电动汽车热泵空调复合除霜特性的实验研究

作者:林洪良;南金瑞;乔名星;刘练; 刊名:制冷学报 上传者:马俊清

【摘要】为了解决电动汽车热泵空调在制热过程中结霜导致制热效率降低的问题,本文在现有除霜方法所存在的缺陷的基础上,提出了电动汽车热泵空调复合除霜方法,所谓复合除霜方法就是在除霜开始后,首先进入旁通除霜阶段,然后根据除霜状态,适时进入逆循环除霜阶段。本文对一台额定功率8.0 kW的电动客车空调进行改造,并在室外环境温度(2±0.5)℃,相对湿度(80±5)%,车内温度为(20±0.5)℃的模拟环境条件下进行对比实验,测量压缩机吸排气压力、室外换热器温度、室内温度与消耗功率随时间的变化。结果表明:与逆循环除霜相比,复合除霜压缩机吸、排气压力冲击减小,室内温度波动减小,能耗降低8.13%;与旁通除霜方法相比,除霜时间减少60 s,能耗降低6.56%。

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不同于传统燃油车,电动汽车没有了发动机的冷却水,制热成为其面临的一大问题。目前,热泵空调是电动汽车制热主要研究方向。热泵型空调冬季制热时,室外换热器的盘管温度总是低于周围的环境空气温度,当盘管表面温度低于环境空气的露点温度时,空气中的水分会析出,换热器的翅片表面会产生冷凝水。如果盘管温度继续下降到0以下,冷凝水就会凝结成霜附着在翅片上[1-4]。结霜会将翅片之间的间隙局部或全部阻塞,最终导致室外换热器的换热效率低下,甚至导致机组无法继续制热,因此有必要改进除霜技术。国内外对热泵除霜技术已有大量研究,黄东等[5-6]比较了热气旁通除霜和逆循环除霜在空气-水源热泵中的除霜效果,结果显示热气旁通除霜时间更长,但具有低噪声、室内温度波动小,没有吹冷风感等优点。姚杨等[7]提出了相变储能除霜方法,董建锴等[8]又对其特性进行了实验研究,发现其除霜时间能缩短近60%。张杰等[9]对三种空气源热泵除霜方式的性能进行实验比较,总结各自优缺点。V.Payne等[10]通过实验方法验证了滚动式压缩机和往复式压缩机在空气源热泵除霜过程中的不同作用。H.Cho等[11]研究了压缩机启停除霜和热气旁通除霜在柜式制冷机中的不同应用,实验结果显示,热气旁通除霜可有效提高制冷能力、降低温度波动,但会消耗更多的除霜能量。A.K.Adnan等[12]和S.Jain等[13]分别设计了空气源热泵液体除湿系统,在防止结霜方面取得了良好的效果。目前由于电动汽车存在电池能量密度低的先天性弊端,所以电动汽车对热泵空调的除霜要求更高,要满足其能耗要低、除霜速度快、舒适性好的需求。相变储能除霜引入储能部件,大大提高除霜速度,但由于其储能效率原因导致能耗过高;逆循环除霜利用逆卡诺循环达到除霜目的,但是机械冲击大,且持续从车室内吸取大量热量,车内温度波动较大;热气旁通除霜依靠压缩机的蓄热和功耗提供除霜热量,由于吸气温度、压缩机输入功率的衰减以及吸、排气压力差较小都会导致排气温度在霜层融化阶段不断下降,使旁通除霜的后劲不足,除霜速度下降明显[14-17]。针对电动汽车的需求结合逆循环除霜与热气旁通除霜两者的优点,本文提出一种复合除霜的方案,就除霜时间、除霜效果及除霜能耗等与逆循环除霜、热气旁通除霜进行对比实验研究。1复合除霜原理及实验设计1.1热泵空调复合除霜系统原理相对于传统的逆循环除霜法与热气旁通除霜法,复合除霜系统结合两者的优点,将两种除霜方法整合在一套除霜系统中,系统原理如图1所示。除霜开始后,首先进入旁通除霜模式,然后根据旁通除霜阶段的动态特性变化,选择合理的时机切换到逆循环除霜模式,下面对复合除霜进行具体分析。T温度传感器;O湿度传感器;P压力传感器图1复合除霜系统原理图Fig.1Schematicofcompositedefrostingsystem1)热气旁通除霜阶段当满足除霜条件时,电磁阀打开,四通换向阀没有动作,系统进入旁通除霜状态。首先,饱和蒸气经过气液分离器,然后被压缩机吸入变成高温高压的蒸气,部分制冷剂通过旁通电磁阀节流后进入室外换热器,与换热器内部原来的两相制冷剂混合,在压缩机的连续抽吸作用下,流经室外换热器冷凝放热融霜,再次回到气液分离器中,准备下一次循环。热气旁通除霜依靠压缩机的蓄热和功耗提供除霜热量,待储热耗尽就会出现能量不足、除霜缓慢的现象。复合除霜首先进入热气旁通除霜是为了利用压缩机的储热除霜,降低压缩机吸、排气压力差,增加室外机温度,减小室内温度波动,为进入下一阶段除霜做好准备,避免长时间热气旁通除霜。2)逆循环除霜阶段当机组检测到压缩机输入功率降低、排气温度下

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