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热泵型汽车空调结霜及除霜特性研究

发表日期:2018/11/6 10:50:05 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

近年来纯电动汽车成为行业研究的热点,对汽车空调行业提出了更高的要求。相比于传统单冷型汽车空调,纯电动汽车空调需要增加制热功能,制热功能的增加会使原来简单、成熟的汽车空调系统、部件以及管路发生重大的变化。热泵型汽车空调的难点在于制热功能,系统在低温制热工况下运行时,换热器的结霜不可避免,传统微通道换热器由于制热状态下除霜时排水性能较差,换热器积水严重,会导致换热器结霜周期变短,频繁进入除霜状态,直接影响热泵型汽车空调的制热性能以及车内舒适性,因此除霜问题成为热泵型汽车空调的重要研究课题。笔者采用试验方法对其所在公司开发的一种新型微通道换热器的除霜排水状况进行研究,以期解决制热工况下传统微通道换热器除霜水排出不完全的难题。

1  试验样机及试验方案的确定

热泵型汽车空调的试验样机基于压缩机补气增焓技术制造,试验样机主要部件包括压缩机、蒸发器、冷凝器、闪发器、节流阀、气液分离器、阀件等主要部件,各部件通过管路焊接或者压板连接形成完整试验样机,系统各部件以及管路之间安装配合良好且无泄漏。冷凝器(为了便于对热泵型汽车空调样机的分析,笔者将其称为“新型外侧微通道换热器”)采用笔者所在公司研发的新型微通道换热器,其翅片与传统微通道换热器在结构上具有很大的差异。外侧微通道换热器及其翅片结构如图1所示。


新型外侧微通道换热器的单个翅片从换热器顶部贯穿所有扁管至底部,翅片与扁管之间采用钎焊连接。热泵型汽车空调样机采用R410A制冷剂,制冷剂的最佳充注量通过试验获得。在标准5 hp焓差试验室对试验样机进行测试,标准焓差试验室可对室内侧和室外侧的干球/湿球温度进行控制,误差为±0.3 ℃。

试验主要内容包括:1)不同室外侧工况下,热泵型汽车空调在制热状态下正常运行时,新型外侧微通道换热器的结霜状况以及结满霜时间,对比各个工况下的结霜状况;2)在室外侧干/湿球温度0 ℃/0 ℃,室内侧干/湿球温度20 ℃/15 ℃的工况下,在无风除霜状态下,对换热器的除霜情况进行分析;3)在相同的结霜状态下,分析新型外侧微通道换热器的除霜效果和除霜时间,对比有风除霜和无风除霜的效果。


2  试验结果分析

2.1  不同室外侧工况下新型外侧微通道换热器结霜情况

在室外侧工况可以调节的情况下,室内进风干/湿球温度(20 ℃/15 ℃)恒定,对配置新型外侧微通道换热器的热泵型汽车空调进行制热性能试验。在试验中根据不同工况下的热负荷需求,调节压缩机的运行频率,从而满足制热负荷需求。按照一个完整结霜周期内的平均制热能力对热泵型汽车空调的制热能力进行标定,热泵型汽车空调样机测试条件如表1所示,结霜时间以及制热能力如图2所示。



新型外侧微通道换热器的结霜时间长短与试验工况、翅片的亲水性、空气流通的主流速度、接触角等因素有关。本试验在空气流动速度一定、翅片亲水性能一定、接触角一定的情况下,研究室外工况对新型外侧微通道换热器结霜时间的影响。由图2可知:1)新型外侧微通道换热器结霜温度区间主要集中在-15~7 ℃(其中7 ℃时结霜时间较长,不便在图中表示),结霜速度最快在0 ℃左右,在满足制热能力的需求下,30 min左右新型外侧微通道换热器就会结满霜;2)在室外侧干/湿球温度-15 ℃/-20 ℃工况下,换热器表面长达5 h未发生结霜现象。主要原因是随着温度降低,空气含湿量降低,结霜量极少,难以观察到结霜。在0 ℃左右的工况下,笔者在试验中发现,随着压缩机的运行频率提高,结霜加快,主要原因是同等条件下新型外侧微通道换热器中制冷剂的吸气量提高,同时蒸发温度略微降低。因此,对于新型外侧微通道换热器除霜的排水能力在0 ℃左右的测试尤为重要,从热泵型空调舒适性考虑,家用空调产品要求除霜时间一般控制在3 min内。换热器的排水不够顺畅,会导致下一个结霜周期变短,频繁的除霜会造成车内供热量不足、乘客体感差等不良影响。

2.2  新型外侧微通道换热器与传统微通道换热器的除霜排水能力试验

传统微通道换热器与新型外侧微通道换热器迎面尺寸均为670 mm×433 mm,当室外侧干/湿球温度0 ℃/0 ℃,压缩机运行频率为70 Hz时,在这2种微通道换热器结霜面积相同时开始除霜,除霜结束后,除霜水残留在换热器的状态如图3所示。


由图3可以看出,1)传统微通道换热器由于其翅片结构的原因,残留水不仅大量堆积在翅片的根部,翅片开窗的位置也会有大量的除霜水残留,大幅缩短了下一个结霜周期;2)由于第一个周期的除霜水不能完全排出,残留的除霜水在第二个结霜周期结成了冰状物质,增加了第二个周期除霜的难度,如此反复累积,严重影响热泵型汽车空调系统的制热正常运行。除霜结束后,新型外侧微通道换热器表面无除霜水存留。新型外侧微通道换热器克服了传统微通道换热器除霜水难以排出换热器表面的难题,避免造成下个结霜周期大幅缩短导致频繁除霜。但是由于目前换热器制作工艺以及翅片形式等因素,新型外侧微通道换热器面临传热效率没有传统微通道换热器高的难题,通过同体积条件下微通道换热器的单体性能试验发现:新型外侧微通道换热器的单体能力比传统微通道换热器稍差,翅片结构的优化和翅片的焊接工艺改进是新型外侧微通道换热器面临的主要任务。

2.3  在结霜状态下新型外侧微通道换热器有风和无风的除霜试验

热泵型汽车空调和家用空调器的除霜运行环境有所不同,家用空调器室外机基本处于无风或者弱风的状态,而热泵型汽车空调新型外侧微通道换热器大部分时间处于迎风状态,造成除霜困难。试验中增加风机模拟汽车行驶过程中新型外侧微通道换热器时除霜状态,迎面风速约合30 km/h左右的车速,试验结果如表2所示。


从表2可以看出:完全遮挡环境进风时,新型外侧微通道换热器在全部试验工况下都可以实现完全除霜;对于有风除霜试验(基于30 km/h的车速),在-3 ℃左右的工况下就会出现新型外侧微通道换热器除霜不完全,有部分霜残留在换热器表面。

忽略霜层的内部热阻,对某一区域的除霜过程的热平衡关系建立数学模型:

式中:Φ 为除霜时热泵空调系统产生的热量(kJ);t∞ 为环境温度(℃);t0为初始温度(℃);h 为环境进风与霜层表面的对流换热系数(W/(m2•K));h液和h固分别为霜的液态、固态的焓值(kJ/kg).Q 用于表征热泵系统内部除霜热量和外部环境带走的热量之间的相对关系:

1)当Q>0 时,即热泵系统产生的热量大于环境进风散失的热量,随着除霜时间的推移,当微通道换热器某一位置处Q>γ,该位置霜层开始融化。

2)当Q=0 时,即热泵系统产生的热量全部被环境进风带走,导致微通道换热器表面除霜失败,试验验证了车速30km/h,环境温度低于干/湿球温度-3 ℃/-4 ℃时,新型外侧微通道换热器无法除霜。

对于家用空调器除霜而言,室外机基本处于无风或者弱风状态,即环境进风没有带走大部分除霜时系统内部提供的热量,而对于有环境进风影响的热泵型汽车空调,随着行车速度的提高和环境温度的降低,除霜期间新型外侧微通道换热器某些位置处可能出现Q=0的情况,就会造成新型外侧微通道换热器某一区域无法除霜。一般市区行车车速在40 km/h左右,在冬季,如果不遮挡环境进风,热泵型汽车空调制热时,可能会面临新型外侧换热器无法完全除霜的问题。因此热泵型汽车空调在除霜期间宜增加阻挡进风装置,目前市场上配置主动进气格栅的车型日益增多,例如:福特新蒙迪欧、本田新CR-V 等,可以通过控制逻辑使主动进气格栅在除霜期间阻止换热器的环境进风,以保证完全除霜。

3  结论与展望

笔者通过试验研究了热泵型汽车空调制热模式下结霜以及除霜的特性,得出以下结论:

1)制热状态下最易结霜的工况为室外干/湿球温度为0 ℃/0 ℃附近,此工况下结霜周期在30min左右;

2)热泵型汽车空调除霜需要增加遮挡外侧换热器进风装置,例如进气格栅;

3)新型外侧微通道换热器可有效促进除霜水的排除,虽然在制热状态下具有一定的优势,但是制冷具有一定的劣势,需要努力研究提高其换热效率的方法。


本文选自《制冷与空调》2018年9月刊,作者:王伟  李潇  韩雷  吴迎文;未经许可,不得转载




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