杜曉錄 郭憲民 張丹丹

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300134)

在低碳環(huán)保、節(jié)能減排理念及國(guó)家政策的大力支持下，新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，已成為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicles，EVs)因使用電能提供動(dòng)力，相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)(internal combustion engine vehicles，ICEVs)，不需消耗化石燃料，故不存在環(huán)境污染，因而發(fā)展前景較好[1]。對(duì)于EVs而言，空調(diào)系統(tǒng)作為保證乘員舒宜性的主要子系統(tǒng)，消耗的電能約占整車(chē)能耗的33%[2]，極大的減少了里程數(shù)，所以降低空調(diào)系統(tǒng)能耗成為提升EVs里程數(shù)的關(guān)鍵方法[3]。因此，提出一種既能保證車(chē)內(nèi)人員安全舒適，又能降低能耗的高效電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)是極為必要的[4-5]。

軒小波等[6]在電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中使用兩個(gè)內(nèi)部換熱器串聯(lián)形成三換熱器的空調(diào)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，三換熱器系統(tǒng)比傳統(tǒng)兩換熱器系統(tǒng)的COP可提高18.2%。Zhang Dong等[7]分析了使用經(jīng)濟(jì)器的蒸氣噴射(economized vapor injection，EVI)制冷系統(tǒng)性能，表明經(jīng)濟(jì)器可有效提高低溫下空調(diào)系統(tǒng)的性能。Wang Jijin等[8]通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比分析了閃蒸罐蒸氣噴射(flash tank vapor injection，F(xiàn)TVI)制冷系統(tǒng)以及經(jīng)濟(jì)器蒸氣噴射制冷系統(tǒng)的性能，得出FTVI系統(tǒng)性能更優(yōu)的結(jié)論。為了進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能，任學(xué)銘等[9]提出電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的單蒸發(fā)器和雙蒸發(fā)器兩種除濕方案，實(shí)驗(yàn)表明雙蒸發(fā)器除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能和出風(fēng)溫度均高于單蒸發(fā)器除濕空調(diào)系統(tǒng)。Zhang Yun等[10]提出一種二次回路空調(diào)系統(tǒng)，可避免制冷劑與車(chē)內(nèi)人員的直接接觸，同時(shí)加入熱回收設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)COP比無(wú)熱回收設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可提高9.29%。提高空調(diào)系統(tǒng)性能的另一種方法是使用制冷劑引射技術(shù)[11-12]，將引射器應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)，可有效提高蒸發(fā)器比焓差，減少壓縮機(jī)功耗，Wang Xiao等[13]在FTVI系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入引射器，提出一種新型噴射器補(bǔ)氣循環(huán)(ejector vapor injection cycle，EVIC)，仿真結(jié)果表明，與FTVI系統(tǒng)相比，采用R22、R290和R32三種制冷劑的EVIC系統(tǒng)COP分別提高了8.4%、10.2%、8.2%。李浩等[14]通過(guò)引入引射器可使電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)COP提高1.65%～12.60%，能夠有效減少系統(tǒng)能耗從而增加汽車(chē)的行駛里程。豐田普銳斯車(chē)型設(shè)計(jì)將蒸發(fā)器和引射器作為一體換熱器來(lái)提高系統(tǒng)制冷性能[15-16]。總體而言，目前引射器增效空調(diào)系統(tǒng)多用于住宅和商用，在電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用引射器的研究較少。

為了進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能，本文將引射器引入傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，在蒸發(fā)溫度相同的情況下，使用引射器提高系統(tǒng)吸氣壓力，減少壓縮機(jī)功耗，與此同時(shí)，換熱器形成梯級(jí)蒸發(fā)，增大傳熱溫差，提高傳熱效率。張丹丹[17]通過(guò)模擬研究表明，無(wú)論是制冷性能還是熱泵性能，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的性能始終優(yōu)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能。本文實(shí)驗(yàn)研究在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的性能，并與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷性能對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境室系統(tǒng)及測(cè)控系統(tǒng)。電動(dòng)汽車(chē)引射制冷系統(tǒng)如圖1所示，將室內(nèi)、外側(cè)換熱器設(shè)計(jì)為前后排分離形式，形成梯級(jí)蒸發(fā)，增大了傳熱溫差，在室內(nèi)側(cè)前后排換熱器之間加入引射器，提高吸氣壓力，提升系統(tǒng)性能。制冷工況下截止閥1開(kāi)啟，截止閥2關(guān)閉，從壓縮機(jī)出來(lái)的制冷劑流向室外側(cè)并聯(lián)的前、后排換熱器進(jìn)行冷凝換熱，再通過(guò)電子膨脹閥節(jié)流降壓后的制冷劑被分為兩路，一路進(jìn)入引射器引射口作為主引射流，另一路進(jìn)入室內(nèi)后排換熱器，吸熱蒸發(fā)后的氣態(tài)制冷劑被主引射流卷吸，混合擴(kuò)壓后在室內(nèi)前排換熱器吸熱蒸發(fā)，最后流回壓縮機(jī)吸氣口。將截止閥1關(guān)閉，截止閥2開(kāi)啟，可切換為傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)電子膨脹閥節(jié)流降壓后的制冷劑直接進(jìn)入室內(nèi)后排、前排換熱器吸熱蒸發(fā)，最后流回壓縮機(jī)吸氣口。系統(tǒng)的車(chē)內(nèi)、外側(cè)部分分別置于焓差法空調(diào)性能實(shí)驗(yàn)室的室內(nèi)、外側(cè)環(huán)境室內(nèi)，兩個(gè)環(huán)境室內(nèi)分別有一套壓縮冷凝機(jī)組及空氣處理機(jī)組。通過(guò)水冷式制冷系統(tǒng)、電加熱管以及電加濕器等實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境室溫、濕度的調(diào)節(jié)，以提供實(shí)驗(yàn)所需的工況條件。

壓縮機(jī)選用27 cm3排量的某型號(hào)渦旋電動(dòng)壓縮機(jī)，制冷劑為R134a；換熱器均采用百葉窗翅片微通道換熱器，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 百葉窗翅片微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

環(huán)境室系統(tǒng)空氣側(cè)干/濕球溫度采用Pt100Ω鉑電阻測(cè)量，精度為±0.1 ℃；相對(duì)濕度采用HMP230測(cè)量，精度為2%。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度、壓力及質(zhì)量流量測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。采用T型熱電偶測(cè)量制冷劑溫度，精度為±0.1 ℃；空氣采用EE230型溫濕度傳感器測(cè)量溫濕度，精度為±0.1 ℃；壓力傳感器精度為±0.1%FS(即在量程范圍內(nèi)，所有測(cè)點(diǎn)的誤差不超過(guò)±0.1%)，同時(shí)換熱器兩側(cè)制冷劑壓降采用差壓變送器測(cè)量，精度為0.1%FS；采用質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量制冷劑質(zhì)量流量，精度為0.1%FS；采用數(shù)字功率計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的功耗，精度為0.1% FS。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用GP10數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下，對(duì)帶引射器的電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比分析。圖中橫坐標(biāo)的蒸發(fā)溫度均指后排蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度。

2.1 蒸發(fā)溫度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

為了研究蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，冷凝溫度為50 ℃，過(guò)冷度為5 ℃，過(guò)熱度為5 ℃，后排蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度變化范圍為-5～5 ℃，對(duì)比不同蒸發(fā)溫度下的引射空調(diào)系統(tǒng)性能。

圖2所示分別為蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由圖2(a)和圖2(b)可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，系統(tǒng)的制冷量和COP均逐漸增加，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能是一致的。同時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，后排蒸發(fā)器換熱量逐漸減小，前排蒸發(fā)器換熱量逐漸增大，這是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，通過(guò)后排蒸發(fā)器的質(zhì)量流量減小(如圖2(c)所示)，即引射器的引射比逐漸減小，導(dǎo)致后排蒸發(fā)器制冷量逐漸減小。由圖2(a)還可知，后排換熱器的換熱量?jī)H占系統(tǒng)制冷量的10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可以通過(guò)調(diào)整毛細(xì)管長(zhǎng)度及改善引射器的引射比來(lái)增大流過(guò)后排蒸發(fā)器的工質(zhì)流量，從而提高換熱量，進(jìn)一步改善系統(tǒng)COP。

圖2 蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.2 冷凝溫度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)性能的影響

為了研究冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響，控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，蒸發(fā)溫度為-1 ℃，過(guò)冷度為5 ℃，過(guò)熱度為5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，對(duì)比不同冷凝溫度下的引射空調(diào)系統(tǒng)性能。

圖3所示為冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響。由圖3可知，隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)的制冷量和COP均減小，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)性能是一致的。由圖3(a)可知，隨著冷凝溫度的逐漸升高，后排蒸發(fā)器換熱量逐漸增大，而前排蒸發(fā)器換熱量逐漸減小，這是因?yàn)楫?dāng)冷凝溫度升高時(shí)，通過(guò)后排蒸發(fā)器的質(zhì)量流量增大，如圖3(c)所示，即引射器的引射比逐漸增大，導(dǎo)致后排蒸發(fā)器制冷量逐漸增大，而通過(guò)系統(tǒng)的總質(zhì)量流量隨著冷凝溫度的升高逐漸減小，所以前排蒸發(fā)器制冷量隨之減小。

圖3 冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

2.3 引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)性能對(duì)比

為了對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的性能，控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，過(guò)冷度為5 ℃，過(guò)熱度為5 ℃，蒸發(fā)溫度變化范圍為-5～5 ℃，冷凝溫度變化范圍為45～55 ℃，分別對(duì)比不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下兩個(gè)系統(tǒng)的性能。

圖4所示為不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)性能的對(duì)比。由圖4可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP均增大。在研究工況范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP始終高于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，隨著蒸發(fā)溫度的升高，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量及COP提高的幅度略有增大。在蒸發(fā)溫度為-5～5 ℃范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)制冷量相比于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)提高約12.98%～14.57%，而COP提高約14.9%～15.31%。

圖4 不同蒸發(fā)溫度下系統(tǒng)性能對(duì)比

圖5所示為不同冷凝溫度下系統(tǒng)性能的對(duì)比。由圖5可知，隨著冷凝溫度的升高，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP均減小，且在研究工況范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量和COP始終高于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)。隨著冷凝溫度的升高，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的改善幅度減小。在冷凝溫度為45～55 ℃范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)制冷量比傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)高約11.10%～14.08%，而COP比傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)高約13.09%～16.61%。

圖5 不同冷凝溫度下系統(tǒng)性能對(duì)比

3 結(jié)論

本文將傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)車(chē)內(nèi)換熱器采用前、后排分離形式，在前、后排換熱器之間加入引射器以提高前排換熱器內(nèi)蒸發(fā)壓力，形成梯級(jí)蒸發(fā)，提高壓縮機(jī)的吸氣壓力，以提高系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)研究了在不同蒸發(fā)溫度、冷凝溫度工況下電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能，并與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能進(jìn)行了對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)隨著蒸發(fā)溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)總質(zhì)量流量、總制冷量及COP均隨之增大，這與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)的性能變化一致。當(dāng)蒸發(fā)溫度從-5 ℃升至5 ℃時(shí)，系統(tǒng)引射比減小約38.11%，制冷量增大約28.86%，COP增大約18.21%；當(dāng)冷凝溫度從45 ℃升至55 ℃時(shí)，系統(tǒng)引射比增大約59.65%、制冷量減小約41.47%、COP減小約40.28%。且由實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)制冷量中后排換熱量?jī)H占10.93%～13.51%，其換熱潛力尚未充分釋放，可通過(guò)調(diào)節(jié)毛細(xì)管長(zhǎng)度及改善引射器引射比來(lái)增大后排蒸發(fā)器的工質(zhì)流量，以進(jìn)一步改善系統(tǒng)COP。

2)對(duì)比電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)性能，在不同蒸發(fā)溫度及冷凝溫度工況下，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，且隨著蒸發(fā)溫度的升高或冷凝溫度的降低，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)性能改善幅度逐漸增大。在實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)引射空調(diào)系統(tǒng)的制冷量提高約11.10%～14.57%，COP提高約13.09%～16.61%。