陳恩林,江斌,劉向農等.熱氣旁通制冷系統(tǒng)的數值模型建立與分析[J].低溫與超導,2017,45(04):72-77.

摘要: 

針對熱泵型電動汽車空調冬季除霜困難的問題，設計了一種帶熱氣旁通能量調節(jié)的空調系統(tǒng)。通過提供一個虛擬的熱負荷，改善了工質低壓側工作狀態(tài)，從而達到除霜的目的。搭建系統(tǒng)進行臺架實驗，基于實驗數據，建立了熱氣旁通制冷系統(tǒng)的數值模型。分析了旁通閥在不同開度下，車室內換熱量、車室內出風溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機吸氣溫度的變化趨勢，并得出了當旁通閥開度為 6 圈時，系統(tǒng)運行狀態(tài)最佳。

1 引言 

傳統(tǒng)燃油汽車有著結構復雜、能源利用率低和排放物污染環(huán)境等問題，正逐漸被市場所淘汰。電動汽車具有低噪聲、零排放和節(jié)能等優(yōu)點，近年來得到了很大的發(fā)展［1］。但是電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車相比，其原理和結構不同，使得汽車空調系統(tǒng)也有很大的差異。特別是冬季制熱，傳統(tǒng)燃油汽車是通過發(fā)動機余熱對車室內進行供熱，而電動汽車是由電池提供能量來進行制熱。

目前，純電動汽車冬季采暖多采用 PTC 電加熱的方式，它效率低、耗電量大、溫度不均勻、安全性差; 相對而言，熱泵空調系統(tǒng)能效比高、舒適性好。但環(huán)境溫度在 0—3℃ 且相對濕度較大的情況下，車室外換熱器表面結霜嚴重，會對換熱效率有很大的影響［2］。因而，越來越多的學者投入到純電動汽車熱泵空調系統(tǒng)優(yōu)化及換熱器除霜的研究中來。

日本電裝公司［3］開發(fā)出一套 Ｒ134a 電動汽車熱泵空調系統(tǒng)，采用 3 個換熱器的方式，可滿足制冷、制熱 和 除 霜、除 濕 的 功 能; Bullard［4］ 等 對CO2汽車熱泵系統(tǒng)進行了實驗研究，得出其熱泵的制熱能力更好; 謝卓［5］等對電動汽車熱泵系統(tǒng)進行設計及優(yōu)化分析; 文獻［6 － 7］分析比較了熱氣旁通除霜與四通閥換向除霜的差異; 文獻［8 － 9］采用了將壓縮機排出的高溫高壓氣體旁通到蒸發(fā)器入口的方式來除霜，結果表明這樣能夠高效、快速地除霜，并且室內溫度波動不大; 黃朝宗［10］等設計了一種帶噴液冷卻的熱氣旁通制冷系統(tǒng)，改善了工質低壓側工作狀態(tài)，且當回氣溫度過高時，可通過噴液裝置來冷卻降溫。

隨著仿真技術的不斷發(fā)展，運用仿真技術能有效地預測系統(tǒng)運行狀態(tài)并進行后期結構和控制的優(yōu)化。張春路［11］提出了制冷系統(tǒng)及部件的建模思想; 黃虎［12］等建立了風冷熱泵冷熱水機組結霜工況下工作過程的動態(tài)仿真模型; 劉志強［13］等提出了風冷熱泵熱氣除霜過程的動態(tài)特性模型，重點模擬了這一過程中霜層側的傳熱傳質和制冷劑側壓力變化情況。

目前還沒有關于將高壓制冷劑直接旁通到壓縮機吸氣口的熱氣旁通數學模型，本文基于大量的實驗數據，根據各個部件之間的耦合特性，建立了穩(wěn)態(tài)的熱氣旁通除霜數值模型，并通過實驗數據對其進行修正，使其更加符合實際運行狀態(tài)。

2 熱氣旁通除霜系統(tǒng)

冬季制熱時，當環(huán)境溫度較低且濕度較大時，車室外換熱器表面容易結霜; 當霜層達到一定厚度時，會嚴重降低換熱器的換熱效率進而降低空調系統(tǒng)的能效比，而且還會導致壓縮機排氣溫度過高、耗功增大，所以需要及時將車室外換熱器的霜層除掉。家用熱泵型空調系統(tǒng)常采用的是四通閥換向除霜，除霜時間長、室內溫度波動大。汽車熱泵空調系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的逆向除霜方式，會導致車室內溫度降低，車窗起霧，嚴重影響行駛安全。因此，需要設計一款在除霜的同時，車室內仍然可部分供熱的熱泵型汽車空調系統(tǒng)。

該熱氣旁通除霜系統(tǒng)的原理是將壓縮機排出的一部分高溫高壓氣體經旁通閥直接引回吸氣口; 另一部分氣體，仍流經原來的系統(tǒng)回路，車室內依然處于制熱模式，車窗不會結霧。兩個回路在壓縮機吸氣口處混合，提高了回氣壓力和溫度，改善了回氣狀態(tài)，達到除霜的目的。具體工作原理如圖 1 所示，制冷劑分為兩個回路，一個為正常制熱回路: 1 － 2 － 3 － 4 － 5 － 7 － 1; 另一個為熱氣旁通回路: 1 － 6 － 7 － 1，兩回路在點 7 處混合后進入吸氣口壓縮。將熱氣旁通到壓縮機吸氣口的方法，相對于旁通到蒸發(fā)器入口的除霜效果稍差，但是可以有效降低旁通管路的復雜程度。當熱氣旁通系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，其簡化理論循環(huán)壓焓圖如圖2 所示。

3 仿真模型的建立

系統(tǒng)的變化主要由旁通量引起，通過擬合吸排氣狀態(tài)與制冷系統(tǒng)內質量流量之間的關系，建立了壓縮機模型; 在大量實驗數據的基礎上，修正了換熱器模型; 將熱氣旁通閥模型和熱力膨脹閥模型簡化為等焓節(jié)流過程; 制冷劑模型的建立參見文獻［11］。在建模過程中作如下假設:

( 1) 空氣流動作準穩(wěn)態(tài)處理; 

( 2) 制冷劑為一維流動; 

( 3) 不計制冷劑流動中的勢能變化、阻力損失;

( 4) 不計連接管道的漏熱損失。

3． 1 仿真流程圖

仿真算法流程圖如圖 3 所示。

3． 2 壓縮機模型

3． 3 換熱器模型

換熱器模型參考文獻［14］，以制冷劑所處的狀態(tài)將換熱器劃分為: 單相區(qū)( 過熱區(qū)、過冷區(qū))和兩相區(qū)。在計算各個區(qū)域時，通過能量守能方程和流體傳熱方程，來耦合各個區(qū)域的長度和空氣出風溫度，最終可求出制冷劑在換熱器的出口狀態(tài)。車室內采用平行流換熱器，車室外采用管翅式換熱器。

3． 4 熱氣旁通閥模型

熱力膨脹閥［15］是能量調節(jié)的一種方式，通過旁通高壓制冷劑到系統(tǒng)的低壓側，給系統(tǒng)一個虛擬負荷，來保持系統(tǒng)能在給定的最低吸氣圧力下正常工作。利用制冷劑壓力和彈簧力的平衡原理來控制閥進出口的壓力，具體結構如圖 4 所示。

可將閥桿和閥芯簡化為一個質點，由牛頓第二定律可得:

因此，出口壓力只與彈簧位移有關，可通過調節(jié)可調彈簧力來改變低壓側出口的壓力。

4 實驗驗證及結果分析 

4． 1 實驗設計

使用 Visual Basic 6． 0 設計仿真軟件，通過軟件可計算出在不同旁通閥開度下制冷系統(tǒng)各點的狀態(tài)。為了驗證在不同旁通閥開度下，對除霜的影響以及對吸氣狀態(tài)的改善情況，搭建系統(tǒng)實驗臺來驗證。實驗在標準焓差實驗室中進行，測試方法參考 GB /T 21361 － 2008《汽車用空調器》和GB /T 7725 － 2004《房間空氣調節(jié)器》等標準。模擬冬季 結 霜 工 況 為: 環(huán) 境 干/濕 球 溫 度 為 2℃ /1℃，車室內干/濕球溫度為 20℃ /15℃ ; 系統(tǒng)采用Ｒ134a 制冷劑。系統(tǒng)主要零部件如表 1 所示。

4． 2 結果分析

圖 5 － 8，是在不同旁通閥開度下，將車室內換熱量、車室內出風溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機吸氣溫度的數值計算結果與實驗結果進行比較分析:隨著旁通閥開度的增加( 即旁通量增大) ，車室內換熱量減少，車室內出風溫度降低，蒸發(fā)壓力和壓縮機吸氣口溫度升高。仿真結果與實驗值的變化趨勢相同且相對誤差不超過 13% ，滿足工程應用需求。

圖 5 和圖 6 的變化趨勢相同，這是因為壓縮機是定轉速，系統(tǒng)的制熱量是一個定值; 旁通量增加后，制冷系統(tǒng)內制冷劑質量流量就會減少，車室內制熱量也相應減少。由式( 6) 可知: 進風狀態(tài)不變，車室內換熱量減小，車室內的出風溫度降低; 圖 7 和圖 8 的變化趨勢相同，是因為旁通量增加，旁通閥出口壓力和溫度升高。蒸發(fā)器背壓升高，蒸發(fā)壓力和溫度也相應升高。兩回路制冷劑混合后，壓縮機回氣溫度也得到了提高。

旁通閥開度從 3 圈到 6 圈時，計算值與實驗值誤差小; 但在開度大于 6 圈時，誤差很大，造成誤差的主要原因有:

( 1) 實驗測試時，系統(tǒng)處于不斷變化之中，測出來的數據不準確。

( 2) 在模擬計算中所用的換熱系數是由實驗結果擬合出的經驗關系式，雖然已經經過修正，但對于不同旁通閥開度下還是會出現一定的誤差。

( 3) 旁通開度與旁通量并不是成簡單的線性關系，隨著旁通開度的持續(xù)增加，旁通量增長速率變緩，最終趨近于一個極限值。綜合以上因素，造成了實驗的誤差。

旁通量越大，用于除霜的熱量也越多，除霜效果越好。但不能只考慮除霜效率而把旁通量開到最大，要綜合考慮駕駛的安全性和車室內人體的舒適性。在除霜時，要留有車窗除霧的熱量，并且車室內出風溫度波動不能太大，因此就要尋找一個最佳的旁通量。圖 5 － 圖 8 中，當旁通閥開度增加到 6 圈之后，系統(tǒng)變化量趨于平緩; 如圖 9 所示，在一個除霜周期，旁通開度為 6 圈時，基本能把霜除完。通過數值計算，旁通閥開度為 6 圈時，車室內換熱量為 1073W，車室內出風溫度為 31.3℃，蒸發(fā)壓力為 276kPa，吸氣口溫度為 － 1．29℃。系統(tǒng)的能效比大于 1，仍優(yōu)于傳統(tǒng)的 PTC 電加熱方式。相比于 5 圈，蒸發(fā)壓力提高了 14kPa，吸氣溫度提高了 1℃ ; 相比于 7 圈，車室內換熱量提高了 30W，車室內出風溫度提高了 0．3℃。綜上所述，旁通閥開度為 6 圈 時，系統(tǒng)處于最佳狀態(tài).

5 總結

( 1) 本文運用穩(wěn)態(tài)數學建模的思想，建立了熱氣旁通系統(tǒng)的數值模型?；诖罅康膶嶒灁祿?，對其進行修正，使其更加符合實際運行狀態(tài)。由仿真結果與實驗數據對比可知，仿真程序較為真實地反映熱氣旁通的實際運行情況，基本滿足設計要求。

( 2) 旁通量越大，對系統(tǒng)除霜效果越好; 但隨著旁通量的增加，會導致車室內的制熱量和出風溫度的降低。在滿足換熱器除霜、車窗除霧和車室內人體舒適性要求的情況下，綜合分析了車室內換熱量、車室內出風溫度、蒸發(fā)壓力和壓縮機吸氣口溫度的變化趨勢，得出最佳的旁通閥開度為6 圈。

( 3) 綜上所述，通過對數值模擬及實驗結果的分析，將熱氣旁通除霜的方式運用在熱泵型汽車空調系統(tǒng)中是可行的。但這種方式會導致除霜過程中能量分散以及除霜能量不足，如運用壓縮機變頻技術，即在旁通除霜時，提高壓縮機轉速則可同時增加除霜熱量和車室內的供熱量。