电动汽车CO2热泵循环EXV控制仿真研究
2023-08-12杨坚
摘 要:本文基于自然环保工质CO2的物理特性,对极低温-20℃环境温度下的热泵系统运行进行理论仿真研究和预测。在不同的压缩机转速条件下,分析不同的EXV开度大小对CO2热泵系统制热性能的影响,包括压缩机排气温度,排气压力,采暖加热量,压缩机耗功以及COP等重要系统性能参数,为后续CO2热泵系统低温下的高效运行打下基础。
关键词:CO2热泵;膨胀阀开度;仿真;制热性能
随着能源危机和环境问题的加剧,汽车电动化趋势不可逆转。但是,在冬季工况下,采用PTC(高电压热敏电阻)加热,续航里程较差。作为解决方案,空调热泵系统[13]通过逆卡诺循环,从车外低温空气中吸取热量,叠加压缩机做功,给乘员舱加热,提高加热性能系数COP,大幅提升电动车冬季续航里程。但是目前主流的HFC134a热泵仅能在-7℃以上的环境温度正常工作,不适用于极低温环境,而HFC134a作为强温室气体,又会加剧全球变暖的趋势,造成环境破坏,因此制冷剂替代势在必行[4]。
CO2作为自然工质,无温室效应,无毒不可燃,是理想的环保替代制冷剂。CO2在高压侧超临界区有较高的制热性能[5],吸气密度和体积潜热较高,以减少系统在低温环境下的热量衰减,达到较高的出风温度和比较好的系统效率[6]。但是CO2跨临界循环存在系统复杂,排气压力温度高,系统状态参数变化快,难以工作在高效运行区间的问题[7]。针对此问题,李海军等人[8]进行了模拟计算,研究热泵系统在低温工况下的制热性能衰减。
由于EXV(电子膨胀阀)的调节,对CO2热泵系统的低温加热性能有着至关重要的作用,本文将在-20℃的极低环境温度下,根据CO2热泵系统零件参数,包括压缩机、气体冷却器、EXV、蒸发器、热芯(内部加热器),使用Dymola软件进行热泵系统模型搭建。出于节能和防止车内起雾的原因,仿真不考虑冷热风门混风换热,完全依靠外循环进风,系统的工作状态主要取决于压缩机的转速和EXV的开度。因此,仿真的目的是在不同的压缩机转速下,进行EXV开度变化模拟预测,找出EXV开度对系统运行的影响规律,确定超低环境温度下的调节策略,为后续CO2热泵系统低温下的高效运行打下基础。
1 系统仿真模型
CO2热泵系统主要由压缩机、蒸发器、气体冷却器、热芯、储液罐、EXV和截止阀组成,采暖时气体冷却器与热芯串联加热,提高换热面积。针对这一套热泵系统,采用成熟度比较高的Dymola软件[9]进行模型搭建和仿真。
仿真采用的压缩机为CO2转子式压缩机,通过压缩机的结构特性参数,考虑压缩机的容积效率,机械效率等效率,建立压缩机工作模型,并对压缩机的质量流量,排气温度和功耗进行仿真计算;对于蒸发器、气体冷却器、暖芯这些换热器,则结合各自平行流换热器属微通道换热特性,采用一维有限元方法将划分网格,结合几何参数进行性能计算。其中,车外蒸发器制冷剂侧传热系数采用GnielinskiDittusBoelter关联式[10],车内气体冷却器和暖芯制冷剂侧传热系数采用KIND等关联式[11],制冷剂压降系数采用SWAMEE等关联式[12],空气侧传热系数采用WANG等[13]的实验关联式。根据EXV通过步进电机等手段使阀芯产生连续位移,从而改变制冷剂的流通面积的原理,按照动量方程和能量守恒建立EXV模型。最后,根据各部件之间的耦合特性联系,建立热泵系统仿真模型。根据武悦等人[14]利用Dymola在多种低温工况下,对串联式CO2热泵系统进行仿真,并与试验数据进行对比,验证了制热性能的仿真误差可控制在5%以内。
2 制热仿真结果
2.1 膨胀阀开度对排气影响
为了满足乘员舱加热采暖需求,在-20℃的低温环境下,压缩机需要在比较高的转速下运行。由于较高的高低压压差,此时膨胀阀开度的太小,会导致压缩机温度和压力超过极限值。如图1所示,压缩机转速为2000rpm时,由于转速较小,排气温度1~11℃,不适用于实际工况;压缩机转速为8000rpm时,膨胀阀开度100对应的排气温度为200℃,排温排压过高,超过了压缩机和系统的温度极限值(>150℃),也不适用于实际工况。并且在这种极端高温高压工况下,润滑油产生不可逆的化学反应(如碳化等),压缩机就会失去润滑效果,无法正常工作。而压缩机转速为8000rpm,膨胀阀开度为300时,排气温度为130.1℃,有效降低了压缩机的高压以及压缩比,避免进入极限工况。
2.2 膨胀阀开度对加热量和功耗的影响
热泵系统加热量随着膨胀阀开度的增大减小,如图2所示。这是因为,在-20℃的环境温度以及空调进风温度下,随着膨胀阀开度的增加,压缩机排温排压下降非常快,导致车内加热温差快速减少,降低加热量。另外,由于排气压力的大幅下降,而吸气压力由于受外界温度的影响没有明显变化,也会导致压缩机的压缩比大幅下降,导致压缩机做功变少,从而也会降低最后的加热量。压缩机转速越高,这种加热量的下降趋势越发明显。例如,当压缩机在8000rpm时,如果膨胀阀开度为100,车内加热量为87kW,而膨胀阀开度300时,车内加热量为6.97kW,加热量下降幅度为1.73kW。但是当压缩机转速为4000rpm时,相应的加热量降幅为1.15kW,这说明在极低温环境工况下,压缩机的转速越高,吸排气压比越大,膨胀阀的开度对加热量和压缩机功率的影响越大。因此,在需要比较大的加热量时,需要尽量保持大的压缩机转速和小的膨胀阀开度,通过大温差提高换热量,实现快速制热。
2.3 膨胀阀开度对COP影响
系统采暖系數COP体现的是热泵系统的整体运行效率,直接决定电动汽车的电能热能的转化率,影响电动汽车在冬季的续航里程。同时,COP是热泵系统的一个综合指标,需进行综合考虑,如图3所示,在不同的压缩机转速下,阀开度对系统COP的影响。由图可知,压缩机转越低,系统的COP越高,因为此时高低压比较小,压缩机做功较少。例如,压缩机转速在2000rpm时,COP可达到较高的4以上,但是此时压缩机排气温度和加热出风温度过低,不能符合正常的冬季采暖加热需求。同时,不同的压缩机转速和排量,对阀开度的调节区间也不一样:在压缩机转速较低时,由于整体排气温度和制冷剂流量较低,阀的开度不宜过大,否则导致过小的车内换热温差和低的系统COP,比如在低压缩机转速4000rpm,膨胀阀开度为中间值200时,COP为最高2.64;但是在压缩机转速较高时,由于整体排气温度和制冷剂流量较高,加大膨胀阀的开度可以将排气温度和加热量控制在适宜的水平,且能够大幅减少压缩机耗功,提高系统COP效率,比如高压缩机转速8000rpm,膨胀阀开度为较大值300时,COP为最高1.74。
3 结论
本文在-20℃的极低温环境下,进行了在不同压缩机转速下的膨胀阀EXV开度仿真分析,主要结论如下:
(1)在-20℃的极低温环境下,压缩机需要运行在比较高的转速区间,才能得到合适的排气温度和出风温度。此时,膨胀阀开度不宜过小,否则会导致压缩机温度和压力超过上限。
(2)压缩机高转速工况下,膨胀阀的开度对加热量和压缩机功率的影响比较大。通过尽量小的膨胀阀开度(开度<300),通过大温差提实现较高的换热量(>6.97kW)。
(3)不同的压缩机转速和排量下,阀开度的调节不一样:加热需求较小时,压缩机转速较低(<4000rpm),排气温度和制冷剂流量较低,阀的开度为中间值200时,COP最高2.64;加热需求大时,压缩机转速较高(8000rpm),需加大膨胀阀的开度,达到高COP效率(1.74)。
(4)综上所述,CO2热泵系统在-20℃的极低温环境温度下,通过调节EXV,完全可以滿足正常的车内采暖加热需求,且整体能量利用效率COP能够保持在1.5~2.5之间,为今后CO2热泵系统的试验研究和产业化应用提供有益的参考。
参考文献:
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*通讯作者:杨坚(1986— ),男,汉族,江西人,硕士,工程师,研究方向:汽车空调系统及控制。