孫西峰 王靜 方健珉 殷翔 曹鋒

摘? 要：本文搭建了采用逆循環(huán)化霜的跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺。通過對各參數(shù)點(diǎn)溫度和壓力變化的分析，研究了空調(diào)系統(tǒng)在結(jié)霜過程的性能和參數(shù)變化特性。通過記錄化霜時間和實(shí)時霜層攝像探究了化霜的效果，進(jìn)行連續(xù)結(jié)霜—化霜實(shí)驗(yàn)，探究了首次化霜對二次結(jié)霜情況和化霜時間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行結(jié)霜150min后，制熱量分別下降22.6%和15.6%。第二次結(jié)霜速度比第一次更慢，第一次化霜時長為420s，第二次化霜時長為120s，僅為第一次化霜時間的28.5%。逆循環(huán)化霜效果十分理想，將成為未來電動汽車空調(diào)最合理有效的化霜方式之一。

關(guān)鍵詞：CO2;逆循環(huán)化霜;新能源汽車空調(diào);無間斷連續(xù)結(jié)霜

中圖分類號：TK11+1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2020）03-0009-07

Abstract： A test rig of transcritical CO2 automobile air conditioning system with reverse cycle defrosting was built to investigate the performance and parameters variation characteristics during the frosting process by analyzing the changes in temperature and pressure at various parameter points. The reverse cycle defrosting method is adopted， and the defrosting performance was investigated by recording the defrosting time and taking a real-time photo of the frost layer. The continuous frosting - defrosting experiment was carried to research the effect of the first defrosting on the second frosting speed and defrosting time. The experimental results indicates that the heating capacity was reduced by 22.6% and 15.6% respectively after the air conditioning system continuously run for 150 minutes. The second frost is slower than the first time， the fist defrosting time was 420s， the second was 120s， which is only the 28.5% of the first time. The defrost performance is really ideal and the reverse cycle defrosting method will be one of the most promising defrosting methods in the future.

近年來新能源汽車在我國得到迅速發(fā)展，據(jù)汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，其中純電動汽車的產(chǎn)量和銷量每年的同期增長均超過50%，純電動汽車空調(diào)的迅猛發(fā)展也帶動了車用熱泵空調(diào)的進(jìn)一步深入研究。目前我國采用的汽車空調(diào)制冷劑主要為R134a，由于其GWP值過高，正面臨著被淘汰的趨勢。歐盟在2006年頒布的汽車空調(diào)排放物法規(guī)中規(guī)定從2017年1月1日起禁止新生產(chǎn)汽車使用GWP值高于150的制冷劑。美國環(huán)保部在2012年接受新型人工合成制冷劑R1234yf作為汽車空調(diào)的新型替代制冷劑，戴姆勒—奔馳以及大眾公司提出以CO2為未來的研究方向，除此之外，R134a的新型替代制冷劑還包括R445A，R152a以及R290等制冷劑[1～3]。其中，CO2作為一種天然制冷劑，對環(huán)境友好，容易制取，常作為其他工藝副產(chǎn)物進(jìn)行回收，因此價格低廉，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定無毒不可燃，在眾多替代制冷劑方案中脫穎而出[4，5，6]。

當(dāng)汽車空調(diào)在冬季制熱時，其翅片管式微通道換熱器的表面由于低于水的冰點(diǎn)溫度和空氣的露點(diǎn)溫度存在大面積結(jié)霜的可能性。當(dāng)汽車空調(diào)長時間制熱工作時，室外蒸發(fā)器的表面大面積結(jié)霜后，隨著霜層越來越厚，翅片間的空氣換熱通道嚴(yán)重受阻，導(dǎo)致通風(fēng)量下降，蒸發(fā)器換熱性能將急劇下降，蒸發(fā)器風(fēng)扇的功耗增大，空調(diào)系統(tǒng)的性能下降，制熱量減少[7，8]。為了解決蒸發(fā)器結(jié)霜帶來的一系列的惡劣影響，要采用有效的方式及時對蒸發(fā)器進(jìn)行化霜[9]。目前，在傳統(tǒng)的制熱系統(tǒng)中常采用的化霜方式有以下幾種：熱氣旁通融霜[10，11]、電加熱化霜[12]、逆循環(huán)化霜[13，14，15]、相變材料化霜[16]和組合化霜[17]。

由于跨臨界CO2汽車空調(diào)的功能模式要求，需要分別實(shí)現(xiàn)夏季制冷和冬季制熱，因此本文設(shè)計的循環(huán)系統(tǒng)具備換向功能，故逆循環(huán)化霜是該系統(tǒng)的選擇之一，不需要更多額外的換熱器或者閥件等部件，系統(tǒng)相較于其他化霜模式更簡單[18]。Alois Steiner[19]等人通過搭建試驗(yàn)臺和仿真模型，探究了節(jié)流閥的開度對化霜性能的影響?；獣r間是衡量化霜性能的重要指標(biāo)，因此在試驗(yàn)和仿真中，常常以化霜時間作為化霜性能的依據(jù)。結(jié)果表明，當(dāng)膨脹閥的開度由小增大時，化霜時間先迅速減小后緩慢增大，即膨脹閥開度較小時，化霜性能很差，存在一個最佳的膨脹閥開度，此時化霜時間最短，而后隨著閥開度的增加，化霜性能再次緩慢下降，但是開度過小對于化霜性能的影響遠(yuǎn)大于開度過大時。本文通過搭建試驗(yàn)臺，對空調(diào)系統(tǒng)結(jié)霜和化霜過程中的動態(tài)參數(shù)變化作了對比分析，得出了不同的結(jié)霜和化霜階段系統(tǒng)的性能特性，分析出最佳的化霜時間點(diǎn)，并且通過連續(xù)結(jié)霜的方式，探究了連續(xù)結(jié)霜后系統(tǒng)化霜時間的變化特點(diǎn)，最后對逆循環(huán)化霜的化霜效果進(jìn)行了客觀的分析和評價。

1? ? 逆循環(huán)化霜方法

當(dāng)汽車空調(diào)系統(tǒng)在夏季高溫環(huán)境下運(yùn)行時，需要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制冷功能，而冬季低溫環(huán)境下需要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)制熱功能，因此我們的汽車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案采用了四通換向閥實(shí)現(xiàn)制冷劑在不同的模式下的換向功能。當(dāng)空調(diào)在冬季低溫環(huán)境下長時間運(yùn)行后，導(dǎo)致室外蒸發(fā)器嚴(yán)重結(jié)霜，空調(diào)性能開始急劇下降時，先將壓縮機(jī)停機(jī)，然后控制四通換向閥的通道換向，實(shí)現(xiàn)從制熱到制冷模式的轉(zhuǎn)化，也就啟動了逆向化霜功能。為了緩解逆向化霜對車廂溫度的影響，化霜過程中車內(nèi)外換熱器的風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，節(jié)流閥全開。

如圖1所示，跨臨界CO2汽車空調(diào)循環(huán)的制冷循環(huán)可分為6個過程：1-2為壓縮過程，1點(diǎn)低溫低壓的CO2氣態(tài)制冷工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮為2點(diǎn)的高溫高壓的超臨界狀態(tài);2-3為室外換熱器——?dú)怏w冷卻器中的熱量交換過程，高溫高壓的CO2工質(zhì)在氣體冷卻器中放熱，與空氣進(jìn)行熱交換后成為高壓中溫工質(zhì)，這個過程中理論上是等壓過程;3-4為回?zé)崞髦械幕責(zé)徇^程，從氣體冷卻器中出來的高壓中溫制冷劑進(jìn)一步被從蒸發(fā)器出來的低壓低溫制冷劑冷卻;4-5為等焓節(jié)流過程，CO2制冷工質(zhì)被等焓節(jié)流為低溫低壓狀態(tài);5-6過程為室內(nèi)換熱器——蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，兩相態(tài)的CO2工質(zhì)在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，與空氣進(jìn)行熱交換;6-1為回?zé)崞髦械幕責(zé)徇^程，從蒸發(fā)器中出來的低溫低壓制冷劑與氣冷器出來的中溫高壓制冷劑發(fā)生熱交換。

圖2為跨臨界CO2汽車空調(diào)逆循環(huán)化霜的p-h圖，在制熱模式下，室外換熱器作為蒸發(fā)器運(yùn)行，在相應(yīng)的運(yùn)行工況下逐漸結(jié)霜，此時停止壓縮機(jī)運(yùn)行，并轉(zhuǎn)化為化霜模式運(yùn)行。1-2為壓縮機(jī)的壓縮過程，2-3為室外換熱器作為氣體冷卻器中的換熱過程，3-4為節(jié)流過程，4-1為蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程?；^程中，由于節(jié)流閥開度處于全開狀態(tài)，隨著化霜時間的積累，系統(tǒng)各處的壓力和溫度都降低，化霜循環(huán)由1-2-3-4逐漸向1-2-3-4變化，在化霜結(jié)束后，循環(huán)趨于穩(wěn)定。參考Alois Steiner的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，閥開度過小時對化霜性能的影響過大，性能很差，故本文實(shí)驗(yàn)選擇將膨脹閥全開，所以化霜過程中高壓值較低，并且壓比很小。

2? ? 測試試驗(yàn)臺搭建

整個測試試驗(yàn)臺搭建在西安交通大學(xué)壓縮機(jī)研究所的空氣焓差實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室分為兩個環(huán)境室和一個控制室。環(huán)境室分別用來模擬汽車內(nèi)外的環(huán)境工況，換熱器安裝在測試風(fēng)洞中。除此之外，實(shí)驗(yàn)室中還有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，循環(huán)系統(tǒng)具有多個溫度和壓力測點(diǎn)。可以準(zhǔn)確的測量循環(huán)中各個狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)以及換熱量、壓縮機(jī)功耗等。實(shí)驗(yàn)過程中，環(huán)境工況采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)霜工況（環(huán)境干球溫度為2℃，濕球溫度為1℃），車內(nèi)環(huán)境干球溫度20℃，濕球溫度12℃，全回風(fēng)。

實(shí)驗(yàn)測量儀器設(shè)備的詳細(xì)信息如下表所示：

如圖3所示，跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺架包括變頻壓縮機(jī)、除霜除霧微通道翅片管換熱器、車內(nèi)微通道翅片管換熱器、節(jié)流閥、回?zé)崞?、車外微通道翅片管換熱器、四通換向閥、儲液器、一進(jìn)兩出三通電磁閥和質(zhì)量流量計。其中壓縮機(jī)的排量為5.2 cm3/rev，除霜微通道翅片管換熱器的尺寸為200mm×150mm×15mm，單排。車內(nèi)微通道翅片管換熱器的尺寸為300mm×260m×30mm，雙排?；?zé)崞鞯某叽鐬?0mm×280mm×8mm，對角交叉流向設(shè)計。車外微通道翅片管換熱器的尺寸為300mm×600mm×15mm，單排。空調(diào)在冬季制熱功能模式下正常運(yùn)行150分鐘，此時室外換熱器為蒸發(fā)器，表面將逐漸結(jié)霜。150分鐘后，壓縮機(jī)停機(jī)，待系統(tǒng)壓力平衡后，四通換向閥實(shí)現(xiàn)換向，該過程時長約1分鐘。換向完成后，再次開啟壓縮機(jī)，此時CO2制冷工質(zhì)逆向循環(huán)，室外換熱器為氣體冷卻器，超臨界工質(zhì)在室外換熱器中放熱，換熱器表面的霜層逐漸融化。為了盡可能的減小化霜過程中對車內(nèi)溫度的影響，化霜過程中室內(nèi)外換熱器的風(fēng)機(jī)均關(guān)閉，節(jié)流閥開度全開。第一次結(jié)霜—化霜過程結(jié)束后，緊接著進(jìn)行連續(xù)結(jié)霜—化霜測試，對比兩次過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，探究了首次化霜對二次結(jié)霜的影響。

結(jié)霜過程共150分鐘，每15分鐘記錄一次采集數(shù)據(jù)，化霜過程時間太短，故采取每15秒間隔記錄一次采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，記錄了環(huán)境溫度參數(shù)、各個狀態(tài)點(diǎn)的溫度壓力參數(shù)、換熱量和功率。并且對結(jié)霜過程和化霜過程的換熱器表面的霜層變化進(jìn)行了拍照記錄，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和詳細(xì)分析如下。

3.1? ?結(jié)霜過程

3.1.1 結(jié)霜過程中的霜層變化：

從對比圖中可看出，第一次結(jié)霜速度比第二次更快，相同的結(jié)霜時間里，第一次的結(jié)霜面積也更大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于第一次化霜過程較長，對換熱器進(jìn)行了較長時間的加熱，導(dǎo)致?lián)Q熱器表面霜層融化完后，表面水分蒸發(fā)，換熱器表面相較于第一次結(jié)霜開始時，更加干燥，導(dǎo)致結(jié)霜速度更慢。

從換熱器表面的霜層面積的變化趨勢可看出，換熱器從右側(cè)開始結(jié)霜，霜層逐漸從右向左蔓延，這主要與微通道換熱器的流程分布有關(guān)。從圖中看出，有部分換熱器表面始終不結(jié)霜，這主要由換熱器的通道流程決定。蒸發(fā)器內(nèi)流體最后通過的流程由于制冷劑具有一定的過熱，溫度偏高，故而結(jié)霜更慢或者不結(jié)霜。

3.1.2 結(jié)霜過程中的狀態(tài)參數(shù)變化

為了進(jìn)一步探究結(jié)霜過程中性能變化，圖4和圖5記錄了兩次結(jié)霜過程在循環(huán)系統(tǒng)的吸氣壓力和排氣壓力的變化，壓縮機(jī)開機(jī)后，系統(tǒng)迅速建立起壓差，高低壓達(dá)到穩(wěn)定，而后在前30分鐘，室外換熱器表面逐漸結(jié)霜，此時霜層還比較薄，吸排氣壓力逐漸上升。在30分鐘后，吸排氣壓力開始緩慢下降，80分鐘左右，排氣壓力下降到了初始值附近，隨著時間的增加，持續(xù)緩慢下降。120分鐘后，由于此時的霜層已經(jīng)完全覆蓋了換熱器表面，并且厚度比較厚，導(dǎo)致霜層變化不太明顯，吸排氣壓力也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6為連續(xù)兩次結(jié)霜過程中的空調(diào)制熱量的變化趨勢，制熱量先隨著系統(tǒng)穩(wěn)定逐漸增加到短暫穩(wěn)定，而后隨著換熱器表面輕微結(jié)霜，制熱量進(jìn)一步增大，而后隨著霜層的加厚，吸氣壓力逐漸減小，制冷劑的比體積增大，質(zhì)量流量減小，故制熱量逐漸減小，與結(jié)霜前相比，分別減小22.6%和15.6%。兩次結(jié)霜過程換熱量的變化趨勢總體基本一致。并且換熱量的變化與系統(tǒng)的吸排氣壓力的變化時間節(jié)點(diǎn)也高度一致，兩者密切相關(guān)。

3.2? ?化霜過程

3.2.1 化霜過程中的霜層變化：

從圖中可以看出，第二次化霜的速度較于第一次要快很多，第一次化霜結(jié)束一共耗時420s，第二次化霜結(jié)束僅耗時120s，這與結(jié)霜過程中，第二次結(jié)霜速度更慢密切相關(guān)。第二次結(jié)霜更慢，相同的結(jié)霜時間霜層更薄，因此直接的導(dǎo)致了第二次化霜速度遠(yuǎn)快于第一次。但是無論是首次化霜還是二次化霜時長，從汽車空調(diào)的化霜性能方面講都是比較理想的。

3.2.2 化霜過程中的性能分析

圖7為連續(xù)化霜的兩次化霜過程中系統(tǒng)的吸排氣壓力變化趨勢，從系統(tǒng)結(jié)霜完畢，停機(jī)時刻開始計時，故如圖所示，前90s為系統(tǒng)停機(jī)后，高低壓平衡和四通換向閥的換向過程。從90s開始，系統(tǒng)再次開機(jī)，節(jié)流閥的開度全開，室內(nèi)外的風(fēng)機(jī)都停機(jī)，系統(tǒng)開始逆循環(huán)化霜過程。隨著時間的增加，系統(tǒng)逐漸建立起壓差，霜層逐漸融化。第一次化霜過程時間較長，因此壓力變化趨勢更加明顯，由于換熱器表面的霜層嚴(yán)重影響了換熱器的換熱性能，因此系統(tǒng)的壓比逐漸增大，高壓升高，在氣體冷卻器中提供更大的換熱量用來化霜，隨著霜層的融化，壓比又逐漸減小，高壓逐漸降低，而后在300s左右，霜層融化了大部分，換熱器表面的霜層對換熱器的換熱性能不僅沒有負(fù)影響，反而輕微的提高了換熱器的換熱性能，因此系統(tǒng)的高低壓變化趨勢發(fā)生反向變化，并且逐漸趨于穩(wěn)定，直到霜層完全融化。

4? ? 結(jié)論

本文針對跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)在冬季低環(huán)境溫度下長時間運(yùn)行，換熱器表面嚴(yán)重結(jié)霜對空調(diào)性能的影響以及逆循環(huán)化霜方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。記錄了換熱器表面結(jié)霜和化霜過程中的主要循環(huán)參數(shù)和空調(diào)的制熱量等與空調(diào)性能密切相關(guān)的參數(shù)變化，結(jié)合實(shí)時攝像觀察換熱器表面的霜層變化，得到了跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的逆循環(huán)化霜特性以及空調(diào)制熱性能變化特性。為未來的純電動汽車空調(diào)的研究提供了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯炕A(chǔ)。在以上實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文得出以下結(jié)論：

（1）跨臨界CO2電動汽車空調(diào)在高環(huán)境濕度下制熱運(yùn)行150min，換熱器表面逐漸結(jié)霜，空調(diào)性能下降，連續(xù)兩次結(jié)霜完成時制熱量分別減少22.6%和15.6%。系統(tǒng)的吸氣壓力和排氣壓力均先增大后減小，隨著霜層逐漸加厚，壓力變化逐漸平穩(wěn)。

（2）跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的兩次連續(xù)結(jié)霜—化霜實(shí)驗(yàn)中，第一次結(jié)霜速度比第二次快，第二次的化霜時間也只有第一次的28.5%。

（3）跨臨界CO2電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的分別經(jīng)過兩次長達(dá)150min的結(jié)霜后，逆循環(huán)化霜時長分別為420s和120s，化霜效果很好。逆循環(huán)化霜將成為電動汽車空調(diào)最合理有效的化霜方式之一。

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