮機(jī)吸排氣壓力隨風(fēng)速變化情況如圖7所示。系統(tǒng)處于制冷模式，隨著除霜時間的增加，壓縮機(jī)吸排氣壓力均迅速升高[19]，除霜200 s后壓縮機(jī)吸排氣壓力增大幅度放緩。從圖7中還可以看出，加大蒸發(fā)器迎面風(fēng)速(室外風(fēng)速)，壓縮機(jī)吸排氣壓力逐漸降低，蒸發(fā)器迎面風(fēng)速從0.8 m/s提高到2.3 m/s，除霜完成時壓縮機(jī)吸排氣壓力分別降低至15.6%和15.3%。

圖7 壓縮機(jī)吸排氣壓力和除霜時間關(guān)系Figure 7 Relationship between intake and exhaust pressure of compressor with defrosting time

壓縮機(jī)在除霜過程中的功耗變化如圖8所示，隨著除霜時間的增加，壓縮機(jī)功率瞬間上升再以較小的幅度緩慢增大。同時可以從圖中看出，蒸發(fā)器迎面風(fēng)速對壓縮機(jī)功耗影響不大。

圖8 壓縮機(jī)功耗隨除霜時間的變化Figure 8 Variation of compressor power consumption with defrosting time

2.3.3 迎面風(fēng)速對蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的影響

圖9所示為在不同蒸發(fā)器迎面風(fēng)速下，室外換熱器進(jìn)出口溫度隨除霜時間變化曲線。隨著霜層的融化，不同風(fēng)速下的室外換熱器進(jìn)出口溫度均隨著除霜時間的增加而增加。在迎面風(fēng)速0.8 m/s的蒸發(fā)器迎面風(fēng)速下，室外換熱器的出口溫度最高，在迎面風(fēng)速2.3 m/s的蒸發(fā)器迎面風(fēng)速下，室外換熱器的出口溫度最低。這是因?yàn)楦唢L(fēng)速會增加室外換熱器與空氣的對流換熱，加強(qiáng)了室外換熱器內(nèi)的制冷劑與空氣側(cè)的傳熱；在低風(fēng)速下的壓縮機(jī)排氣壓力較高，排氣溫度較高，換熱器進(jìn)口溫度高于高風(fēng)速工況，所以在除霜結(jié)束后，迎面風(fēng)速0.8 m/s工況下的進(jìn)出口溫差比迎面風(fēng)速2.3 m/s工況下的進(jìn)出口溫差高7.8 ℃。

圖9 室外換熱器進(jìn)出口溫度隨除霜時間的變化Figure 9 Variation of inlet and outlet temperature of outdoor heat exchanger with defrosting time

2.3.4 迎面風(fēng)速對HVAC出風(fēng)溫度的影響

圖10所示為在不同室外風(fēng)量下，隨著除霜時間的增長，供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)(heating, ventilation and air condition, HVAC)出風(fēng)溫度的變化情況。當(dāng)逆循環(huán)開啟后，系統(tǒng)開啟制冷模式，故HVAC出風(fēng)溫度迅速降低。在除霜過程中，室外換熱器左邊第Ⅰ流程的霜層融化變慢，因此在HAVC出風(fēng)溫度降低到最小值后會出現(xiàn)變化幅度不大的現(xiàn)象；當(dāng)除霜過程接近結(jié)束時，流出室外換熱器的制冷劑溫度逐漸升高，導(dǎo)致制冷量減少，HVAC出風(fēng)溫度出現(xiàn)提高的現(xiàn)象；室外風(fēng)量的變化也會導(dǎo)致HVAC出風(fēng)溫度的變化，對比迎面風(fēng)速0.8和2.3 m/s的HVAC出風(fēng)最低溫度，前者比后者高3.8 ℃，并且在除霜的最后時間，前者的HVAC出風(fēng)溫度高了4.9 ℃，所以較小的室外風(fēng)量能得到更高的HVAC出風(fēng)溫度。

圖10 HVAC出風(fēng)溫度隨除霜時間的變化Figure 10 Variation of HVAC outlet air temperature with defrosting time

3 結(jié)論

課題組搭建電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)試驗(yàn)臺，研究了室外換熱器在冬季運(yùn)行時結(jié)霜特性，并比較分析了蒸發(fā)器迎面風(fēng)速對室外換熱器除霜特性的影響，得出如下結(jié)論：

1) 在實(shí)驗(yàn)測試工況下，受重力和兩相流制冷劑密度不均導(dǎo)致的氣液分離2個因素的影響，室外蒸發(fā)器所結(jié)霜層分布呈現(xiàn)間隔式分布。

2) 壓縮機(jī)的吸排氣壓力和室外換熱器進(jìn)出口溫度在逆循環(huán)除霜過程中，均會逐漸升高，都隨著蒸發(fā)器迎面風(fēng)速的增加而降低。但是系統(tǒng)的制冷量和HVAC出風(fēng)溫度在除霜過程中不穩(wěn)定，會出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

3) 在逆循環(huán)除霜過程中，較高的蒸發(fā)器迎面風(fēng)速可以提高除霜效率。除霜過程中，蒸發(fā)器迎面風(fēng)速為0.8 m/s工況下除霜時間比迎面風(fēng)速為2.3 m/s時縮短37.4%，但此時系統(tǒng)的制冷量增加，HVAC出風(fēng)最低溫度降低3.8 ℃。綜合考慮除霜時間與HVAC出風(fēng)溫度，在除霜過程中，文中實(shí)驗(yàn)工況下的最佳蒸發(fā)器迎面風(fēng)速為1.8 m/s。