李敬恩 許兵兵 欒慶坤 尚 鋒 孫魯魯 史長(zhǎng)奎 辛 偉 蘇 勇 張素麗

(山東朗進(jìn)科技股份有限公司,266071,青島∥第一作者,工程師)

傳統(tǒng)的燃油或燃?xì)饪蛙?chē)可利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱進(jìn)行冬季采暖，而電力驅(qū)動(dòng)客車(chē)只能通過(guò)空調(diào)或電加熱設(shè)備等為車(chē)廂內(nèi)提供熱量。雖然電加熱制熱在整個(gè)冬季均可以使用，但是其能效較低，能耗大，嚴(yán)重制約了純電動(dòng)客車(chē)的續(xù)航里程。而普通熱泵空調(diào)在環(huán)境溫度低于-5 ℃時(shí)的制熱量衰減明顯，存在制熱量不足、壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高等問(wèn)題[1]，既影響客車(chē)的舒適度，也容易造成空調(diào)壓縮機(jī)的損壞。目前，客車(chē)常規(guī)制熱在溫度低于0 ℃或者更低溫度時(shí)僅使用PTC(熱敏電阻)電加熱制熱[2]方式，能耗大，能效低，因此研究電動(dòng)客車(chē)超低溫?zé)岜每照{(diào)高效制熱技術(shù)，降低客車(chē)空調(diào)制熱能耗，不僅有助于擴(kuò)大電動(dòng)客車(chē)的續(xù)航里程，而且有利于節(jié)能環(huán)保。

目前，對(duì)補(bǔ)氣空調(diào)系統(tǒng)原理和試驗(yàn)性研究較多。文獻(xiàn)[5-6]主要研究帶經(jīng)濟(jì)器的渦旋壓縮機(jī)制冷循環(huán)。文獻(xiàn)[7-9]對(duì)渦旋壓縮機(jī)閃發(fā)器系統(tǒng)性能進(jìn)行了熱力循環(huán)分析和試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)準(zhǔn)雙級(jí)渦旋式壓縮機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，研究了閃發(fā)器準(zhǔn)二級(jí)壓縮空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)普通單級(jí)壓縮系統(tǒng)在排氣溫度、制冷劑流量和能效比上面的變化。文獻(xiàn)[10]在電動(dòng)客車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng)上研究了準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)對(duì)排氣溫度、制熱量、能效比的影響，以及車(chē)內(nèi)外風(fēng)量的變化對(duì)準(zhǔn)二級(jí)壓縮熱泵系統(tǒng)的影響。目前針對(duì)純電動(dòng)客車(chē)空調(diào)尤其是變頻空調(diào)領(lǐng)域里研究很少。本文在純電動(dòng)客車(chē)變頻空調(diào)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)不同外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣對(duì)空調(diào)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)和分析，并對(duì)不同壓縮機(jī)頻率下補(bǔ)氣對(duì)低溫制熱性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)和分析，為純電動(dòng)客車(chē)熱泵的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行提供參考。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將某變頻客車(chē)空調(diào)機(jī)組整改為試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)采用有補(bǔ)氣增焓功能的某品牌臥式渦旋壓縮機(jī)；經(jīng)濟(jì)器采用板式換熱器；蒸發(fā)器及冷凝器均采用波紋鋁翅片管換熱器；主閥與補(bǔ)氣閥均采用電子膨脹閥，并由手動(dòng)控制開(kāi)度；在補(bǔ)氣閥前設(shè)置電磁閥，用于控制補(bǔ)氣回路的通斷。在壓縮機(jī)吸、排氣口和經(jīng)濟(jì)器的進(jìn)、出口管路上分別布置熱電偶以測(cè)量其溫度，在經(jīng)濟(jì)器出口管、壓縮機(jī)排氣管、壓縮機(jī)吸氣管上布置壓力測(cè)量接口，并連接WK-6889壓力表以檢測(cè)壓力。試驗(yàn)室測(cè)量設(shè)備經(jīng)過(guò)檢測(cè)校準(zhǔn)均合格，測(cè)量精度如表1所示。試驗(yàn)樣機(jī)的原理圖如圖1所示。

表1 試驗(yàn)室測(cè)量精度

圖1 試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)原理圖

試驗(yàn)樣機(jī)在本公司空氣焓差法試驗(yàn)室中進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試，試驗(yàn)室可以采集環(huán)境室內(nèi)干濕球溫度、空調(diào)機(jī)組各溫度點(diǎn)和壓力點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以及空調(diào)機(jī)組制熱量、功率等參數(shù)。試驗(yàn)工況為室內(nèi)環(huán)境干球溫度20 ℃、濕球溫度15 ℃，外部環(huán)境溫度分別設(shè)定為7 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃。在各個(gè)工況下，壓縮機(jī)以額定頻率運(yùn)行時(shí)，調(diào)整主閥開(kāi)度使機(jī)組性能達(dá)到最優(yōu)(即制熱量最大)，測(cè)得空調(diào)機(jī)組補(bǔ)氣前的性能數(shù)據(jù)，然后開(kāi)啟補(bǔ)氣電磁閥并調(diào)整主閥與補(bǔ)氣閥開(kāi)度，測(cè)得補(bǔ)氣后的空調(diào)機(jī)組最優(yōu)性能數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)。

2 補(bǔ)氣增焓對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)熱力性能的影響

2.1 補(bǔ)氣對(duì)空調(diào)系統(tǒng)排氣溫度的影響

不同外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后的排氣溫度對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后的排氣溫度對(duì)比

補(bǔ)氣前，排氣溫度隨著外部環(huán)境溫度的降低先減小再增大；補(bǔ)氣后，排氣溫度隨外部環(huán)境溫度的降低單調(diào)減小，且減小量越來(lái)越少，變化趨于平坦。補(bǔ)氣后的排氣溫度比補(bǔ)氣前的排氣溫度明顯降低：外部環(huán)境溫度為7 ℃時(shí)排氣溫度降幅最小，為9.4%；外部環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)排氣溫度降幅最大，為40.0%；而且，外部環(huán)境溫度越低，補(bǔ)氣對(duì)排氣溫度降低的作用就越大。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)外部環(huán)境溫度降低時(shí)，一方面壓縮機(jī)的吸氣溫度降低，相應(yīng)的排氣溫度趨于最低值；另一方面壓縮機(jī)輸氣量減少，使全封閉式渦旋壓縮機(jī)的電機(jī)冷卻效果變差，排氣溫度趨于升高。隨著外部環(huán)境溫度降低，壓縮機(jī)輸氣量的影響越來(lái)越占主導(dǎo)地位，因此補(bǔ)氣前的壓縮機(jī)排氣溫度先降后升。

2.2 補(bǔ)氣對(duì)空調(diào)系統(tǒng)制熱能力的影響

不同外部環(huán)境溫度下，補(bǔ)氣前后的制熱量情況如圖3所示，補(bǔ)氣后的制熱量提升幅度見(jiàn)圖4。

圖3 不同外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后的制熱量對(duì)比

圖4 不同外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣對(duì)制熱量提升幅度

補(bǔ)氣前后的制熱量均隨著外部環(huán)境溫度的降低而逐漸下降；補(bǔ)氣后制熱量比補(bǔ)氣前制熱量明顯提高，且外部環(huán)境溫度越低，補(bǔ)氣后制熱量的提升幅度就越大(外部環(huán)境溫度為7 ℃時(shí)制熱量提升7.9%，外部環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)制熱量提升26%)。

補(bǔ)氣前后制熱能效比隨環(huán)境溫度下降均逐漸降低(見(jiàn)圖5)。如圖6所示，環(huán)境溫度越低，則補(bǔ)氣后能效比的相對(duì)增幅越大。-20 ℃時(shí)，補(bǔ)氣后能效比增幅為14.9%。

圖5 各外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后能效比

圖6 各外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣對(duì)制熱能效比提升幅度

2.3 補(bǔ)氣對(duì)空調(diào)系統(tǒng)壓力的影響

如圖7及圖8所示：補(bǔ)氣前后，空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)高壓與低壓的壓力均隨環(huán)境溫度降低而減小；與補(bǔ)氣前相比，補(bǔ)氣后高壓壓力略有增大(外部環(huán)境溫度為7 ℃時(shí)高壓壓力增幅為6%)，補(bǔ)氣后低壓壓力變化始終不明顯?？梢?jiàn)，若空調(diào)機(jī)組不補(bǔ)氣，則低壓壓力已經(jīng)超出壓縮機(jī)安全運(yùn)行范圍，即使開(kāi)啟補(bǔ)氣,也無(wú)法使其在安全壓力范圍內(nèi)運(yùn)行。

圖7 各外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后低壓壓力對(duì)比

圖8 各外部環(huán)境溫度下補(bǔ)氣前后高壓壓力對(duì)比

3 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整時(shí)補(bǔ)氣空調(diào)系統(tǒng)熱力性能的變化特性

3.1 典型工況下補(bǔ)氣閥開(kāi)度對(duì)空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)的影響

本文設(shè)定的典型工況為：外部環(huán)境溫度為-20 ℃、室內(nèi)干球溫度為20 ℃、室內(nèi)濕球溫度為15 ℃，機(jī)組壓縮機(jī)按額定頻率運(yùn)行，主閥開(kāi)度固定為116。由圖9可知：在典型工況下，隨著補(bǔ)氣閥開(kāi)度的增大，制熱量和能效比先增大后減小，其中制熱量最大增幅為22.0%，能效比最大增幅為12.5%；當(dāng)補(bǔ)氣閥開(kāi)度為320時(shí)，制熱量與能效比均達(dá)最大值；如補(bǔ)氣閥開(kāi)度超過(guò)320并繼續(xù)開(kāi)大，則制熱量和能效比均開(kāi)始下降。這說(shuō)明特定主閥開(kāi)度下，在補(bǔ)氣閥開(kāi)度增大的過(guò)程中制熱量和能效比存在最優(yōu)值。

圖9 補(bǔ)氣閥開(kāi)度對(duì)制熱量及能效比的影響

在圖10中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)補(bǔ)氣閥開(kāi)度增至100時(shí)，排氣溫度開(kāi)始大幅下降;當(dāng)補(bǔ)氣閥開(kāi)度為100～340時(shí),排氣溫度變化很小;當(dāng)補(bǔ)氣閥開(kāi)度超過(guò)340并繼續(xù)開(kāi)大后，排氣溫度下降明顯加快。經(jīng)分析，當(dāng)補(bǔ)氣閥開(kāi)啟過(guò)大之后，補(bǔ)氣制冷劑不能完全汽化，使得進(jìn)入壓縮機(jī)補(bǔ)氣口的冷媒帶有微小液滴，從而使排氣溫度快速下降?？梢?jiàn)，補(bǔ)氣閥開(kāi)度存在最優(yōu)值。

圖10 補(bǔ)氣閥開(kāi)度對(duì)排氣溫度的影響

3.2 壓縮機(jī)頻率對(duì)空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)氣效果的影響

典型工況下，在壓縮機(jī)運(yùn)行頻率不同時(shí)，分別測(cè)試補(bǔ)氣前后的空調(diào)系統(tǒng)制熱量及能效比，如圖11及圖12所示。

圖11 不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率下補(bǔ)氣前后制熱量

圖12 不同壓縮機(jī)運(yùn)行頻率下補(bǔ)氣前后能效比

由圖11及圖12可見(jiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率降低時(shí)，補(bǔ)氣前后制熱量及能效比都下降，且變化趨勢(shì)類(lèi)似。當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率降至45 Hz以下時(shí)，補(bǔ)氣對(duì)制熱量和能效比的增加量已不明顯，可見(jiàn)低頻時(shí)補(bǔ)氣對(duì)熱泵制熱量沒(méi)有明顯的提升效果。

分析表2數(shù)據(jù)可知，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率較低時(shí)，高壓壓力較低，低壓壓力較高，壓差減小，導(dǎo)致補(bǔ)氣回路制冷劑流量也大大減少，而補(bǔ)氣主要通過(guò)增加冷凝器內(nèi)制冷劑流量來(lái)提高制熱量[3]，因此低頻時(shí)補(bǔ)氣對(duì)制熱量的提升作用很小。由此可知，若低頻時(shí)的排氣溫度在允許范圍內(nèi)，則沒(méi)有必要開(kāi)補(bǔ)氣閥。

表2 壓縮機(jī)不同頻率時(shí)系統(tǒng)補(bǔ)氣前后性能測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，本文對(duì)于補(bǔ)氣增焓技術(shù)在電動(dòng)客車(chē)空調(diào)尤其是電動(dòng)客車(chē)變頻空調(diào)上的低溫制熱應(yīng)用和推廣具有參考意義。測(cè)試結(jié)果表明：

1) 電動(dòng)客車(chē)變頻空調(diào)應(yīng)用補(bǔ)氣增焓技術(shù)在室外環(huán)境溫度-20 ℃時(shí)依然可以穩(wěn)定運(yùn)行，而且補(bǔ)氣增焓技術(shù)后空調(diào)機(jī)組制熱量、能效比等性能顯著提高。

2) 補(bǔ)氣后可有效降低排氣溫度，外部環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)降幅最大，降幅為40%。補(bǔ)氣后制熱量明顯提高，且外部環(huán)境溫度越低，補(bǔ)氣對(duì)系統(tǒng)制熱量增益越大，但補(bǔ)氣并不能明顯的影響系統(tǒng)低壓壓力。

3) 主閥開(kāi)度固定時(shí)，隨著補(bǔ)氣閥開(kāi)度增大制熱量和能效比均先增大再減小，主閥和補(bǔ)氣閥存在最優(yōu)的開(kāi)度組合。

4) 對(duì)于給定的變頻空調(diào)系統(tǒng),存在一個(gè)臨界頻率，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率低于該值時(shí)，補(bǔ)氣對(duì)系統(tǒng)制熱量 、功率、壓力等熱力性能影響可以忽略不計(jì)。