电动汽车CO_(2)热泵空调制热性能分析.pdf
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1、第 13 卷第 4 期2023 年 7 月汽车工程学报Chinese Journal of Automotive EngineeringVol.13No.4July 2023电动汽车CO2热泵空调制热性能分析李江峰1,2,李帅旗1,阮先轸3,宋文吉1,冯自平1,4(1.中国科学院 广州能源研究所,广州 510640;2.中国科学院大学,北京 100049;3.广汽集团汽车工程研究院,广州 510640;4.淄博能源研究院,山东,淄博 255000)摘要:为提升电动汽车CO2热泵空调的系统性能及扩宽热泵空调的使用温区,构建了回热器+补气增焓的跨临界CO2系统,通过建立数值模型对该系统的制热性能进
2、行了仿真分析。研究结果表明,气体冷却器压力对制冷系数(Coefficient of Performance,COP)影响较大,且存在最优气体冷却器压力和中间补气压力使COP达到最大值;中间补气过程能有效提升COP和制热量,且能有效降低压缩机排气温度;回热器过热度对COP和制热量影响较小,但会导致压缩机排气温度上升。关键词:电动汽车;热泵空调;跨临界CO2;补气增焓;回热器中图分类号:TB 657文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.20951469.2023.04.12Thermal Performance Analysis of CO2 Heat Pump Air Condit
3、ioning System in Electric VehiclesLI Jiangfeng1,2,LI Shuaiqi1,RUAN Xianzhen3,SONG Wenji1,FENG Ziping1,4(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.GAC R&D Center,Guangzhou 510640,Chi
4、na;4.Zibo Energy Research Institute,Zibo 255000,Shandong,China)Abstract:To improve the performance of CO2 heat pump air-conditioning systems in electric vehicles and extend the operational temperature range,this paper constructs a trans-critical CO2 system with a regenerator and vapor injection.The
5、system heating performance is simulated and analyzed by using a numerical model.The results show that the gas cooler pressure has a great influence on the COP.There is an optimal combination of the gas cooler pressure and the intermediate supply pressure to make the COP reach the maximum value.Addit
6、ionally,the intermediate air supply process effectively enhances both the COP and heat production,while effectively reducing the compressor exhaust temperature.The superheat of the regenerator has little effect on the COP and heat production;however,it leads to an increase in the compressor exhaust
7、temperature.Keywords:electric vehicle;heat pump air conditioning;trans-critical CO2;vapor injection;regenerator收稿日期:20220916改稿日期:20221027基金项目:国家重点研发计划项目(2021YFE0112500)参考文献引用格式:李江峰,李帅旗,阮先轸,等.电动汽车CO2热泵空调制热性能分析 J.汽车工程学报,2023,13(4):556-563.LI Jiangfeng,LI Shuaiqi,RUAN Xianzhen,et al.Thermal Performance
8、 Analysis of CO2 Heat Pump Air Conditioning System in Electric Vehicles J.Chinese Journal of Automotive Engineering,2023,13(4):556-563.(in Chinese)第 4 期李江峰 等:电动汽车CO2热泵空调制热性能分析随着国际社会对环境问题的日渐重视,纯电动汽车近几年发展迅速,但里程焦虑仍是制约其进一步发展的重要因素。造成纯电动汽车里程焦虑的一部分原因是冬季低温环境下汽车热泵空调制热效率低或热泵空调无法使用,需要使用正温度系数材料(Positive Tempera
9、ture Coefficient,PTC)进行采暖,造成纯电动汽车采暖功耗过大。CO2作为天然制冷剂,不仅对环境友好,而且在低温环境下拥有良好的采暖性能,因此CO2成为R134a 的潜在替代制冷剂。CO2的临界温度为31.1,LORENTZEN等1率先提出将跨临界CO2系统应用于汽车空调,CO2的临界压力为7.3 MPa,跨临界CO2系统运行处于高压力状态,但是CO2压缩机拥有较低的压缩比,因此 CO2压缩机尺寸更小,系统可以更加紧凑,质量更轻2。陈胜凯3对比了R134a和CO2的制热性能,证明在低温环境下,CO2相较于R134a有相近的COP,同时制热量远大于R134a系统。刘洪胜等4研究了
10、汽车空调中CO2充注量对跨临界CO2热泵空调系统性能的影响,分析确定了最佳充注量。不过,跨临界CO2系统也存在缺点。由于CO2运行压差大,所以节流过程中存在较大的节流损失5,需要对跨临界 CO2系统进行优化。赵玲华等6研究了回热器对跨临界CO2热泵系统的制热性能。TIAN Hua 等7对采用膨胀机回收膨胀功的跨临界CO2系统性能进行了研究。RIGOLA等8通过数值模拟研究了回热器对跨临界CO2系统的影响。邹春妹等9通过试验研究了喷射器对跨临界CO2系统的影响。吴孟霞等10研究了喷气增焓系统对高温跨临界CO2系统的影响。这些现有的研究大多都是针对CO2循环进行优化,并没有针对跨临界CO2系统在纯
11、电动汽车工况下的特殊研究。对于纯电动汽车热泵系统,当环境蒸发温度过低时,热泵系统无法正常运转,即使使用了余热回收的热泵系统,也只是在特定情况下扩宽了热泵系统的使用温区,电动汽车仍需配备PTC,增加了整车的成本和质量,对续驶里程的提升仍然有限。CO2系统可以提高低温下的制热量,但系统COP过低,且极低温下压缩机排气温度过高,易使压缩机过热,因此仍需要对跨临界CO2系统进行优化。本文为提高跨临界CO2系统低温制热性能和扩宽热泵系统使用范围,构建了回热器+补气增焓的跨临界CO2系统,通过数学模型对系统性能进行仿真分析。分析了不同工况下的气体冷却器压力和中间补气压力对COP的影响,探究了中间补气量及相
12、对补气量对系统制热性能的影响,最后分析了回热器过热度对制热性能的影响,为纯电动汽车系统架构方面提供了参考。1系统介绍回热器+补气增焓跨临界CO2系统原理,如图1所示,该系统理论循环的 P-h 曲线,如图 2 所示。该系统的工作流程如下:CO2经压缩机压缩至高压状态Pg,此时处于超临界状态的CO2在气体冷却器内放热至状态点6,随后进入经济器中被冷却至状态点7,经过回热器与蒸发器出口的气体换热至状态点8,此后CO2分为两路。一路走膨胀阀1降压至中间压力 Pm,经经济器换热后到达状态点 11,并通过压缩机上的补气口进入压缩机腔;另一路经膨胀阀2节流至蒸发压力Pe,在蒸发器内吸热,再经过回热器加热至状
13、态点2被吸入压缩机,经压缩机一级压缩后与补气口计入的 CO2混合至状态点 4,进入下一级压缩腔压缩至状态点5排出,至此完成循环。图1回热器+补气增焓跨临界CO2系统原理557汽车工程学报第 13 卷回热器+补气增焓跨临界CO2系统相较于基本跨临界CO2系统制热具有以下3个特点。1)由于回热器+补气增焓跨临界CO2系统增加了中间补气过程,所以增加了经过气体冷却器的制冷剂流量,提高了系统的制热量。2)中间补气的 CO2可视为压缩机内的一个中间冷却,能有效降低压缩机的排气温度,防止压缩机过热,提高压缩机的压缩效率。3)中间补气可将中间压力制冷剂直接补入压缩机,不需要进一步节流降压,有效降低了节流损失
14、和压缩机功耗。2模型构建2.1数学模型为了重点关注该系统的主要参数对系统性能的影响,在系统分析时做出如下假设:1)忽略CO2在换热器和管道内的压降;2)蒸发器出口和压缩机补气口的CO2为饱和状态;3)压缩机内的压缩为绝热压缩;4)中间补气的CO2可以全部进入压缩机的压缩腔内。系统制冷系数COP为:COP=QgWc。(1)式中:Qg为系统制热量;Wc为压缩机功耗。系统制热量计算,如式(2)所示。Qg=(m 1+m 2)(h1-h10)。(2)式中:m 1为中间补气过程的制冷剂质量流量;m 2为流过蒸发器的制冷剂质量流量。压缩机功耗计算,如式(3)(5)所示。Wc=Wc,L+Wc,H。(3)Wc,
15、L=m 2(h3-h2)。(4)Wc,H=(m 1+m 2)(h5-h4)。(5)式中:Wc,L为低压侧压缩机耗功;Wc,H为高压侧压缩机功耗。压缩机的等熵效率计算,如式(6)(7)所示。s,L=1.003-0.121P3P2。(6)s,H=1.003-0.121P5P4。(7)相对补气量计算,如式(8)所示。=m 2()m 1+m 2。(8)式中:为相对补气量。回热器换热量计算,如式(9)所示。Qihe=(m 1+m 2)(h7-h8)=m 2(h2-h1)。(9)式中:Qihe为回热器的换热量。经济器换热量计算,如式(10)所示。Qsc=(m 1+m 2)(h6-h7)=m 1(h11-h
16、9)。(10)式中:Qsc为经济器的换热量。低压侧计算,如式(11)(13)所示。s2=s(P2,h2)。(11)h3,s=h(P9,s2)。(12)h3=h2+()h3,s-h2s,L。(13)式中:h3,s为压缩机等熵压缩时状态点3的焓值。高压侧计算,如式(14)(16)所示。s4=s(P4,h4)。(14)h5,s=h(P5,s4)。(15)h5=h4+()h5,s-h4s,H。(16)式中:h5,s为压缩机等熵压缩时状态点5的焓值。状态点4焓值计算,如式(17)所示。h4=m 1h11+m 2h3m 1+m 2。(17)在电动汽车跨临界CO2热泵系统理论计算中,指定气体冷却器出口温度为
17、定值,通过假设不同蒸图2回热器+补气增焓跨临界CO2系统理论循环P-h曲线558第 4 期李江峰 等:电动汽车CO2热泵空调制热性能分析发温度 Tevap、气体冷却器压力 Pg、中间补气压力Pinj、相对补气量、回热器过热度等参数研究变量对系统制冷性能的影响。2.2模型验证为了验证数学模型的准确性,采用吴孟霞等10的试验数据进行对比。吴孟霞试验设定压缩机频率为180 Hz,膨胀阀1的开度为120步(总步数为250步),通过调节膨胀阀2的开度得到COP随气体冷却器出口温度变化的试验数据。将该工况输入模型进行仿真,再将得到的仿真值与试验值进行对比(图 3)可知,最大误差为 9.37%,平均误差为4
18、.34%,试验值与仿真结果有较好的一致性。3结果分析3.1气体冷却器压力的影响在不同蒸发温度(Tevap=10,0,-10)、不同气体冷却器出口温度(Tgc,out=35,40,45)和不同相对补气量(=0,0.1,0.2,0.3)下COP随Pgc的变化规律,如图46所示。由图46 可知,气体冷却器压力的存在使 COP 达到最大值;当气体冷却器压力小于最佳压力时,COP随气体冷却器压力的增加而快速上升,当气体冷却器压力大于最佳压力时,COP随气体冷却器压力的增加而缓慢下降。由图 45可知,当蒸发温度分别为-10、0、10 时,最佳气体冷却器压力分别为10.2、10、9.8 MPa,最佳压力随蒸
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